狀態機按鍵消抖

狀態機按鍵消抖

一般的按鍵輸入軟件接口程序非常簡單，在程序中一旦檢測到按鍵輸入口爲低電平（有時可能爲高），便採用軟件延時的方法來進行消抖，然後再次檢測按鍵輸入，如果再次確認爲低電平則表示有按鍵按下，轉入執行按鍵處理程序。如果延時後檢測的電平爲高電平則放棄本次按鍵檢測，重新開始一次按鍵檢測過程。在簡單的系統中這種方法比較可以用，但是在複雜的系統實時性要求較高的系統中這種方法的CPU利用率比較低，造成資源的浪費。另外，由於在不同的產品系統中對按鍵功能的定義和使用方式也會不同，而且是多變的，加上在測試和按鍵處理的同時，MCU還要同時處理其他的任務（如顯示、計算、計時等），因此編寫鍵盤和按鍵接口的處理程序需要掌握有效的分析方法，具備較高的軟件設計能力和程序編寫的技巧。而採用狀態機的方法是一種比較好的方法。

何爲狀態機

    關於狀態機的一個極度確切的描述是它是一個有向圖形，由一組節點和一組相應的轉移函數組成，狀態機通過響應一系列事件而“運行”。每個事件都在屬於“當前”節點的轉移函數的控制範圍內，其中函數的範圍是節點的一個子集。函數返回“下一個”（也許是同一個）節點。這些節點中至少有一個必須是終態。當到達終態，狀態機停止。

狀態機是一種概念性機器，它能採取某種操作來響應一個外部事件。具體採取的操作不僅能取決於接收到的事件，還能取決於各個事件的相對發生順序。之所以能做到這一點，是因爲機器能跟蹤一個內部狀態，它會在收到事件後進行更新。爲一個事件而響應的行動不僅取決於事件本身，還取決於機器的內部狀態。另外，採取 的行動還會決定並更新機器的狀態。這樣一來，任何邏輯都可建模成一系列事件/狀態組合。

狀態機是軟件編程中的一個重要概念。比如在一個按鍵命令解析程序中，就可以看做狀態機，其過程如下：本來在A狀態下，觸發一個按鍵後切換到B，再觸發另一個鍵後就切換到C狀態，或者返回A狀態。這是最簡單的例子。其他的很多的程序都可以當做狀態機來處理。

狀態機可歸納爲4個要素，即現態、條件、動作、次態。這樣的歸納，主要是出於對狀態機內在因果關係的考慮。“現態”和“條件”是因，“動作”和“次態”是果。詳細如下：

現態：是指當前所處的狀態。

條件：又稱爲“事件”。當一個條件滿足，將會觸發一個動作，或者執行一次狀態的遷移。

動作：條件滿足後執行動作。動作執行完畢後，可以遷移到新的狀態，也可以仍舊保持原狀態。動作不是必需的，當條件滿足後，也可以不執行任何動作，直接遷移到新狀態。

次態：條件滿足後要遷往的新狀態。“次態”是相對於“現態”而言的，“次態”一旦被激活，就轉變爲新的“現態”了。

按鍵的狀態機實現

一個按鍵從鍵按下到鬆開的過程如下如所示。從圖中可以看出，按鍵的按下和鬆開的過程都有抖動的干擾問題，因此要將它們消除。


    可將將按鍵抽象爲4個狀態：

（1）    未按下，假定爲S0

（2）    確認有鍵按下，假定爲S1

（3）    鍵穩定按下狀態，假定爲S2

（4）    鍵釋放狀態，假定爲S3。

（有時也可以抽象爲3個狀態S0，S1，S3）。

在一個系統中按鍵的操作是隨機的，因此係統軟件中要對按鍵進行循環查詢。在按鍵檢測過程中需要進行消抖處理，消抖的延時處理一般要10ms或20ms，因此取狀態機的時間序列爲10或20ms，這樣不僅可以跳過按鍵消抖的影響，同事也遠小於按鍵0.3-0.5S的穩定閉合其，不會將按鍵過程丟失。

假定鍵按下時端口電平爲0，未按下時爲1（或者相反）。通過狀態機實現按鍵檢測的過程如下：

首先，按鍵的初始態爲S0，當檢測到輸入爲1時，表示沒有鍵按下，保持S0。當按鍵輸入爲0時，則有鍵按下，轉入狀態S1。

在S1狀態時，如果輸入的信號爲1，則表示剛纔的按鍵操作爲干擾，則狀態跳轉到S0；如果輸入信號爲0，則表示確實有鍵按下，此時可以讀取鍵狀態，產生相應的按鍵標誌或者將該事件存入消息隊列。同時狀態機切換到S2狀態。

在S2狀態，如果輸入信號爲1，則沒有鍵按下，切換到S3；如果輸入信號爲0，則保持S2狀態，並進行計數。如果計數值超過一定的門限值，則可以認爲該按鍵爲長按鍵事件或者鍵一直按下狀態，如果未超過門限值，則認爲是短按鍵事件，保持S2狀態。

在S3狀態，如果輸入信號爲高電平，則切換到S0.

上面就是採用狀態機進行按鍵檢測的過程。簡單程序如下：

enum key_states_e{
    KEY_S1,
    KEY_S2,
    KEY_S3,
    KEY_S4
};
void key_scan(void)
{
    static enum key_states_e key_state=KEY_S1;
    static int press=0;

    switch(key_state)
    {
        case KEY_S1:
            if(GPIO_ReadInputDataBit(g_keys[0].port, g_keys[0].gpio)==1)
                {key_state = KEY_S2;
            }
            else
                key_state = KEY_S2;
            break;

        case KEY_S2:
            if(GPIO_ReadInputDataBit(g_keys[0].port, g_keys[0].gpio)==1){
                key_state = KEY_S3;
                trace_notice(MID_KEY,"press\r\n");//相應的鍵操作處理程序
            }else
                key_state = KEY_S1;

            break;

        case KEY_S3:
            if(GPIO_ReadInputDataBit(g_keys[0].port, g_keys[0].gpio)==1){
                key_state = KEY_S3;
                press++;
                if(press>20){
                    trace_notice(MID_KEY,"press2\r\n");//相應的計數操作，判斷長短按鍵
                }
            }
            else
                key_state = KEY_S4;

            break;

        case KEY_S4:
            if(GPIO_ReadInputDataBit(g_keys[0].port, g_keys[0].gpio)==1){
                key_state = KEY_S1;
                press = 0;
            }
            break;

        default:
            key_state = KEY_S1;
            press = 0;
            break;
    }

       在定時器中，定時10ms，定時到後在中斷服務程序中調用上述函數，每次執行的間隔10ms，可以有效的消除消抖，提高CPU的利用率。

同時可以將狀態機應用於其他的程序中，一個串行通信的時序（不管它是遵循何種協議，標準串口也好、I2C也好；也不管它是有線的、還是紅外的、無線的）也都可以看做由一系列有限的狀態構成。顯示掃描程序也是狀態機；通信命令解析程序也是狀態機；甚至連繼電器的吸合/釋放控制、發光管（LED）的亮/滅控制又何嘗不是個狀態機。