Пора бы рассказать как организовать опрос такой клавы. Напомню, что клава представляет из себя строки, висящие на портах и столбцы, которые сканируются другим портом. Код написан для контроллера ATMega8535 , но благодаря тому, что все там указано в виде макросов его можно быстро портировать под любой другой контроллер класса Mega , а также под большую часть современных Tiny . Хотя в случае с Tiny может быть некоторый затык ввиду неполного набора команд у них. Придется чуток дорабатывать напильником.

Короче, ближе к коду. Сразу оговорюсь, что я взял моду крошить один проект на десяток мелких файлов, а потом подключать их по мере необходимости. Во-первых, это резко структурирует код, позволяя легче в нем ориентироваться, а во-вторых, код становится модульным и его куски можно использовать как готовые библиотеки в других программах. Только подправить чуток. По этой же причине я все определения делаю через макросы, чтобы не пришлось править весь код, а достаточно было только пару строк изменить в файле конфигурации.

Теперь коротко о файлах:
keyboard_define.inc — файл конфигурации клавиатуры.
В этом файле хранятся все макроопределения используемые клавиатурой. Здесь мы задаем какие ножки микроконтроллера к какой линии подключены. Одна тонкость — выводы на столбцы (сканирующий порт ) должны быть последовательным набором линий одного порта. То есть, например, ножки 0,1,2,3 или 4,5,6,7 , или 3,4,5,6 . Неважно какого порта, главное чтобы последовательно.
С определением ножек, думаю проблем не возникнет, а вот по поводу параметра KEYMASK я хочу рассказать особо.
Это маска по которой будет выделяться сканируемый порт. В ней должны быть 6 единиц и один 0. Ноль выставляется в крайне правую позицию сканирующего порта.

Пример:
У меня сканирующий порт висит на битах 7,6,5,4 крайне правый бит сканирующего порта это бит 4, следовательно маска равна 0b11101111 — ноль стоит на 4й позиции. Если сканирующие линии будут висеть на ножках 5,4,3,2, то маска уже будет 0b11111011 — ноль на второй позиции. Зачем это все будет объяснено ниже.

Также есть маска активных линий сканирующего порта — SCANMSK . В ней единицы стоят только напротив линий столбцов. У меня столбцы заведены на старшую тетраду порта, поэтому сканирующая маска имеет вид 0b11110000 .

В разделе инициализации нужно не забыть настроить ножки сканирующего порта на выход, а ноги считывающего на вход с подтяжкой. А потом вставить код обработчика клавиатуры куда-нибудь в виде обычной подпрограммы. Пользоваться просто — вызываем подпрограмму чтения с клавы, а когда возвращаемся у нас в регистре R16 находится скан код клавиши.

Вот так у меня выглядел тестовый код:

Main: SEI ; Разрешаем прерывания.

RCALL KeyScan ; Сканируем клавиатуру
CPI R16,0 ; Если вернулся 0 значит нажатия не было
BREQ Main ; В этом случае переход на начало
RCALL CodeGen ; Если вернулся скан код, то переводим его в
; ASCII код.

MOV R17,R16 ; Загружаем в приемный регистр LCD обработчика
RCALL DATA_WR ; Выводим на дисплей.

RJMP Main ; Зацикливаем все нафиг.

Про LCD дисплей я пока ничего не скажу, так как процедуры еще не доведены до ума, но будут выложены и разжеваны в ближайшее время.

Теперь расскажу как работает процедура KeyScan

Def COUNT = R18
KeyScan: LDI COUNT,4 ; Сканим 4 колонки
LDI R16,KEYMASK ; Загружаем маску на скан 0 колонки.

Вначале мы подготавливаем сканирующую маску. Дело в том, что мы не можем вот так взять и гнать данные в порт. Ведь строки висят только на последних четырех битах, а на первых может быть что угодно, поэтому нам главное ни при каких условиях не изменить состояние битов младшей тетрады порта.

KeyLoop: IN R17,COL_PORT ; Берем из порта прежнее значение
ORI R17,SCANMSK ; Выставляем в 1 биты сканируемой части.

Вначале загружаем данные из регистра порта , чтобы иметь на руках первоначальную конфигурацию порта. Также нам нужно выставить все сканирующие биты порта в 1, это делается посредством операции ИЛИ по сканирующей маске. В той части где стояли единицы после операции ИЛИ по маске 11110000 (мое значение SCANMASK ) все биты станут единицами, а где был ноль останутся без изменений.

