Pixabay:电话按键

Unsplash:电脑键盘说起按键，这个大家应该不会陌生，因为我们每天都接触的啊，至少我们每天都用手机，我们发短信，打电话都会通过按键输入信息，虽然有的手机按键是“坚硬的”按键，有的按键是“软软的”按键，但这些统统称为“物理按键”，就如图中座机的按键和键盘的按键亦是如此；但还有一种“虚拟的”按键，就如手机中触摸屏的按键，这是一种软件虚拟出来的按键，但它的功能和真实的物理按键并没有什么两样。但话说回来，按键究竟有什么玄机呢？按键是我们根据自己的意愿向机器设备发送指令的地方，它其实涉及到了物理信号到电信号的转变，如下图所示，物理信号指的是我们用手指接触按键并给它压力，电信号则是按键受到压力后变低使电路中的两个点连通了，我们所有的电子设备都是基于电路而工作的。当电路检测到A和B两点接通了，就认为按键按下了。 ![img_0.4703703795142323.jpg](https://images.ecency.com/DQmQTocVarY1bFMyrc9JSuYUupCN7ARnw9db75LhSU5A94o/img_0.4703703795142323.jpg) Proteus ISIS软件：按键但是如果我们使用16个按键呢？就得有16根线与按键相连，或者说有16个通路。但是这样就有些耗费资源，如果实际上我们没有足够的通路，那又该怎么办呢？这时采用的方法就是矩阵按键。 ![img_0.7108697981499275.jpg](https://images.ecency.com/DQmZmCXgmBLPYTizgMQvWFRz7okzxMLvMMS8FGibeaG44Ag/img_0.7108697981499275.jpg) Proteus ISIS：16路独立按键

Proteus ISIS:4✖4矩阵按键可以看出同样是16个按键，但这时只连接了8根线，比16路独立按键节省了一半的线。为什么矩阵按键8根线也能控制16个键呢？这是因为它采用了行列分别控制，对于4×4的矩阵按键来说，就是4行和4列，每一行控制4个，每一列也控制4个，而对于其中任何一个按键来说，由它所在的行和列分别控制。 ![img_0.31573027269900034.jpg](https://images.ecency.com/DQmP6gt8wefgp4HD2BbjN2h1oeBRD14kvwdGya7X6CTFP7E/img_0.31573027269900034.jpg) Proteus ISIS：矩阵按键原理图但对我们来说，有一个好消息，还有一个坏消息。好消息是我们的连线变少了，坏消息是，我们检测按键的过程变复杂了。通常，我们只要知道某个按键两边的点连通了，我们就认为按键按下了，对于独立按键，16个按键对应独立的16对的点，我们只要一一检测就好了，比如右端全给0，左端检测到0就可以了，如果有多个按键同时按下也能检测出来。但是对于矩阵按键，如果我们列全给0的话，假设某行为0，我们并不能判断出是这一行的那个列被按下了，所以只能一列一列的排查，就是只能一列为0，其余列的输入不能改变行的状态，比如1。当然，虽然稍微麻烦了一点，我们还是能克服的，毕竟它的优势是显而易见的。一般情况下，我们检测按键是通过CPU读取相应连线的值来实现的。我们的手机里也有CPU，电脑里也有CPU，而我们所熟知的安卓系统，苹果系统，Windows系统等都是运行在CPU里的，这些“系统”都是CPU里运行的程序。当然，CPU也可以通过变成来读取按键连线上的值。那么，问题来了。CPU是怎么读取按键连线上的值的呢？当然是人在教它通过一定的方法步骤来最终识别按键连线上的值的。但每个人的做事方式不一样，CPU的最终识别方式也就不一样，换句话说，就是CPU上的程序运行方式不一样。但这只是说CPU做事的步骤不一样，就好如做面条，有的人先加水，再加葱花，再加油，有的人先加油，再加葱花，再加水，但最终出来都是香喷喷的面条。所以，所有的CPU都是按照一定的步骤来做事的。现在，就以矩阵按键来说，CPU要想控制它，就需要一个流程，我们就需要根据这个流程告诉CPU遇到什么事情该怎么做，就如救援机器人一样，检测到生命体就实施救援，没有检测到就返回原地并发送消息。