AVR微控制器教程——矩陣鍵盤
本文隸屬於AVR微控制器教程系列。
開發板上有4個按鍵，我們可以把每一個按鍵連線到一個微控制器引腳上，來實現按鍵狀態的檢測。但是常見的鍵盤有104鍵，是每一個鍵分別連線到一個引腳上的嗎？我沒有考證過，但我們確實有節省引腳的方法。
矩陣鍵盤
這是一個4*4的矩陣鍵盤，共有16個按鍵只需要8個引腳就可以驅動。我們先來看看它的原理。
每個按鍵有兩個引腳，當按鍵按下時接通。每一行的一個引腳接在一起，分別連線到左邊4個埠，稱為“行引腳”；每一列的另一個引腳接在一起，分別連線到右邊的4個埠，稱為“列引腳”。這就是矩陣鍵盤內部的電路連線方式。
那麼如何驅動它呢？首先我們簡化一下，只考慮第一排：
這樣就很簡單了吧，只要讓行引腳保持低電平，4個列引腳設定為輸入並開啟上拉電阻，讀到低電平則意味著按鍵被按下。其餘3行同理。
但是下面3行畢竟沒有憑空消失，怎樣讓它不影響第一行按鍵的檢測呢？保持那3個行引腳懸空，不接就可以了。這樣，第一行的行引腳接地，4個列引腳接到微控制器上，就可以使用了。所以，要讀取一行按鍵的狀態，需要把對應行引腳置為低電平，其餘保持懸空，在列引腳上設定上拉電阻並分別讀取其電平。
於是讀取16個按鍵的方法就呼之欲出了——先按以上方法讀第一行，再把第二行的行引腳接地，第一行的懸空，而列引腳不用動，讀取第二行……
這樣一行一行地讀，只要讀的速度夠快，人就反應不過來，覺得16個按鍵是同時讀的。上回遇到“只要速度夠快，人就追不上我”，是在學習數碼管的時候，那時我們瞭解到了動態掃描的技術。同樣地，一行一行地讀取按鍵也是一種動態掃描。
#include <ee2/pin.h> #include <ee2/delay.h> #include <ee2/uart.h> int main(void) { const pin_t row[4] = {PIN_0, PIN_1, PIN_2, PIN_3}; const pin_t col[4] = {PIN_4, PIN_5, PIN_6, PIN_7}; const char name[16] = { '1', '2', '3', 'A', '4', '5', '6', 'B', '7', '8', '9', 'C', '*', '0', '#', 'D', }; bool status[16] = {false}; uart_init(UART_TX_64, 384); for (uint8_t j = 0; j != 4; ++j) pin_write(col[j], PULLUP); while (1) { for (uint8_t i = 0; i != 4; ++i) { pin_write(row[i], LOW); pin_mode(row[i], OUTPUT); for (uint8_t j = 0; j != 4; ++j) { uint8_t index = i * 4 + j; bool cur = pin_read(col[j]); if (status[index] && !cur) { uart_print_char(name[index]); uart_print_line(); } status[index] = cur; } pin_mode(row[i], INPUT); } delay(1); } }
在這個程式中，微控制器每一毫秒把16個按鍵各讀一遍，然後跟上一次讀取比對，判定按鍵是否按下，然後在串列埠上輸出。
輸入的動態掃描沒有輸出的動態掃描要求那麼嚴格。在數碼管的動態掃描中，需要顯示第1位→延時一段時間→顯示第2位→延時一段時間，而且延時必須相同，否則不同位的亮度就有差異。而矩陣鍵盤的動態掃描就不需要那麼嚴格的時序，讀完一行以後完全可以不延時，就像上面的程式中做的那樣，直接讀下一行。