AND R17,R16 ; Сбрасываем бит сканируемого столбца
OUT COL_PORT,R17 ; Выводим сформированный байт из порта.

Теперь мы на сформированный байт накладываем маску активного столбца . В ней вначале ноль на первой позиции, а все остальные единицы. В результате, другие значения порта не изменятся, а вот в первом столбце возникнет 0. Потом маска сдвинется, а вся операция повторится снова. В результате ноль будет уже в следующем столбце и так далее. Таким образом, мы организуем «бегающий» нолик в сканирующем порте, при неизменности других, посторонних, битов порта. А дальше сформированное число загружается в регистр порта и ножки принимают соответствующие уровни напряжений.

NOP ; Задержка на переключение ноги.
NOP
NOP
NOP

SBIS ROW0_PIN,ROW0 ; Проверяем на какой строке нажата
RJMP bt0

SBIS ROW1_PIN,ROW1
RJMP bt1

SBIS ROW2_PIN,ROW2
RJMP bt2

SBIS ROW3_PIN,ROW3
RJMP bt3

Серия NOP нужна для того, чтобы перед проверкой дать ножке время на то, чтобы занять нужный уровень. Дело в том, что реальная цепь имеет некоторое значение емкости и индуктивности, которое делает невозможным мгновенное изменение уровня , небольшая задержка все же есть. А на скорости в 8Мгц и выше процессор щелкает команды с такой скоростью, что напряжение на ноге еще не спало, а мы уже проверяем состояние вывода. Вот я и влепил несколько пустых операций. На 8Мгц все работает отлично. На большую частоту, наверное, надо будет поставить еще штук пять шесть NOP или влепить простенький цикл. Впрочем, тут надо поглядеть на то, что по байтам будет экономичней.
После циклов идет четыре проверки на строки. И переход на соответствующую обработку события.

ROL R16 ; Сдвигаем маску сканирования
DEC COUNT ; Уменьшаем счетчик столбцов
BRNE KeyLoop ; Если еще не все перебрали делаем еще одну итерацию

CLR R16 ; Если нажатий не было возвращаем 0
RET
.undef COUNT

Вот тут происходит сдвиг маски влево командой циклического сдвига ROL . После чего мы уменьшаем счетчик итераций (изначально равен четырем, так как у нас четыре столбца). Если нажатий не было, то по окончании всех четырех итераций мы вываливаемся из цикла, обнуляем регистр R16 и возвращаемся.

bt0: ANDI R16,SCANMSK ; Формируем скан код
ORI R16,0x01 ; Возвращаем его в регистре 16
RET

А вот один из возможных концов при нажатии. Тут формируется скан код который вернется в регистре R16. Я решил не заморачиваться, а как всегда зажать десяток байт и сделать как можно быстрей и короче. Итак, что мы имеем по приходу в этот кусок кода. А имеем мы один из вариантов сканирующего порта (1110,1101,1011,0111 ), а также знаем номер строки по которой мы попали сюда. Конкретно в этот кусок можно попасть только из первой строки по команде RJMP bt0.
Так давай сделаем скан код из сканирующей комбинации и номера строки! Сказано — сделано! Сначала нам надо выделить из значения порта сканирующую комбинацию — она у нас хранится в регистре R16 , поэтому выковыривать из порта ее нет нужды. Продавливаем операцией И значение R16 через SCANMASK и все что было под единичками прошло без изменений, а где были нули — занулилось. Опа, и у нас выведен сканирующий кусок — старший полубайт. Теперь вклеим туда номер строки — операцией ИЛИ . Раз, и получили конструкцию вида [скан][строка]
Вот ее и оставляем в регистре R16 , а сами выходим прочь! Также и с остальными строками. Погляди в исходнике, я их не буду тут дублировать.

Декодирование скан кода.
Отлично, скан код есть, но что с ним делать? Его же никуда не приткнуть. Мы то знаем, что вот эта шняга вида 01110001 это код единички, а какой нибудь LCD экран или стандартная терминалка скорчит нам жуткую кракозябру и скажет, нам все что она думает о нашей системе обозначений — ей видите ли ASCII подавай. Ладно, будет ей ASCII.