而矩阵按键，我们也可以根据当前的情况来进行相应的操作，比如下面这个流程图。 ![img_0.862472762425835.jpg](https://images.ecency.com/DQmPXNrW6MqLGE51BL8tum1GGUpzSNy4DQpWg1JU1TAG6ne/img_0.862472762425835.jpg) Quartus II: FSM 根据这个流程，CPU就可以根据步骤处理按键的事了。这个步骤可以说是很详细的。首先，我们使用的手机，电脑，电视机遥控开关其实都有一个默认状态，那就是大多数时候，我们并不操作它，它处于一个空闲状态。这个例子也是，**我们假设按键默认处于空闲状态，也就是没有被按下的状态**。同时，**我们假设行1、2、3、4也是默认状态，均为1**。同时，**CPU默认给列A、B、C、D一个0**，那么如果有按键被按下，被接通的两点就会出现一根线一端为1，而另一端为0的情况，这时为1的一端也会变成0（这个规律可以总结为：一根线两端同时为0，则两端同时为0；两端同时为1，则两端同时为1；一端为0，一端为1，则两端仍然均为0）。那么CPU就会去检测了，如果行1、2、3、4不是默认的全为1，必然是有按键按下了。但这时它并不能判断出，究竟按下的是哪一个按键。有按键按下了，就好说了。先让**CPU把这个按键的值保存一下**，保存很重要。这里又考虑了另外一个细节，就是防抖动。举个例子，你用遥控给电视机选台，如果你手很冷，手一抖，连按了好几下，那么本来你想选的台就直接被跳过了。我们设计的时候得防止这件事，那就是CPU一旦检测到按下按键了，就会延时一段时间，在这一段时间内无论手都还是什么的都会被屏蔽，专业术语就叫“**按键滤波**”。不过术语什么的，并不重要。而保存按键的值就会避免后续的抖动而导致最初的值丢失。 CPU中有一个称为计数器的东西，其实也就是定时器来实现延时。你可以用一个电信号来启动定时器，定时器走到规定的时间后也会输出一个电信号，这样一旦我们发现按键被按下了，就启动定时器；定时器走到规定的时间就关掉定时器。如果延时一段时间后，行1、2、3、4仍不是默认的全为1，那CPU相信你是真正的想按这个按键，而不是不小心碰了一下什么的。 CPU知道你已经按下了按键，那么接下来它要弄清楚你按的是那个按键了。如果它检测到某一行为0，那么它并不知道哪一列被按下了，因为任一列被按下都会是这一行变为0，怎么办？一列一列的试。它首先只将第一列变为0，然后检测行有没有按键被按下，有的话，就说明这一列有按键被按下了。然后它再将第二列变为0，检测按键有没有按下，如果有，那说明这一列按键被按下了。如果这一列被按下，就将这一列的标志标记为1（与这一列为0并不冲突，只是标志）。以此类推，每一列都要试上一遍。试完了，下一步就是输出结果。如果应用比如计算器，一般都是一次只能按一个键，不能同时按两个键。所以这个例子也采用了这样的机制，如果同时按两个键则无效。那么结果就可以表示成```xxxx_xxxx```的形式。其中前面的4位表示4行，后面的4位，表示4列，如```1110_0001```则表示第“0行0列”被按下了。当然这只是一种标记，你也可以写成“1110_1110”表示第“0行0列”被按下了。我们已前一种方式为例，因为我们说过，只能一次按一个键才生效，所以同时按两个或多个键都无效。这就要求我们检测是不是只按了一个键，如果只按了一个键，那么行```xxxx```不可能出现多于1个的0，所以```xxxx```各位的和应等于3，而列呢，不可能出现多余1个的1，也就是列的和只能等于1。满足这个条件，我们就说我们检测到有效的按键被按下，就可以输出一个检测成功的标志并输出结果。如果不满足这个条件，说明一次可能按下了多个键，这不符合我们的预设，我们可以忽略它，那么结果就是不产生检测成功标志，以及按键的检测结果仍保留原先的值，而不会更新。或许有的应用需要使用组合键，如PC的键盘，这时就可以将需要组合的按键定义进去。其实也可以增加组合键的机制，不过流程上可能就稍微复杂一些了。一般是应用需要什么，我们就增加什么，这种思想叫做“面向应用”。