4x4矩陣鍵盤_ZenDei技術網路在線

4x4矩陣鍵盤實拍照如下圖。其構成是4行（L1:4）x 4列（R1:4）共16個按鍵，當第n行、第m列的按鈕(n, m)按下時，引腳 Ln 與 Rm 導通：有一篇文章，對矩陣鍵盤的介面講解得很詳細。概括起來說，按鍵檢測分為3個階段。第一個階段，掃描行。行I/O口設為input模式，使用上拉電阻。列 ...

4x4矩陣鍵盤實拍照如下圖。其構成是4行（L1:4）x 4列（R1:4）共16個按鍵，當第n行、第m列的按鈕(n, m)按下時，引腳 Ln 與 Rm 導通：

有一篇文章，對矩陣鍵盤的介面講解得很詳細。概括起來說，按鍵檢測分為3個階段。第一個階段，掃描行。行I/O口設為input模式，使用上拉電阻。列I/O口設為output模式，輸出0。逐行掃描，某一行若沒有按鍵按下，則在上拉電阻的作用下pin值讀取為1；若該行任一按鍵按下，則被按鍵短路到列I/O口，因此pin值讀為0。檢測到有按鍵被按下後，進入第二階段，列掃描，以確定被按下的按鍵的列。列掃描階段，行/列的I/O模式互換，即：行I/O口設置為output模式，輸出0；列I/O口設為input模式，使用上拉電阻。類似於行掃描，逐列進行掃描，當讀取到pin值為0則表明被按下的按鍵屬於該列。通過第一、二階段，就能確定被按下的按鍵。第三階段，監聽被按下的按鍵的列I/O口，直到pin值為1，即表明按鍵被鬆開。

關於上拉/下拉電阻，這裡有一篇介紹文章。上拉電阻的作用在於，在常態下，按鈕開放，IO口被“往上拉”到VDD，讀數為1；當按鈕閉合，I/O口通過按鈕短路到VSS，讀數為0；而VDD通過上拉電阻和按鈕與VSS連通。若沒有上拉電阻的存在，則VDD與VSS短路，會造成災難性的後果，這顯然是必須避免的。使用上拉電阻時，按鈕開放時，pin值為1；當按鈕閉合時，pin值為0。即，pin值與按鈕閉合狀態相反，這稱為“負邏輯”。

在前述矩陣鍵盤的介面演算法中，三個階段都使用了上拉電阻。其檢測邏輯為負邏輯。

STM32的I/O口內部電路中包含有上拉電阻和下拉電阻，可以通過程式啟用或禁用。

在流水燈實驗的硬體基礎上，增加矩陣鍵盤介面。4x4矩陣鍵盤共有16個按鍵，4個LED剛好可以顯示16個二進位值（0-0x0F）。

矩陣鍵盤的按鍵檢測是分階段進行的，因此，程式的主體結構特別適合使用“狀態機”設計模式。下列代碼中，4個行I/O口的Label依次為R1:4，列I/O口為C1:4。首先定義狀態結構體及3個實例：

typedef struct {
    void (*enter)();
    uint8_t (*loop)();
} App_ScanningState;

#define App_STAY 0
#define App_LEAVE 1

void rowScanningEnter();
uint8_t rowScanningLoop();
void colScanningEnter();
uint8_t colScanningLoop();
void colScanningPressedEnter();
uint8_t colScanningPressedLoop();

App_ScanningState rowScanning = { rowScanningEnter, rowScanningLoop };
App_ScanningState colScanning = { colScanningEnter, colScanningLoop };
App_ScanningState colScanningPressed = { colScanningPressedEnter, colScanningPressedLoop };

App_ScanningState *currState = &rowScanning;

結構體 App_ScanningState 表示1個狀態，當進入該狀態時，調用其（函數指針）成員enter() 。在程式主迴圈中，則調用其 loop() 成員。loop() 函數返回值為 App_STAY 或 App_LEAVE，若返回前者，則表明應該停留在該狀態，下次主迴圈將再次調用此狀態的 loop() 函數；反之，若返回後者，則表明應該切換到下一個狀態。

rowScanning, colScanning, colScanningPressed 3個App_ScanningState實例，分別為行掃描階段、列掃描階段及第三階段（檢測按鍵鬆開）。程式初始時為行掃描狀態，例如，使用CubeMX自動生成的初始化代碼。程式主迴圈內的代碼為：

    if (App_LEAVE != currState->loop()) {
        return;
    }

    // Button released
    if (currState == &colScanningPressed) {
        lightLedsUp(key);
    }

    // Next state
    currState = currState == &rowScanning ? &colScanning //
            :
                currState == &colScanning ? &colScanningPressed //
                        : &rowScanning;
    currState->enter();

首先，調用當前狀態的 loop() 函數，其返回值表明是否應該切換到下一個狀態。如果切換到下一個狀態，則調用其 enter() 函數。如果是離開第三階段，則已檢測到一次按鍵事件（按下並鬆開），根據按鍵鍵值（0-15）點亮LED。點亮LED的函數定義如下，其無外乎按位依次點亮或熄滅每一個LED：