Как быть? Прогнать всю конструкцию по CASE где на каждый скан код присвоить по ASCII коду меня давит жаба — это же сколько надо проверок сделать! Это же сколько байт уйдет на всю эту тряхомудию? А память у нас не резиновая, жалкие восемь килобайт, да по два байта на команду, это в лучшем случае. Я мог все это сделать прям в обработчике клавиатуры. НЕТ!!! В ТОПКУ!!! Мы пойдем своим путем.
Ок, а что у нас есть в запасе? Метод таблиц перехода не катит, по причине жуткой неупорядоченности скан кодов. Почесал я тыковку, пошарился по квартире… и тут меня осенило. Конечно же!!! Брутфорс!!!

Брутфорсим скан код.
Итак, у нас есть жутко несваримый скан код, а также стройная таблица ASCII символов. Как скрестить ужа с ежом? Да все просто! Разместим в памяти таблицу символов в связке [скан код]: , а потом каждый нужный скан код будем прогонять через эту таблицу и при совпадении подставлять на выходе нужный ASCII из связки. Классический пример программизма — потеряли во времени, зато выиграли в памяти.

Вот так это выглядит:

CodeGen:LDI ZH,High(Code_Table*2) ; Загрузил адрес кодовой таблицы
LDI ZL,Low(Code_Table*2) ; Старший и младший байты

Тут мы загрузили в индексный регистр адрес нашей таблицы. Умножение на два для того, чтобы адрес был в байтах, т.к. в среде компилятора пространство кода адресуется в словах.

Brute: LPM R17,Z+ ; Взял из таблицы первый символ — скан код

CPI R17,0xFF ; Если конец таблицы
BREQ CG_Exit ; То выходим

CPI R16,0 ; Если ноль,
BREQ CG_Exit ; то выходим

CP R16,R17 ; Сравнил его со скан кодом клавиши.
BREQ Equal ; Если равен, то идем подставлять ascii код

Загружаем из таблицы первый скан код и нычим его в регистр R17 , попутно увеличиваем адрес в регистре Z (выбор следующей ячейки таблицы) и первым делом сравниваем его с FF — это код конца таблицы. Если таблица закончилась, то выходим отсюда. Если мы не всю таблицу перебрали, то начинаем сравнивать входное значение (в регистре R16 ) вначале с нулем (нет нажатия), если ноль тоже выходим. И со скан кодом из таблицы. Если скан таблицы совпадает со сканом на входе, то переходим на Equal .

LPM R17,Z+ ; Увеличиваем Z на 1
RJMP Brute ; Повтор цикла

А в случае если ничо не обнаружено, то мы повторно вызываем команду LPM R17,Z+ лишь для того, чтобы она увеличила Z на единичку — нам же надо перешагнуть через ASCII код и взять следующий скан код из таблицы. Просто INC Z не прокатит, так как Z у нас двубайтный . ZL и ZH . В некторых случаях достаточно INC ZL , но это в случае когда мы точно уверены в том, что адрес находится недалеко от начала и переполнения младшего байта не произойдет (иначе мы вместо адреса 00000001:00000000 получим просто 00000000:0000000, что в корне неверно), а команда LPM все сделает за нас, так что тут мы сэкономили еще пару байт. Потом мы вернемся в начало цикла, а там будет опять LPM которая загрузит уже следующий скан код.

Equal: LPM R16,Z ; Загружаем из памяти ASCII код.
RET ; Возвращаемся

Если же было совпадение, то в результате LPM Z+ у нас Z указывает на следующую ячейку — с ASCII кодом. Ее мы и загружаем в регистр R16 и выходим наружу.

CG_Exit: CLR R16 ; Сбрасываем 0 = возвращаем 0
RET ; Возвращаемся

А в случае нулевого исхода, когда либо таблица кончилась, а скан код так и не подобрался, либо ноль был в регистре R16 на входе — возвращаемся с тем же нулем на выходе. Вот так вот.

; STATIC DATA
;========================================
Code_Table: .db 0x71,0x31 ;1
.db 0xB1,0x32 ;2
.db 0xD1,0x33 ;3
.db 0x72,0x34 ;4
.db 0xB2,0x35 ;5
.db 0xD2,0x36 ;6
.db 0x73,0x37 ;7
.db 0xB3,0x38 ;8
.db 0xD3,0x39 ;9
.db 0x74,0x30 ;0
.db 0xFF,0 ;END

Тут просто табличка статичных данных, на границе памяти. Как видишь данные сгруппированы по два байта — сканкод/ASCII

Вот посредством таких извратов вся программа, с обработкой клавиатуры, декодированием скан кода, чтением/записью в LCD индикатор и обнулением оперативки (нужно для того, чтобы точно быть увереным, что память равна нулю) заняло всего 354 байта . Кто сможет меньше?

