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键盘输入接口与状态机编程 摘自 1、 通用 I/O数字输入接口设计 假如把一个单片机嵌入式系统比做一个人 的话 ， 那么单片机就相当于人的心脏和大 脑 ， 而输入接口就好似人的感官系统 ， 用 于获取外部世界的变化 、 状态等各种信息 ， 并把这些信息输送进人的大脑 。 嵌入式系 统的人机交互通道 、 前向通道 、 数据交换 和通信通道的各种功能都是由单片机的输 入接口及相应的外围接口电路实现的 。 对于一个电子系统来讲，外部现实世界各种 类型和形态的变化和状态都需要一个变换器 将其转换成电信号，而且这个电信号有时还 需要经过处理，使其成为能被 MCU容易识别 和处理的数字逻辑信号，这是因为单片机常 用的输入接口通常都是数字接口（ A/D接口， 模拟比较器除外，他们属于模拟输入口，而 是在芯片内部将模拟信号转换成数字信号的） 上述的 “ 变换器 ” 和 “ 转换处理 ” 从专业的 角度讲就是 “ 传感器技术 ” 和 “ 信号调理电 路 ” 。 因此 ， 一个单片机嵌入式系统的设计 和开发人员要具备这些专业知识和技能 ， 不 仅要熟悉一些常用传感器的特性和应用 ， 以 及相关的信号调理 、 转换 、 接口电路 ， 还要 跟踪国际上新技术的发展 ， 将新型传感器器 件和新型电路元器件应用于系统设计中 。 采用新型传感器器件和新型电路元器件 ， 可 以大大提高嵌入式系统设计的效率 ， 简化系 统的硬件结构和软件设计难度 ， 缩短开发周 期 ， 提高系统的性能和可靠性 。 根据系统外围电路输入的电信号形式，可以 把输入信号分为以下几种形式： 1.1.1 I/O输入接口硬件设计要点 (1) 模拟信号和数字信号。 传感器将某个外部参数（如温度、转速） 的变化转换成电信号。如果传感器输出电信 号的幅度变化特征代表了外部参数的变化， 如电压的升高下降（电流增大减小）表示温 度高低的变化，那么这个传感器就是模拟传 感器，它产生是模拟信号。由于 MCU是数字 化的，因此模拟信号要转换成数字信号才能 由 MCU处理。转换电路称为模数转换 “ A/D”。 A/D变换是嵌入式系统重要的外围接口电 路之一，用途广泛。在系统硬件设计中可以 选取专用的 A/D变换芯片作为模拟传感器和 单片机之间的接口，也可以选取片内带 A/D 转换功能的单片机以简化硬件电路的设计。 (2) 电压信号和电流信号 单片机 I/O接口的逻辑是数字电平逻辑，既 以电压的高和低电平作为逻辑 “ 1”和 “ 0”， 因此进入单片机的信号要求是电压信号。一 些传感器的输出是电流信号，甚至是微小的 电流，那么在进入单片机前还需要将电流信 号放大、并把电流转换成电压的信号调理电 路。 在一些长远距离的应用中，考虑到电压信号 的抗干扰能力差，长线衰减等因素，往往在 一端把电压信号变成电流信号，在长线中传 送电流，而在另一端再把电流信号再转换成 电压信号，这样大大提高了信号传输的可靠 性，如 RS-485通信等。另外，为了防止外 部强电信号对嵌入式系统的冲击而使用的光 电隔离技术，也采用电流 /电压变换方法。 (3) 单次信号和连续信号 间隔时间较长单次产生的脉冲信号，以及较 长时间保持电平不变化的信号称为单次信号。 常见的单次信号一般是由按键、限位开关等 人为动作或机械器件产生的信号。而连续信 号一般指连续的脉冲信号，如计数脉冲信号， 数据通信传输等。 单次信号要注意信号的纯净和抗干扰，如消 除按键的抖动，外部的干扰等。在图中，外 部状态开关与系统之间采用电流传输方式， 在系统入口串接磁阻线圈。当外部开关闭合 后，回路中有大电流通过，光电器件导通输 出 “ 0”； 而在开关断开后，回路中无电流流通，光电 器件不会导通输出 “ 1”。空间的电磁信号会 在传输线上产生高频的干扰信号，磁阻线圈 则对高频信号起到阻碍作用，使电流不能突 变。 另外空间电磁干扰往往能产生较高的干扰电 压，但不会产生大的干扰电流（ “状态 1”-“状态 2”，最后返回到 “ 状态 0”的。并且在整个过程中，按键的 输出信号仅在 “ 状态 1”时给出了唯一的一 次确认按键闭合的信号 “ 1”（其它状态均 输出 “ 0”）。 所以上面状态机所表示的按键系统，不仅克 服了按键抖动的问题，同时也确保在一次按 键整个的过程中，系统只输出一次按键闭合 信号（ “ 1”）。换句话讲，不管按键被按下 的时间保持多长，在这个按键的整个过程中 都只给出了一次确认的输出，因此在这个设 计中，按键没有 “ 连发 ” 功能，它是一个最 简单和基本的按键。 