矩陣鍵盤是單片機(jī)外部設(shè)備中所使用的排布類似于矩陣的鍵盤組。矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤顯然比直接法要復(fù)雜一些，識(shí)別也要復(fù)雜一些，列線通過電阻接正電源，并將行線所接的單片機(jī)的I/O口作為輸出端，而列線所接的I/O口則作為輸入。

　　矩陣鍵盤特點(diǎn)

　　矩陣鍵盤的編程是十分復(fù)雜的，但是矩陣鍵盤也節(jié)省IO口。而且還提高了I/O口利用率。

　　矩陣鍵盤構(gòu)成與工作方式

　　圖9-7為一個(gè)4x3的行列結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)成12個(gè)鍵的鍵盤。如果使用4x4的行列結(jié)構(gòu)，就能組成一個(gè)16鍵的鍵盤。很明顯，在按鍵數(shù)量多的場(chǎng)合，矩陣鍵盤與獨(dú)立式按鍵鍵盤相比可以節(jié)省很多的I/O口線。

　　矩陣鍵盤不僅在連接上比單獨(dú)式按鍵復(fù)雜，它的按鍵識(shí)別方法也比單獨(dú)式按鍵復(fù)雜。在矩陣鍵盤的軟件接口程序中，常使用的按鍵識(shí)別方法有行掃描法和線反轉(zhuǎn)法。這兩種方法的基本思路是采用循環(huán)查循的方法，反復(fù)查詢按鍵的狀態(tài)，因此會(huì)大量占用MCU的時(shí)間，所以較好的方式也是采用狀態(tài)機(jī)的方法來(lái)設(shè)計(jì)，盡量減少鍵盤查詢過程對(duì)MCU的占用時(shí)間。

　　下面以圖9-7為例，介紹采用行掃描法對(duì)矩陣鍵盤進(jìn)行判別的思路。圖9-7中，PD0、PD1、PD2為3根列線，作為鍵盤的輸入口（工作于輸入方式）。PD3、PD4、PD5、PD6為4根行線，工作于輸出方式，由MCU（掃描）控制其輸出的電平值。行掃描法也稱為逐行掃描查詢法，其按鍵識(shí)別的過程如下。

　　√將全部行線PD3－PD6置低電平輸出，然后讀PD0－PD2三根輸入列線中

　　有無(wú)低電平出現(xiàn)。只要有低電平出現(xiàn)，則說(shuō)明有鍵按下（實(shí)際編程時(shí)，還要考慮按鍵的消抖）。如讀到的都是高電平，則表示無(wú)鍵按下。

　　√在確認(rèn)有鍵按下后，需要進(jìn)入確定具體哪一個(gè)鍵閉合的過程。其思路是：依次將行線置為低電平，并檢測(cè)列線的輸入（掃描），進(jìn)而確認(rèn)是具體的按鍵位置。如當(dāng)PD5輸出低電平時(shí)（PD3=1、PD4=1、PD5=0、PD6=1），測(cè)到PD1的輸入為低電平（PD0=1、PD1=0、PD2=1），則可確認(rèn)按鍵K3-2處于閉合狀態(tài)。通過以上分析可以看出，MCU對(duì)矩陣鍵盤的按鍵識(shí)別，是采用掃描方式控制行線的輸出和檢測(cè)列線輸入的信號(hào)相配合實(shí)現(xiàn)的。

　　√矩陣按鍵的識(shí)別僅僅是確認(rèn)和定位了行和列的交叉點(diǎn)上的按鍵，接下來(lái)還要

　　考慮鍵盤的編碼，即對(duì)各個(gè)按鍵進(jìn)行編號(hào)。在軟件中常通過計(jì)算的方法或查表的方法對(duì)按鍵進(jìn)行具體的定義和編號(hào)。

　　在單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)中，鍵盤掃描只是MCU的工作內(nèi)容之一。MCU除了要檢測(cè)鍵盤和處理鍵盤操作之外，還要進(jìn)行其他事物的處理，因此，MCU如何響應(yīng)鍵盤的輸入需要在實(shí)際系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)認(rèn)真考慮。