При необходимости использования в устройстве клавиатуры с большим количеством кнопок, например в кодовом замке, очень часто применяют матричную клавиатуру. Если подключить 12 кнопок обычным способом потребуется 12 выводов микроконтроллера плюс общий провод, в матрице же используется всего один порт контроллера, что способствует экономии выводов контроллера. Кнопки в такой клавиатуре подключаются к общим столбцам и к общим строкам, линии порта микроконтроллера разделяются на ввод PB7-PB4 и вывод PB3-PB0. В каждый момент времени сигнал низкого уровня (логический ноль) подается только на одну строку кнопок, на остальные должна подаваться логическая единица. Это исключит неоднозначность определения номера нажатой кнопки. Двоичные сигналы, присутствующие при этом на столбцах клавиатуры, считываются через порт ввода микроконтроллера.

В программе обязательно организовываем бесконечный цикл. В специальной функции производим опрос клавиатуры, анализируем полученные данные и выводим результата на индикатор. Опрос клавиатуры заключается в последовательном сканировании каждой строки, для этого на соответствующую линию порта вывода подается логический ноль (эквивалент общего провода), на остальных строках должен быть высокий уровень, после чего с порта ввода, к которому подключены столбцы, считывается код. Если считаны все единицы, то ни одна из клавиш не нажата, в противном случае код содержит информацию о нажатых клавишах. Стоит заметить, что считанный код содержит не только номер замкнутого контакта, но и информацию о нажатии нескольких кнопок одновременно, поэтому лучше хранить в памяти контроллера непосредственно считанный код, а не готовый номер кнопки. Для хранения считанного кода следует ввести специальный алгоритм и переменные.

Ниже показан пример программы в которой при нажатии определенной клавиши ее значение высвечивается на семисегментном индикаторе. Микроконтроллер Atmega8 работает от внутреннего генератора частотой 8MHz.

/*** Подключение матричной клавиатуры к микроконтроллерам AVR ***/ #include #include // Массив значений для порта вывода unsigned char key_tab = {0b11111110, 0b11111101, 0b11111011, 0b11110111}; // Функция опроса клавиатуры unsigned char scan_key(void) { unsigned char key_value = 0; unsigned char i; for(i = 0;i < 4;i++) { PORTB = key_tab[i]; // выводим лог. 0 в порт вывода _delay_us(10); switch (PINB & 0xF0) { case 0b11100000: key_value = 1 + i * 3; return (key_value); case 0b11010000: key_value = 2 + i * 3; return (key_value); case 0b10110000: key_value = 3 + i * 3; return (key_value); default: break; } } return (key_value); } int main(void) { // массив цифр для индикатора unsigned char num = {0x3F, 0x06, 0x5B, 0x4F, 0x66, 0x6D, 0x7D, 0x07, 0x7F, 0x6F}; DDRB |= (1 << PB3)|(1 << PB2)|(1 << PB1)|(1 << PB0); // Порт вывода DDRB &= ~(1 << PB7)|(1 << PB6)|(1 << PB5)|(1 << PB4); // Порт ввода PORTB = 0xF0; // Устанавливаем лог. 1 в порт ввода DDRD = 0xFF; // Выход на индикатор PORTD = 0x00; _delay_ms(10); while(1) { // Выводим значение нажатой кнопки на индикатор if(scan_key()==1) PORTD = num; if(scan_key()==2) PORTD = num; if(scan_key()==3) PORTD = num; if(scan_key()==4) PORTD = num; if(scan_key()==5) PORTD = num; if(scan_key()==6) PORTD = num; if(scan_key()==7) PORTD = num; if(scan_key()==8) PORTD = num; if(scan_key()==9) PORTD = num; if(scan_key()==11) PORTD = num; } }

Архив для статьи "Подключение матричной клавиатуры к микроконтроллерам AVR"
Описание: Проект AVRStudio и Proteus
Размер файла: 37.33 KB Количество загрузок: 1 905

1. Изучить особенности работы параллельных портов микроконтроллера.
2. Изучить схемы подключения кнопок и матричной клавиатуры к микроконтроллеру.
3. Научиться определять состояние кнопок при помощи программы.
4. Изучить способы отладки программ на лабораторном стенде LESO1.
5. Изучить принцип работы матричной клавиатуры.

