干货 | 关于矩阵键盘,使用电子表格辅助编程

2020-11-10 09:14:41

最近在某个项目中需要用到按键检测，常规想法是矩阵键盘，于是就这么做下去了。

后来在编程的时候发现，实现按键检测并不是一件容易的事情，特别是有多个按键同时按下的情况下。

在这个过程中逻辑太容易乱了，于是借助了电子表格工具（WPS或者Excel），试图节省工作量。

后来发现效果确实不错，于是在这里分享一下。

绘制PCB使用的是Altium Designer 10，但是家中未安装该软件，于是使用DesignSparkPCB将原理图重新绘制了一遍，大家将就着看。

我们的目的是实现2*3的矩阵键盘的检测，思路大概是这样的：
1.将Row1置低，其他管脚设置为带有上拉的输入状态，将其状态记录下来。
2.将Row2置低，其他管脚设置为带有上拉的输入状态，记录输入结果并计算按键状态。

或许大家觉得这个过程很容易，一看Col哪个被拉低就知道是哪个按键被按下了。

其实却不是这样，有可能存在多个按键共同作用导致某个Col被拉低的情况。
为什么不用Col来扫描？——因为扫描Row只需要扫描2回，扫描Col需要扫描3回。

为了解决这个问题，尽可能多的检测出多个按键按下的不同状况，我使用了大名鼎鼎的电子表格（俗称Excel），来实现这个检测。

作为6个按键，有2^6=64种不同的状态，所以我们可以通过电子表格的自动填充功能实现这个工作。

我们将A列定义为64种不同状态（0-63）
然后在B2单元格内输入“=dec2bin(A2，6)”，将A列的数据转换为二进制数
C列表头为SW1，C2单元格“=LEFT(B2,1)”,即二进制数左端第1个数
D列表头为SW2，D2单元格“=RIGHT(LEFT(B2,2),1)”，即二进制数左端取2个，再从这两个里取右端的一个，也就是左起第二个数

同理：
E列表头SW3，E2单元格“=RIGHT(LEFT(B2,3),1)”
F列表头SW4，F2单元格“=RIGHT(LEFT(B2,4),1)”
G列表头SW5，G2单元格“=RIGHT(LEFT(B2,5),1)”
H列表头SW6，H2单元格“=RIGHT(B2,1)”

完成上述步骤之后，我们空出一列来（I列），接下来计算按键按下之后产生的逻辑关系，这也是最让人头疼的问题。

为了节省列宽（屏幕大小有限，可以显示更多内容），我们将J1单元格输入R2（Row_2）,K1单元格输入C1（Col_1）,L1=C2,M1=C3
为什么没有R1？——这里计算的是R1设定为低的情况下其他信号线的输入状态，R1一定为0。

接下来就是信号怎么判断了。

由于上拉是弱上拉，在按键按下的时候，如果对应行是低电平，那么列会被拉低。

在这里我们约定，如果SW1=1，表示SW1按下，其余按键以此类推。
在R1=0时，要让R2也等于0，那么需要SW1和SW4同时按下，或者SW2和SW5同时按下，又或者SW3和SW6同时按下。

于是，J2单元格（Row2列）的逻辑就是“=IF(C2*F2+D2*G2+E2*H2,0,1)”（组合逻辑不要忘记了）

接下来计算Col1列，这个时候刚刚计算得到的Row2列的结果可以用到。
我们知道，如果Row1为低，且SW1按下，那么Col为低，如果Row2为低，且SW4为低，那么Col也为低。

故K2单元格:“=IF(C2+F2*(1-J2),0,1)”
L2:“=IF(D2+G2*(1-J2),0,1)”
M2:“=IF(E2+H2*(1-J2),0,1)”

继续空一列（N列），有了之前的经验，很容易填写下面的单元格：
O2:“=IF(C2*F2+D2*G2+E2*H2,0,1)”
P2:“=IF(F2+C2*(1-O2),0,1)”
Q2:“=IF(G2+D2*(1-O2),0,1)”
R2:“=IF(H2+E2*(1-O2),0,1)”

然后选中这一行的所有数据，向下填充到65行（表头占一行，数据有64行）
效果如下图所示：

有人要问了，不就是计算个逻辑吗，何必搞的那么复杂呢？又是公式又是填充的。

刚刚说了那么久，还没提到电气连接是怎么样的。
这个项目原本我是用STM32实现的，但是，这里是MSP430板块嘛，那么我就移植一下咯，用最常见的MSP430G2553来做。
R1：P1.4
R2：P1.3
C1：P1.2
C2：P1.1
C3：P1.0

初始化的代码就不写了，定义两个宏：

#define R1OUT() do{\
P1DIR &= ~BIT3;\
P1OUT |= BIT3;\
P1REN |= BIT3;\
P1REN &= ~BIT4;\
P1OUT &= ~BIT4;\
P1DIR |= BIT4;\
}while(0)
#define R2OUT() do{\
P1DIR &= ~BIT4;\
P1OUT |= BIT4;\
P1REN |= BIT4;\
P1REN &= ~BIT3;\
P1OUT &= ~BIT3;\
P1DIR |= BIT3;\
}while(0)