　　通常，完成鍵盤掃描和處理的程序是系統(tǒng)程序中的一個(gè)專用子程序，MCU調(diào)用該鍵盤掃描子程序?qū)︽I盤進(jìn)行掃描和處理的方式有三種：程序控制掃描、定時(shí)掃描和中斷掃描。

　　√程序控制掃描方式。在主控程序中的適當(dāng)位置調(diào)用鍵盤掃描程序，對(duì)鍵盤進(jìn)

　　行讀取和處理。

　　√定時(shí)掃描方式。在該方式中，要使用MCU的一個(gè)定時(shí)器，使其產(chǎn)生一個(gè)

　　10ms的定時(shí)中斷，MCU響應(yīng)定時(shí)中斷，執(zhí)行鍵盤掃描，當(dāng)在連續(xù)兩次中斷中都讀到相同的按

　　√鍵按下（間隔10ms作為消抖處理），MCU才執(zhí)行相應(yīng)的鍵處理程序中斷

　　方式。使用中斷方式時(shí)，鍵盤的硬件電路要做一定的改動(dòng)，增加一個(gè)按鍵產(chǎn)生中斷信號(hào)的輸入線，當(dāng)鍵盤有按鍵按下時(shí)，鍵盤硬件電路產(chǎn)生一個(gè)外部的中斷信號(hào)，

　　MCU響應(yīng)外部中斷，進(jìn)行鍵盤處理。

　　下面我們介紹基于狀態(tài)機(jī)并采用定時(shí)鍵盤掃描的鍵盤處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

　　定時(shí)掃描方式的鍵盤接口程序

　　根據(jù)圖9-7，下面的鍵盤接口函數(shù)read_keyboaed（）完成了對(duì)4*3鍵盤的掃描識(shí)別和鍵盤的編碼。編碼鍵盤的定義使用define語(yǔ)句定義，鍵盤的形式類似電話和手機(jī)鍵盤，如圖9-8所示。

　　#defineNo_key255

　　#defineK1_11

　　#defineK1_22

　　#defineK1_33

　　#defineK2_14

　　#defineK2_25

　　#defineK2_36

　　#defineK3_17

　　#defineK3_28

　　#defineK3_39

　　#defineK4_110

　　#defineK4_20

　　#defineK4_311

　　#defineKey_mask0b00000111

　　charread_keyboard（）

　　{

　　staticcharkey_state=0，key_value，key_line;

　　charkey_return=No_key，i;

　　switch（key_state）

　　{

　　case0：

　　key_line=0b00001000;

　　for（i=1;i《=4;i++）//掃描鍵盤

　　PORTD=~key_line;//輸出行線電平

　　PORTD=~key_line;//必須送2次?。。。ㄗ?key_value=Key_mask&PIND;//讀列電平if（key_value==Key_mask）

　　key_line《《=1;//沒有按鍵，繼續(xù)掃描

　　else

　　{

　　key_state++;//有按鍵，停止掃描

　　break;//轉(zhuǎn)消抖確認(rèn)狀態(tài)

　　}

　　}

　　break;case1：

　　if（key_value==（Key_mask&PIND））//再次讀列電平，{

　　switch（key_line|key_value）//與狀態(tài)0的相同，確認(rèn)按鍵{//鍵盤編碼，返回編碼值case0b00001110：key_return=K1_1;break;

　　case0b00001101：

　　key_return=K1_2;break;

　　case0b00001011：

　　key_return=K1_3;break;

　　case0b00010110：

　　key_return=K2_1;break;

　　case0b00010101：key_return=K2_2;

　　break;

　　case0b00010011：

　　key_return=K2_3;break;

　　case0b00100110：

　　key_return=K3_1;break;

　　case0b00100101：

　　key_return=K3_2;break;

　　case0b00100011：

　　key_return=K3_3;break;

　　case0b01000110：

　　key_return=K4_1;

　　break;

　　case0b01000101：

　　key_return=K4_2;

　　break;

　　case0b01000011：

　　key_return=K4_3;

　　break;}

　　key_state++;//轉(zhuǎn)入等待按鍵釋放狀態(tài)