2 Предварительная подготовка к работе

1. По конспекту лекций и рекомендуемой литературе изучить схемы параллельных портов микроконтроллеров.
2. По конспекту лекций и рекомендуемой литературе изучить схемы подключения кнопок и клавиатуры к параллельным портам.
3. Изучить архитектуру микроконтроллера ADuC842 .
4. Изучить принципиальную схему лабораторного стенда LESO1.
5. Составить алгоритм работы программы: при нажатии на кнопку, согласно варианту, загорается комбинация светодиодов, соответствующая в бинарном виде номеру кнопки; при отпускании кнопки, светодиоды должны погаснуть.
6. Составить программу на языке программирования С.

3 Краткие теоретические сведения

3.1 Применение матричной клавиатуры для ввода информации в микропроцессорную систему

Для реализации взаимодействия пользователя с микропроцессорной системой используют различные устройства ввода-вывода информации. В самом простом случае в роли устройства ввода может выступать кнопка, представляющая собой элементарный механизм, осуществляющий замыкание-размыкание контактов под действием внешней механической силы. Схема подключения кнопки к линии ввода параллельного порта ввода микроконтроллера показана на рисунке 1. Когда контакты кнопки S1 разомкнуты через резистор R1 на вход контроллера поступает высокий логический уровень "1", когда же контакты замкнуты, то вход оказывается соединенным с общим проводом, что соответствует логическому уровню "0". Если параллельный порт микроконтроллера имеет встроенный генератор тока, то в схеме можно обойтись без резистора R1.

Рисунок 1 – Подключение одиночной кнопки к параллельному порту

Недостаток приведенной схемы заключается в том, что для подключения каждой кнопки требуется отдельная линия параллельного порта. Так как часто требуется вводить информацию с большого количества кнопок, то для уменьшения количества линий ввода-вывода используется клавиатура, представляющая собой двухмерную матрицу кнопок, организованных в ряды и столбцы (рисунок 2).

Подключение клавиатуры отличается от схемы подключения одиночной кнопки тем, что потенциал общего провода на опрашиваемые кнопки подается не непосредственно, а через порт вывода.

В каждый момент времени сигнал низкого уровня (логический ноль) подается только на один столбец кнопок, на остальные должна подаваться логическая единица. Это исключит неоднозначность определения номера нажатой кнопки. Двоичные сигналы, присутствующие при этом на строках клавиатуры, считываются через порт ввода микроконтроллера.

Рисунок 2 – Подключение матричной клавиатуры к параллельному порту

Временная диаграмма напряжений на портах вывода при выполнении программы опроса клавиатуры приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Временные диаграммы работы порта вывода

В каждый момент времени производится чтения информации из порта ввода. Программа микроконтроллера по считанной комбинации должна определить номер нажатой кнопки клавиатуры.

Программа для микроконтроллера жестко зависит от принципиальной схемы разрабатываемого устройства. Невозможно написать программу для микроконтроллерного устройства не имея перед глазами его схемы. Поэтому, перед началом работы по принципиальной схеме учебного стенда LESO1 следует изучить способ подключения клавиатуры и светодиодов к микроконтроллеру: определить, к каким портам подключены светодиоды, столбцы и строки клавиатуры. Затем по таблице SFR нужно узнать адреса регистров задействованных портов ввода-вывода.

Программа, управляющая микроконтроллером, запускается при включении питания устройства и не завершает свою работу, пока не будет выключено питание. Поэтому в программе обязательно должен быть организован бесконечный цикл. В теле цикла должен производиться опрос клавиатуры, анализ полученных данных и вывод результата на светодиод. Опрос клавиатуры заключается в последовательном сканировании каждого столбца, для этого на соответствующую линию порта вывода подается логический ноль (эквивалент общего провода), на остальных столбцах должен быть высокий уровень, после чего с порта ввода, к которому подключены строки, считывается код. Если считаны все единицы, то ни одна из клавиш не нажата, в противном случае код содержит информацию о нажатых клавишах. Стоит заметить, что считанный код содержит не только номер замкнутого контакта, но и информацию о нажатии нескольких кнопок одновременно, поэтому лучше хранить в памяти котроллера непосредственно считанный код, а не готовый номер кнопки. Для хранения считанного кода следует ввести специальную переменную.