一旦有了正确的状态转换图，就可以根据状 态转换图编写软件了。在软件中实现状态机 的方法和程序结构通常使用多分支结构 （ IF-ELSEIF-ELSE、 CASE等）实现。下 面基于状态机方式编写的简单按键接口函数 read_key()。 该简单按键接口函数 read_key()在整个系 统程序中应每隔 10ms调用执行一次，每次 执行时将先读取与按键连接的 I/O的电平到 变量 key_press中，然后进入用 switch结构 构成的状态机。 switch结构中的 case语句分别实现了 3个不 同状态的处理判别过程，在每个状态中将根 据状态的不同，以及 key_press的值（状态 机的输入）确定输出值（ key_return）， 和确定下一次按键的状态值（ key_state）。 函数 read_key()的返回参数提供上层程序使 用。返回值为 0时，表示按键无动作；而返回 1表示有一次按键闭合动作，需要进入按键处 理程序做相应的键处理。 在函数 read_key()中定义了 3个局部变量， 其中 key_press和 key_return为一般普通 的局部变量，每次函数执行时， key_press 中保存着刚检测的按键值。 key_return为 函数的返回值，总是先初始化为 0，只有在 状态 1中重新置 1，作为表示按键确认的标志 返回。 变量 key_state非常重要，它保存着按键的 状态值，该变量的值在函数调用结束后不能 消失，必须保留原值，因此在程序中定义为 “ 局部静态变量 ” ，用 static声明。如果使 用的语言环境不支持 static类型的局部变量， 则应将 key_state定义为全局变量。 单按键的实时时钟秒校时设置设计（一） 1）硬件电路 在前面的章节中曾几次给出了简易实时时钟 的设计例子，但都没有加入按键，不能实现 时钟校时的设置。下面结合上面的按键接口 的设计，实现对时钟的校时设置。在该例子 中，只是实现了秒单元的校时设置，其重点 是让读者体会和实践按键输入接口和处理的 实现。 时钟系统的硬件电路在 I/O口 PD7上连接一 个按键 K1，该按键的功能为秒加 1，既每按 下一次，秒加 1，到 60秒时分加 1，秒回到 为 0。 2） 软件设计 以下是采用一个简单按键实现秒单元的校 时设置系统的程序。程序中，给出了采用一 个简单按键实现时钟校时（仅秒位）设置功 能的基本设计，时钟本身的计时显示方法用 秒闪烁表示（每秒种 LED数码管的小数点段 闪烁一次）。 T/C0的工作于 CTC方式，每 2ms产生中断。 在 T/CO中断服务中增加了 10ms到的标志 变量 key_stime_ok，作为按键状态机的时 间触发序列信号。在主程序中，每隔 10ms 调用 read_key()按键接口程序，当函数返 回值为 1时，说明产生了一次按键操作过程， 秒位加 1，然后进行时间调整。 三、基于状态机分析的简单按键设计（二） 在上面的例子中，对秒的校时设置操作还是 不方便，例如，如果将秒从 00设置为 59， 需要按键 59次。如果将按键设计成一个具有 “ 连发 ” 功能的系统，就能很好的解决这个 问题。 现在考虑这样的一个按键系统：当按键按下 后在 1秒内释放了，此时秒计时加 1，而当按 键按下后在 1秒内没有释放，那么以后每隔 0.5秒，秒计时就会自动加上 10，直到按键 释放为止。这样的按键系统就具备了一种 “ 连发 ” 功能，其中时间也成为系统的一个 输入参数了。 具有 “ 连发 ” 功能的按键系统状态转换 图 在图中，按键系统输出 “ 1”表示按键在 1秒 内释放了，输出 “ 2”表示按键产生一次 “ 连 发 ” 的效果。下面是基于状态机方式编写的 带 “ 连发 ” 功能按键接口函数 read_key_n()。 函数 read_key_n()与前面的 read_key() 结构非常类似，设计为每隔 10ms被调用执 行一次，在构成状态机的 switch结构中使用 了局部静态变量 key_time作为按键时间计 数器，记录按键按下的时间值。 函数 read_key_n()的返回参数提供上层程 序使用。返回值为 0时，表示按键无动作； 返回 1表示一次按键的 “ 单发 ” （ 1s）动 作；返回 2表示一次按键的 “ 连发 ” 动作， 提供按键处理程序做相应的键处理。 单按键的实时时钟秒校时设置设计（二） 主程序中，每隔 10ms调用 read_key_n() 按键接口程序，并根据其返回值对秒位的时 间进行加 1或加 10的处理。