　　}

　　else

　　key_state--;//兩次列電平不同返回狀態(tài)0，（消抖處理）

　　break;

　　case2：//等待按鍵釋放狀態(tài)

　　PORTD=0b00000111;//行線全部輸出低電平

　　PORTD=0b00000111;//重復(fù)送一次

　　if（（Key_mask&PIND）==Key_mask）

　　key_state=0;//列線全部為高電平返回狀態(tài)0

　　break;

　　}

　　returnkey_return;

　　}

　　系統(tǒng)主程序應(yīng)每隔10ms調(diào)用該鍵盤接口函數(shù)read_keyboaed（），函數(shù)返回值為255時(shí)表示無(wú)按鍵按下。檢測(cè)和確認(rèn)按鍵按下時(shí)，函數(shù)返回值為0到11之間的一個(gè)，該返回值已經(jīng)是經(jīng)過了鍵盤編碼的值。

　　鍵盤接口函數(shù)read_keyboaed（）是基于狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的，將鍵盤掃描處理過程化分成三個(gè)狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)的功能為：

　　√狀態(tài)0，鍵盤掃描檢測(cè)?？刂芇D3-PD6，4根行線逐行輸出低電平，對(duì)鍵盤

　　進(jìn)行掃描檢測(cè)。一旦檢測(cè)到有鍵按下（key_value），立即停止鍵盤的掃描，狀態(tài)轉(zhuǎn)換到狀態(tài)1。注意此時(shí)變量key_value中保存著讀到的列線輸入值，而且該行線低電平的輸出是保持不變的。

　　√狀態(tài)1，消抖處理和鍵盤編碼。再次檢測(cè)鍵盤列線的輸入，并與狀態(tài)0時(shí)的

　　key_value比較，不相等則返回狀態(tài)0，實(shí)現(xiàn)了消抖處理。相等則確認(rèn)該鍵的輸入，進(jìn)行鍵盤編碼和設(shè)置函數(shù)的返回值，狀態(tài)轉(zhuǎn)化到狀態(tài)2。

　　√狀態(tài)2，等待按鍵釋放。控制PD3-PD6，4根行線全部輸出低電平，檢測(cè)3

　　根列線輸入全部為高電平（無(wú)按鍵按下）時(shí)狀態(tài)返回到狀態(tài)0。

　　讀者在閱讀該段程序時(shí)，請(qǐng)注意key_mask、key_value、key_line的作和用它們不僅與鍵盤的硬件連接有關(guān)系，同時(shí)還要注意他們?cè)诔绦蛑惺侨绾问褂玫?，其值的保存等等?/p>

　　通過這個(gè)例子也可以看出，在硬件設(shè)計(jì)的過程中，也需要認(rèn)真考慮軟件的寫。比如，你也可以將4根鍵盤行線與PD0、PD2、PD3、PD6連接，列線使用PD1、PD4、PD5，從硬件的角度看是完全可以的，但會(huì)給軟件編寫造成很多麻煩。所以，一個(gè)好的嵌入式系統(tǒng)工程師必須同時(shí)具備良好的軟件設(shè)計(jì)編寫能力和硬件設(shè)計(jì)能力。

　　實(shí)際上read_keyboaed（）還是一個(gè)比較簡(jiǎn)單的鍵盤接口函數(shù)，還不能處理類似多鍵按下的識(shí)別、按鍵“連發(fā)”等功能。但當(dāng)你真正掌握了基本鍵盤接口的設(shè)計(jì)思想和方法后，就可以在這個(gè)簡(jiǎn)單的鍵盤接口函數(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出功能更加完善的鍵盤系統(tǒng)了。

　　（注1）當(dāng)AVR的I/O口處于輸入方式工作時(shí)，其對(duì)應(yīng)的PINx就是外部引腳上的實(shí)際電平。為了防止讀入PINx時(shí)數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定和不確定，（例如在讀的期間，正好引腳電平發(fā)生改變），AVR的I/O輸入端到總線之間加入一個(gè)同步鎖存器，用以保證讀入數(shù)據(jù)的穩(wěn)定和確定。同步鎖存器在系統(tǒng)I/O時(shí)鐘的作用下，經(jīng)過1/2-3/2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，將引腳電平鎖定，提供MCU讀取。也就是說(shuō)外部引腳的電平變化要經(jīng)過1/2-3/2個(gè)時(shí)鐘周期才能真正的被讀到，見圖9-9。