При написании программы нужно помнить об особенности параллельного порта P1 в микроконтроллере ADuC842 . Этот порт по умолчанию настроен на ввод аналоговых сигналов (функция АЦП). Для того чтобы перевести порт в режим цифрового входа, в соответствующий бит порта необходимо записать логический ноль. Сделать это нужно один раз при инициализации микроконтроллера. Порт не имеет внутреннего усиливающего транзистора, и потому при вводе дискретной информации через него не требуется записывать в разряды логическую единицу.

4 Задание к работе в лаборатории

1. По принципиальной схеме установите, к каким портам микроконтроллера подключены светодиоды, а также столбцы и строки клавиатуры.
2. По таблице регистров специальных функций (SFR) определите адреса регистров требуемых портов.
3. Войдите в интегрированную среду программирования Keil-C.
4. Создайте и настройте должным образом проект.
5. Введите текст программы в соответствии с заданием: При нажатии на кнопку, согласно варианту, загорается комбинация светодиодов, соответствующая в бинарном виде номеру кнопки; при отпускании кнопки, светодиоды должны погаснуть.
6. Оттранслируйте программу, и исправьте синтаксические ошибки.
7. Загрузите полученный *.hex файл в лабораторный стенд LESO1 .
8. Убедитесь, что программа функционирует должным образом.

5 Указания к составлению отчета

Отчет должен содержать:

1. Цель работы.
2. Принципиальную схему подключения клавиатуры к микроконтроллеру.
3. Графическую схему алгоритма работы программы.
4. Исходный текст программы.
5. Содержимое файла листинга программного проекта.
6. Выводы по выполненной лабораторной работе.

Схемы, а также отчет в целом, выполняются согласно нормам ЕСКД.

Резисторы R2 – R4, R8 – R11 предназначены для ограничения входного/выходного тока в случае неправильной настройки портов или одновременного нажатия нескольких кнопок. Выводы PD0(RXD), PD1(TXD) подключены к преобразователю UART-RS232, который на схеме не отображен. Обмен по USART`у используется для отладки программы.

Алгоритм опроса матричной клавиатуры

Строки клавиатуры подключены к выводам PD4, PD5, PD6, PD7. Они настроены на выход и в начальном состоянии на этих выводах напряжение логического нуля. Столбцы подключены к выводам PC0, PC1, PC2. Они настроены на вход, внутренние подтягивающие резисторы отключены и эти линии “придавлены к нулю питания” с помощью внешних резисторов номиналом в 10 КОм.

Процедура сканирования клавиатуры выглядит следующим образом. Выставляем 1 на выводе PD4 и проверяем состояние выводов PC0, PC1, PC2 (то есть считываем содержимое регистра PINC). Если на каком-то из выводов установлена 1, значит, на клавиатуре в данный момент нажата кнопка, подключенная к первой строке. Сохраняем биты PD4, PD5, PD6, PD7 и PC0, PC1, PC2 в одной переменной – по этому коды мы будем определять номер нажатой кнопки. Если ни одна из кнопок не нажата, продолжаем процедуру сканирования.

Сбрасываем 1 на выводе PD4 и устанавливаем 1 на выводе PD5. Снова проверяем состояние выводов PC0, PC1, PC2, и в случае нажатия кнопки сохраняем биты PD4, PD5, PD6, PD7 и PC0, PC1, PC2 в переменной.

Повторяем описанную последовательность для двух оставшихся строк.

Переключения кнопок клавиатуры сопровождаются дребезгом контактов, который микроконтроллер может “воспринимать” как многократные нажатия. В приложениях, использующих клавиатуры, это нежелательное явление, поэтому в программе опроса клавиатуры обязательно должна быть какая-нибудь защита. Обычно делают так - факт нажатия кнопки регистрируется, если она удерживается в течение нескольких циклов опроса.

Код, получаемый в процессе сканирования клавиатуры, часто требуется преобразовать в символьное значение номера/буквы кнопки (например, для передачи по USART`у). Для этого можно создать таблицу перекодировки - двумерный массив. В первом столбце таблицы будут храниться коды кнопок, а во втором соответствующие символьные значения. Методом последовательного перебора в таблице можно находить нужное значение.