那如果将所有的按键组合都囊括进去，估计得耗费大量的资源，CPU估计会吃不消，且流程会相当复杂，很少人会那么干。得到结果了，一般你就不会再按着键盘不放了，你要松开手了。CPU也会随时检测你有没有松开手，如过检测到行```xxxx```为```1111```，那表示你确实松开手了，但CPU还会延时一段时间，考察你是不是真的松开手，会不会有再按回去的可能，这种过程术语叫做“释放滤波”。还有一种可能就是你按着不放，CPU检测到了这种行为就会一直延时，如果计数器达到时间后，你仍不松手，CPU会再一次输出检测成功标志，如果一开始就检测成功了，CPU的输出结果会一直保持直到按下一个按键，如果一开始是多个按键的组合，CPU的输出结果会继续维持上一次的输出结果。最终CPU延时了一段时间后，发现你确实释放了按键。CPU就会继续检测行的值，如果没有按键按下，就会跳到“空闲状态”，如果有按键按下就会跳到上一状态。整个过程，总结下来就是： * 按键空闲，时刻检测行状态，如果检测到了按键被按下，那么 * 延时，直到延时结束，然后 * 检测按键是否按下，否，跳到步骤1，是，检测是否是第0列按键按下引起的 * 如果检测到是第0列按下引起的，将第0列标志置1，否则，标志仍为0 * 检测是否是第1列引起的，如果是，将第1列标志置1，否则标志仍未0 * 检测是否是第2列引起的，如果是，将第2列标志置1，否则标志仍未0 * 检测是否是第3列引起的，如果是，将第3列标志置1，否则标志仍未0 * 判断是否只有一个按键按下，如果是，输出检测成功标志，并输出结果，否则不输出检测成功标志，结果维持不变 * 检测按键是否被释放，是，延时一段时间（释放延时），否，等待（等待延时，也可只等待就行，不必加计数器设定延时） * 检测到确实被释放了，并且延时完成，于是 * 继续检测是否有按键按下，有，说明按键被释放时有抖动，需跳到上一步继续延时，否则说明按键进入空闲状态，跳到步骤1 这就是整个流程了，这里设定了等待释放的过程中加入等待计数器，达到指定延时后，不论是否按了一个键或是两个键都会输出检测成功标志，这一点也可以不加入这样的计数器，指定延时后，无需输出检测成功标志。不过，只要按照当初的需求就好。然后，根据CPU的控制流程设计好**控制程序**后，我们还要对它验证。验证的方法就是给施加相应的信号，看看CPU的反应。但是我们加信号要符合实际的应用场景，比如一上电，系统的时钟```clk```就会自动运行（所谓系统时钟，就好比人类人类生活的时间，人类做任务规划，也是基于时间，而电子系统亦是如此，它这一步做什么，下一步做什么都是基于一个时钟的）。然后系统的“复位”信号```rst_n```一开始为低（复位信号其实就类似于人类的出生，刚进入世间，大脑完全归零，不懂任何事物，而电子系统也是如此，刚进入工作时，会将内部所有的控制逻辑归零，或者叫清空，为下一步运行做准备）。以上两个信号为电子设计领域的常识了，可以说每个CPU必有此信号。 ![img_0.8601874454875442.jpg](https://images.ecency.com/DQmSarhxktokhE4toqJfY8Szx2yCParFhPFKDMMSctavh7U/img_0.8601874454875442.jpg) Quartus II:Waveform 而根据我们的设计要求，键盘的行信号都是默认为1（如果行未选通，由行寄存器，也就是内部数据寄存器提供此信号，同时受行选通信号控制，所以如果行如果被选通时，由列信号提供行信号），所谓行选通```row_sel```，其实也类似于一个开关，行的信号通过开关选择。由图中的信号图可知，```row_sel```为0，未选通。 ![img_0.08255204788635953.jpg](https://images.ecency.com/DQmVjyfDEV9GiUcu52MK9nz8uZGPktd5D6CvRrEbHMtDdZA/img_0.08255204788635953.jpg) Proteus ISIS: row_sel选通原理列信号```col```与按键成功标志```key_flag```，按键默认值```key_value```均为CPU输出，在这种情况下，它们的默认输出均为0，符合我们的设计要求。