　　因此，當(dāng)編寫程序讀取AVR的I/O口PINx電平值時(shí)應(yīng)注意：

　　當(dāng)I/O口從輸出方式改成輸入方式后，應(yīng)延時(shí)一個(gè)CLK再讀。

　　當(dāng)I/O外部引腳電平改變后，也要延時(shí)一個(gè)CLK后再讀取。

　　在本例的鍵盤掃描程序中，根據(jù)掃描條件，首先改變行線輸出的電平，如果按鍵按下的話，那么對(duì)應(yīng)點(diǎn)的列線（輸入口）電平也馬上改變了，此時(shí)需要延時(shí)一個(gè)CLK后讀列線的輸入電平值才是正確的。程序中采用輸出2次相同的行電平的方式，第2次輸出的實(shí)際作用是起到延時(shí)的作用（其實(shí)相當(dāng)于2個(gè)NOP）。當(dāng)然，也可以輸出1次行電平，在讀I/O口時(shí)采用讀2次的方式，只要滿足規(guī)定的延時(shí)時(shí)間就可以的。

　　矩陣鍵盤的原理

　　其中矩陣鍵盤是一種比較常用的方法。矩陣鍵盤的電路圖如下：

　　矩陣式鍵盤由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點(diǎn)上。當(dāng)鍵被按下時(shí)，其交點(diǎn)的行線和列線接通，相應(yīng)的行線或列線上的電平發(fā)生變化，單片機(jī)通過檢測(cè)行或列線上的電平變化可以確定哪個(gè)按鍵被按下。

　　矩陣鍵盤不僅在連接上比單獨(dú)式按鍵復(fù)雜，它的按鍵識(shí)別方法也比單獨(dú)式按鍵復(fù)雜。矩陣鍵盤的檢測(cè)方法有多種，常見的有：逐點(diǎn)掃描法、逐行掃描法、全局掃描法。在本實(shí)例中我們采用逐行掃描法來(lái)實(shí)現(xiàn)按鍵檢測(cè)，其中PD0-PD3作為列線，PD4-PD7作為行線。識(shí)別過程如下：

　　1、判斷鍵盤中是否有鍵按下。設(shè)置所有行線為輸出口，并輸出低電平；設(shè)置列線為輸入口，讀取列線上的電平狀態(tài)，只要有一列的電平為低，就表示有按鍵按下，并且被按下的鍵位于電平為低的列線與4跟行線相交叉的4個(gè)按鍵中，若所有列線都為高電平，表示沒有按鍵按下；

　　2、判斷被按下按鍵所在的位置。在確認(rèn)有鍵按下后（進(jìn)行按鍵消抖處理后），接下來(lái)就是確定具體哪個(gè)案件被按下，方法是：依次將每根行線設(shè)置為輸出口，并輸出低電平（同時(shí)剩余行線輸出高電平），然后逐列檢查每根列線的電平狀態(tài)，若某列為低電平，則該列線與設(shè)置為輸出低電平的行線交叉處的按鍵就是被按下的按鍵。

　　3、按鍵位置確定后，接下來(lái)就要給矩陣鍵盤中的每個(gè)按鍵進(jìn)行編號(hào)，也就是進(jìn)行按鍵編碼，程序設(shè)計(jì)中常用計(jì)算法和查表法兩種方式對(duì)按鍵進(jìn)行編碼，本實(shí)例采用計(jì)算法編碼。

　　從上面的電路圖中我們可以看到，鍵盤的所有行線和列線都接了上拉電阻，這是為了確保在沒有按鍵按下的時(shí)候，I/O口的電平狀態(tài)始終為高電平，從而消除外界干擾。

　　對(duì)于AVR單片機(jī)來(lái)說(shuō)，我們已經(jīng)知道在I/O口輸入狀態(tài)下，可以使能其內(nèi)部上拉電阻，所以上面電路圖中連接4根列線的上拉電阻可以不用，直接使能內(nèi)部上拉電阻即可。