Алгоритм опроса матричной клавиатуры можно реализовать в виде конечного автомата (State Machine) – функции, которая в зависимости от своего состояния (значения определенной переменной) и входного воздействия, выполняет разную работу. На рисунке ниже представлена диаграмма подобного автомат.

Начальное состояние автомата - 0. В этом состоянии автомат находится, пока не будет нажата какая-нибудь кнопка. Когда зафиксировано нажатие на кнопку, запускается функция сканирования клавиатуры ScanKey(), запоминается код нажатой кнопки и автомат переходит в состояние 1.

В состоянии 1 автомат проверяет, нажата ли в данный момент та же кнопка, что и в состоянии 0 или нет. Если коды кнопок не совпадают, автомат возвращается в состояние 0, если совпадают, запускается функция FindKey(), которая находит символьное значение номера кнопки и устанавливает флаги, сигнализирующие системе о нажатой кнопке. По завершению функции автомат переходит в состояние 2.

Пока удерживается одна и та же кнопка, автомат находится в состоянии 2. Если произошли какие-то изменения, он переходит в состояние 3.

Если изменения было случайным, автомат возвращается в состояние 2, а если нет, переходит в начальное состояние, чтобы снова запустить функцию сканирования клавиатуры.

Программная реализация автомата

Представленную диаграмму конечного автомата легко преобразовать в программный код.

//хранит текущее состояние автомата
unsigned char keyState;

//прототипы функций используемых автоматом
unsigned char AnyKey(void );
unsigned char SameKey(void );
void ScanKey(void );
unsigned char FindKey(void );
void ClearKey(void );

void ScanKeyboard(void )
{
switch (keyState){
case 0:
if (AnyKey()) {
ScanKey();
keyState = 1;
}
break;

case 1:
if (SameKey()) {
FindKey();
keyState = 2;
}
else keyState = 0;
break;

case 2:
if (SameKey()){}
else keyState = 3;
break;

case 3:
if (SameKey()) {
keyState = 2;
}
else {
ClearKey();
keyState = 0;
}
break;

Default:
break;
}

Довольно наглядная запись. Теперь все, что нам остается, это написать/разобрать реализации недостающих функций. Чтобы код программы был максимально понятным, давайте обойдемся без макроопределений. Итак, по порядку.

unsigned char AnyKey(void )
{
PORTD |= 0xf0;
return (PINC & 0x07);
}

Устанавливаем на выводах PD7 – PD4 единицы, возвращаем состояния выводов PC2 – PC0. Если какая-нибудь из кнопок клавиатуры в этот момент нажата, функция вернет значение отличное от нуля, то есть true.

//хранит код нажатой кнопки
unsigned char keyCode;

void ScanKey(void )
{
unsigned char activeRow = (1<<4);
while (activeRow) {
PORTD = (PORTD & 0x0f)|activeRow;
if (PINC & 0x07) {
keyCode = (PINC & 0x07);
keyCode |= (PORTD & 0xf0);
}
activeRow <<= 1;
}
}

Устанавливаем в 1 четвертый бит переменной activeRow (активизируем первую строку). Обнулив биты PD7 – PD4, записываем переменную в PORTD. Если какой-нибудь из трех младших разрядов регистра PINC установлен в единицу, значит в данный момент нажата кнопка, относящаяся к первой строке. Сохраняем биты PD7 – PD4 и PC2 - PC0 в переменную keyCode. Сдвигаем влево значение переменной activeRow на один разряд и повторяем цикл еще три раза.

unsigned char SameKey(void )
{
PORTD = (PORTD & 0x0f) | (keyCode & 0xf0);
return ((PINC & keyCode) & 0x07);
}

Функция проверяет, совпадает ли код нажатой в данный момент кнопки с кодом, полученным в предыдущем цикле опроса. Для этого на нужной строке устанавливается 1 – в PORTD записываются старшие 4 бита keyCode. Затем считывается регистр PINC, на него накладывается маска в виде переменной keyCode и выделяются 3 младших разряда. Полученное значение возвращается. Если коды кнопок совпадут, значение будет отлично от нуля, то есть true.