#define BIT_TO_PIN_VALUE(key, bit) ( (1 & (key >> bit)) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET )

void lightLedsUp(uint8_t key) {
    HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin, BIT_TO_PIN_VALUE(key, 3));
    HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin, BIT_TO_PIN_VALUE(key, 2));
    HAL_GPIO_WritePin(LED3_GPIO_Port, LED3_Pin, BIT_TO_PIN_VALUE(key, 1));
    HAL_GPIO_WritePin(LED4_GPIO_Port, LED4_Pin, BIT_TO_PIN_VALUE(key, 0));
}

對於行掃描狀態，進入該狀態時，應該對行、列的I/O口進行設置。也即，在其enter() 實現中設置行I/O口為input模式，並啟用其內部上拉電阻；列I/O為output模式，並輸出0。其 loop() 實現則依次檢測行I/O口是否讀數為0，若讀數為0，則表明該行有按鍵按下，記下行號，並離開本狀態：

#define configInputPullUp(port, pin, GPIO_InitStruct) { \
/*        HAL_GPIO_WritePin(port, pin, GPIO_PIN_RESET); */ \
        (GPIO_InitStruct)->Pin = pin ; \
        (GPIO_InitStruct)->Mode = GPIO_MODE_INPUT ; \
        (GPIO_InitStruct)->Pull = GPIO_PULLUP ; \
        (GPIO_InitStruct)->Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW; \
        HAL_GPIO_Init(port, GPIO_InitStruct) ; \
}

#define configOutputLow(port, pin, GPIO_InitStruct) { \
        (GPIO_InitStruct)->Pin = pin ; \
        (GPIO_InitStruct)->Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP ; \
        (GPIO_InitStruct)->Pull = GPIO_NOPULL ; \
        (GPIO_InitStruct)->Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW; \
        HAL_GPIO_Init(port, GPIO_InitStruct) ; \
        HAL_GPIO_WritePin(port, pin, GPIO_PIN_RESET);  \
}

#define DEBOUNCE_DELAY 5

void rowScanningEnter() {

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;

    // Row pins: input, pull-up enabled
    configInputPullUp(R1_GPIO_Port, R1_Pin, &GPIO_InitStruct);
    configInputPullUp(R2_GPIO_Port, R2_Pin, &GPIO_InitStruct);
    configInputPullUp(R3_GPIO_Port, R3_Pin, &GPIO_InitStruct);
    configInputPullUp(R4_GPIO_Port, R4_Pin, &GPIO_InitStruct);

    // Col pins: output 0
    configOutputLow(C1_GPIO_Port, C1_Pin, &GPIO_InitStruct);
    configOutputLow(C2_GPIO_Port, C2_Pin, &GPIO_InitStruct);
    configOutputLow(C3_GPIO_Port, C3_Pin, &GPIO_InitStruct);
    configOutputLow(C4_GPIO_Port, C4_Pin, &GPIO_InitStruct);

}

GPIO_PinState checkPressedLow(GPIO_TypeDef *port, uint16_t pin) {
    if (GPIO_PIN_RESET == HAL_GPIO_ReadPin(port, pin)) {
        // Delay & read again
        HAL_Delay(DEBOUNCE_DELAY);
        return HAL_GPIO_ReadPin(port, pin);
    }

    return GPIO_PIN_SET;
}

uint8_t rowScanningLoop() {

    if (GPIO_PIN_RESET == checkPressedLow(R1_GPIO_Port, R1_Pin)) {
        key = 0;
        return App_LEAVE;
    }
    if (GPIO_PIN_RESET == checkPressedLow(R2_GPIO_Port, R2_Pin)) {
        key = 1 << 2;
        return App_LEAVE;
    }
    if (GPIO_PIN_RESET == checkPressedLow(R3_GPIO_Port, R3_Pin)) {
        key = 2 << 2;key
        return App_LEAVE;
    }
    if (GPIO_PIN_RESET == checkPressedLow(R4_GPIO_Port, R4_Pin)) {
        key = 3 << 2;
        return App_LEAVE;
    }

    return App_STAY;
}

註意，在讀取pin值時，為了de-bouncing，增加了一個5ms的延時重讀。一般，de-bouncing延時取5-10ms。

列掃描狀態的實現與行掃描相類似，這裡便不再給出代碼了。需要說明的是，程式中使用了一個位元組型全局變數 key 用來保存鍵值，其第2-3位為行號（0-3），第0-1位為列號（0-3），因此，key 的值為0-0x0F，依次對應16個按鍵。

而第三階段無需改變I/O口設置，只需檢測被按下按鍵所在的列是否讀取pin值為1。讀取pin值為1表明按鍵被鬆開，應該離開此狀態，切換回行掃描狀態：

uint8_t colScanningPressedLoop() {

    int col = 3 & key;

    if (0 == col) {
        if (GPIO_PIN_SET == HAL_GPIO_ReadPin(C1_GPIO_Port, C1_Pin)) {
            return App_LEAVE;
        }
    } else if (1 == col) {
        if (GPIO_PIN_SET == HAL_GPIO_ReadPin(C2_GPIO_Port, C2_Pin)) {
            return App_LEAVE;
        }
    } else if (2 == col) {
        if (GPIO_PIN_SET == HAL_GPIO_ReadPin(C3_GPIO_Port, C3_Pin)) {
            return App_LEAVE;
        }
    } else { // 3== col
        if (GPIO_PIN_SET == HAL_GPIO_ReadPin(C4_GPIO_Port, C4_Pin)) {
            return App_LEAVE;
        }
    }

    return App_STAY;
}