那么我们可以分两轮扫描，定期执行。
第一轮扫描R2OUT()运行时的P1IN，读取完毕执行R1OUT()。
第二轮扫描R1OUT()运行时的P1IN，读取完毕执行R2OUT()。

那么我们可以知道，第一轮扫描的时候，R2是输出，我们需要读取P1.4 P1.2 P1.1 P1.0的键值。

第二轮扫描的时候，R1输出，我们需要读取P1.3 P1.2 P1.1 P1.0的键值。
由于使用了连续的寄存器，所以我们能够很方便的使用一个寄存器Key_Buffer来储存键码。

于是，我们只需要在第一轮扫描的时候将寄存器清除，再将键值搬运到寄存器的高4位，在第二轮扫描的时候直接将寄存器加上P1IN的低4位即可。

void Key_Scan()
{
static unsigned char count=1;
static unsigned char Key_Buffer=0;
static unsigned char Key_States=Key_Old_States=Key_Press=Key_Bottom_up=0;
if(count&0x01)//奇数轮
{
unsigned char temp=0;
temp=P1IN;
Key_Buffer=((temp&0x07)<<4)+((temp&0x10)<<3);
R1OUT();
}
else//偶数轮
{
Key_Buffer+=(P1IN&0x0f);
R1OUT();
}
count++;
}

眼尖的可能见到了，我还定义了Key_States，Key_Old_States，Key_Press和Key_Bottom_up一共4个变量，它们是用来干嘛的呢？

我们接着看。这个扫描结果对应的是表格里J-M，O-R列的数值，而我们需要的是C到H列里各个按键的状态，如果有办法将其转换一下就好了。

好吧，我们回到电子表格里继续计算。

老规矩，空出一列（S列）作为分隔，我们的Key_Buffer在经过奇偶两轮的运算之后，是J-M，O-R列数据拼接而成的数值。

于是我们在T2单元格模仿这个运算，填入“=J2&K2&L2&M2&O2&P2&Q2&R2”，在电子表格里，&既不是与运算也不是按位与运算，而是字符串拼接运算。

继续往后看，U2单元格“=bin2dec（T2）”将这个结果向下填充，得到了最终版本的Sheet1。

（后续运算如果在这个工作表基础上继续下去，将破坏本表格的完整性，所以将Sheet中所有数据复制到Sheet2中继续进行。）
现在表格长这个样子了:

刚刚说了，将Sheet1复制了一份在Sheet2表，我们接着算。

我们留意到，在U2列里出现了好多相同的数据，这说明扫描得到的结果是一样的，但是键码却不一样。于是我们要找出这些无法判断键码的键值来。

在V2单元格填入“=COUNTIF(U:U,U2)”，向下填充。

于是看到了好多次数超过一次的。选中A-V列，自定义排序，选择有标题行，按照V列降序，U列升序，A列升序的次序排列。
我们截选了一段键值一样的扫描结果：

从这段表格可以看出，在SW1，SW2，SW4同时按下的时候，无法判断SW5是否按下。

结合原理图，我们发现，在在SW1，SW2，SW4同时按下的时候，Row1，Row2，Col1，Col2均被短路，按下或者不按下SW5，均无法改变这个结果。

换句话说就是在这样的情况下从电路上就没办法检测出SW5了。
对于这样的检测结果，最好的处理办法就是认为它就是上一次的键码。
于是，我们先在表格里删除这些扫描结果重复了的行（一共有34行，超过了一半）。

回到IDE里面，Key_Buffer这个变量是在偶数轮扫描完成之后得到结果的，也就是我们的扫描键值。
那么最简单的处理方式就是：

Key_Old_States=Key_States;
switch(Key_Buffer)
{
case 51:Key_States=36;break;
case ……
}

虽然就已经删除了三十多行，可还有三十行呢，一个个数敲进去简直痛苦死了。那么我们继续：
我们发现，关键就在于“case 51:Key_States=36;break;”，如果能够自动生成这样的语句，那么就简单多了。

于是在W2单元格内敲入：

="case "&U2&":Key_States="&A2&";break;"

向下填充：

开开心心将其复制进IDE里，代码就完成了。
最后别忘记补充一句“default:break;”
毕竟我们删除了那么多的重复键值，直接保持Key_State的结果不变就好了。

然后，Key_Press和Key_Bottom_up怎么办呢？
很简单，检查到Key_States==Key_Old_States，那就可以认为没发生按键动作。

Key_Press=((Key_States^Key_Old_States)&Key_States);
Key_Bottom_up=((Key_States^Key_Old_States)&Key_Old_States);

怎么根据按键来实现具体功能就不提了，大家都会的。点击阅读原文查看完整代码。