//хранит символьное значение нажатой кнопки
unsigned char keyValue;
//флаговая переменная - устанавливается, если кнопка удерживается
unsigned char keyDown;
//флаговая переменная - устанавливается, когда нажата новая кнопка
unsigned char keyNew;

//таблица перекодировки
__flash unsigned cha r keyTable = {
{ 0x11, "1"},
{ 0x12, "2"},
{ 0x14, "3"},
{ 0x21, "4"},
{ 0x22, "5"},
{ 0x24, "6"},
{ 0x41, "7"},
{ 0x42, "8"},
{ 0x44, "9"},
{ 0x81, "*"},
{ 0x82, "0"},
{ 0x84, "#"}
};

unsigned char FindKey(void )
{
unsigned char index;
for (index = 0; index < 12; index++) {
if (keyTable == keyCode) {
keyValue = keyTable ;
keyDown = 1;
keyNew = 1;
return 1;
}
}
return 0;

В этой статье мне бы хотелось познакомить читателей с подключением к микроконтроллерам клавиатуры. Дело в том, что обычно большинству схем на микроконтроллерах для ввода данных требуется одна или несколько кнопок. Но, когда проекты становятся сложнее, может возникнуть потребность в применении небольшой клавиатуры. Встречаются варианты клавиатур 3х4 или 4х4, и почти всегда клавиши в них соединены по схеме матрицы. Применение матрицы необходимо из -за того, что для её подключения нужно минимальное число линий ввода - вывода. Например, для клавиатуры 4х4 необходимо, состоящей из 16 кнопок необходимо 16 линий ввода, поэтому рациональнее организовать её в виде матрицы, т.е. расположить 4 кнопки в 4 строки, использовав 8 линий ввода - вывода (один порт микроконтроллера). Самое распространённое решение подключения матрицы на один порт - это подключить строки к старшим разрядам, а столбцы к младшим. Однако, здесь возникает проблема - считывание состояния клавиатуры происходит при возникновении прерывания, но в микроконтроллере ATtiny2313 мы можем использовать два внешних прерывания (остальные выводы заняты). Эта проблема решается подключением четырёх диодов, образующих с подтягивающим резистором на входе INT0 элемент «ИЛИ».

Схема подключения клавиатуры 4х4 матричного типа к микроконтроллеру приведена на Рис.1. Она имеет разъём DB-9F, преобразователь уровней MAX3232, которые необходимы для взаимодействия UART микроконтроллера с RS-232, и работа которых была описана в предыдущей статье. Резисторы R3 - R6 защищают микроконтроллер от короткого замыкания питания на землю. На входе INT0 имеется подтягивающий резистор R7 . Четыре диода VD1 - VD4 подключены к линиям ввода- вывода клавиатуры (катодами) и к выводу INT0 (анодами). Теперь при нажатии любой кнопки, если на столбцы подать нули, на входе INT0 появится низкий уровень.

Как показано на Рис.1 клавиатура подключена к порту В микроконтроллера. Её схема представлена на Рис.2.

Предположим, что весь порт В настроен на вход, и все входа имеют подтяжку:

DDRB = &B00000000

PORTB = &B11111111

Пусть кнопки (Рис.2) каким -то образом соединены ещё и «землёй» (GND), тогда при нажатии, например, кнопки «1» на контактах порта В РВ3 и РВ4 будет низкий уровень, т.е. порт примет значение PORTB = &B11100111, которое и является кодом кнопки «1». Аналогично и в отношении остальных кнопок (код кнопки «В» - 01111011, «5» - 11011011 и т.д.). Но, поскольку кнопки не соединены с GND, необходимо ввести раздельное определение строк и столбцов с последующим суммированием и идентификацией результата с названием кнопки.

Сделаем строки РВ0 - РВ3 входами и включим их подтяжку, а столбцы РВ3 - РВ7 - выходами:

DDRB = &B11110000

PORTB = &B00001111

При нажатии кнопки определённая строка будет иметь низкий уровень. Например, при нажатии кнопки «1» порт В примет значение 00000111, которое является кодом строки. Одновременно с этим включится прерывание, при обработке которого необходимо считать данный код в переменную Stro:

Инвертируем настройки порта - сделаем столбцы РВ3 - РВ7 входами и включим их подтяжку, а строки РВ0 - РВ3 - выходами:

DDRB = &B00001111

PORTB = &B11110000

Теперь при нажатой кнопке «1» порт будет иметь значение 11100000, которое является кодом столбца. Считаем этот код в переменную Col.