等了50ms后，我按下了第0行0列的按键，可以看出计数器1开始启动，计数器开始计数，状态也由原来的```00000000001```变化到```00000000010```。但是由于按键有抖动，所以按键的值总是在```0```和```1```之间跳变。我们需要等待一会儿，等到按键的值变稳定，至于等多长时间，则由计数器说的算，等到它计数完成，按键的值也就稳定了。 ![img_0.9586655565373791.jpg](https://images.ecency.com/DQmZihtn54w1G1oJG4Wympw2rk1P6fRPzkyQfWfzTd741wb/img_0.9586655565373791.jpg) Quartus II:Waveform 我们可以看到计数器cnt1记满数后会重新变为0，而记满标志```cnt_done1```会变为1，并持续1个时钟周期。得知记满标志变为1后，计数器启动信号```en_cnt1```会变为0，状态也由```00000000010```变为```00000000100```，进而开始逐列扫描，看看到底是那一列按键被按下，可以看出只有第0列被按下会使行为```1110```，其余列按下行始终为```1111```。且此时状态变化到了```00001000000```。接下来状态变到```00010000000```，开始输出结果了，同时变化到状态```00100000000```。此时内部寄存器```key_flag_r```被拉高，同时启动连按计数器```en_cnt2```，表示此时按键还被按着，而基于此输出信号```key_flag```也被拉高（基于```key_flag_r```，所以延迟一拍）。因为按键并未释放，所以CPU就一直等着按键释放。 ![img_0.5427370582789481.jpg](https://images.ecency.com/DQmZbzQjdzTw5NPZyLtURyrM4FQizzsEskQpRaa3He8skJ4/img_0.5427370582789481.jpg) Quartus II:Waveform 然后检测到```row```变为1，说明按键被释放了，而这里我的检测标志```key_flag```应该清零了（图中未清零）。然后状态转到```01000000000```，同时释放延迟计数```en_cnt1```启动，长按延迟计数```en_cnt2```终止。释放延时计数开始从0计数。 ![img_0.7062456080463159.jpg](https://images.ecency.com/DQmSpsb1znRodYtWLGjqB3R2XLXYuvfizFK5yAvHCX1ftXQ/img_0.7062456080463159.jpg) Quartus II:Waveform 等到计数完成，我们会看到计数值归0。然后```en_cnt1```归0，计数终止。状态变为```10000000000```，这个状态读取```row```的值，若无按键按下，那么状态重新回到初始状态```00000000001```。 ![img_0.4767405793151688.jpg](https://images.ecency.com/DQmXatXgSGfGGwMUdDD7wx9J9pK11bGAsVGpdPV639iFruf/img_0.4767405793151688.jpg) Quartus II:Waveform 如此，则验证了这个程序的正确性。 ---- 不过我却多了深一层的思考:你看，电子世界靠着时钟一步一步照着人类给予的指令做着自己的事情，而观看我们人类自己，是依照着谁的指令一步步做事的呢？注：除本文前两幅图片源于Pixabay和Unsplash，其余均为原创。参考源码：[FPGA矩阵键盘设计](https://pan.baidu.com/s/1WcODvLR-me1EVyqt_gRNpQ) 提取码：1234