最後提一句，上面的分析和程式都把行引腳作為輸出，列引腳作為輸入，事實上由於行與列是對稱的，把行列互換也是可以的。但如果是一個4行8列的矩陣鍵盤，還是應該把行引腳作輸出，因為這個“輸出”的實際上要求三態輸出，包含了低電平與高阻態。我們接下來將看到，74HC595晶片做不到這一點。
以及，“矩陣鍵盤”的“矩陣”之處在於其電路連線，而不一定是外觀。把16個按鍵排成一行，一樣可以用矩陣鍵盤的連線方式。
74HC165
另一種擴充套件輸入的方式是使用以74HC165為代表的並行轉序列IC。165有8個並行輸入、一個序列輸入、一對互補序列輸出引腳，以及時鐘和鎖存訊號等。這是165的邏輯圖：
看暈了？我們一點一點來分析。
首先看CLK和CLK INH這一部分，兩個訊號通過或門連線，提供後續電路的時鐘訊號。CLK INH稱為時鐘遮蔽訊號。當CLK INH為高時，或門總是輸出高電平，不再有時鐘；當CLK INH為低時，或門輸出電平與CLK相同。所以，只有當CLK INH為低時，後續電路才能工作。
時鐘訊號提供給一組移位暫存器，移位暫存器的基本單元是D觸發器。一個D觸發器可以以高低電平的形式鎖存一位資料，在其右方的埠輸出。在訊號C1（即CLK，當CLK INH為低時）的上升沿，D觸發器把1D訊號的電平儲存起來，同時反映到輸出訊號上。上升沿是一個瞬間的訊號，8個D觸發器同時收到這一訊號，把前一個輸出儲存起來，供後一個D觸發器在下一次時鐘上升沿讀取。這樣，在每個上升沿，SER的資料進入最左邊的D觸發器，所有資料右移了一位，最右邊的一位反映在QH引腳上，在上升沿丟失。
下一節中74HC595的邏輯圖中有一組類似的移位暫存器，不過除了第一個以外用的都是SR鎖存器，它同樣在時鐘上升沿鎖存資料，這個資料在S高電平時為1，R高電平時為0，兩者都低電平時為之前鎖存的電平。那麼165的D觸發器中的S和R訊號是否也是這樣的功能呢？
不完全相同，它們的作用不需要時鐘訊號，是非同步的，並且它們不是上升沿觸發而是電平觸發的，即只要高電平保持，它們將一直起作用，使D觸發器忽略1D訊號的輸入。我判斷這兩個訊號是非同步的，是因為C1標了1，對應1D的1，而S沒有標1，因此S與C1無關；是電平觸發的，因為S左邊沒有像C1左邊那樣的三角形，它表示邊沿觸發。
SH/LD引腳用於選擇移位暫存器的工作模式。當SH/LD為高時，非門輸出低，兩個與非門一定輸出高，D觸發器的S和R前有個圓圈，表示低電平有效，S和R不起作用，移位暫存器在時鐘上升沿移位；當SH/LD為低時，非門輸出高，兩個與非門的輸出是另一個輸入取非，當A為高和低時分別有S和R為低，並行埠上的資料被鎖存進移位暫存器中。
通過以上分析，我們可以總結出使用165讀取8個輸入的方法：先把SH/LD置低然後置高，再讀取QH的電平，讀到的就是H訊號，然後在CLK引腳上產生一個上升再下降的時鐘訊號，並從QH讀到G，如此迴圈，直到8個輸入都讀完。
那我們來實踐一下吧。從開發板的原理圖中可以看到，A到H連線到開發板左上方Ext In處，0對應H，7對應A；QH連線PD2，CLK連線PD4；SH/LD有些複雜，需要讓(PC3, PC2) = (0, 1)使SH/LD為高電平，(PC3, PC2) = (1, 1)使SH/LD為低電平。
uint8_t read_165()
{
DDRC |= 1 << DDC2; // PC2 output
DDRC |= 1 << DDC3; // PC3 output
DDRD &= ~(1 << DDD2); // QH input
DDRD |= 1 << DDD4; // CLK output
PORTC |= 1 << PORTC2; // PC2 high
PORTC |= 1 << PORTC3; // PC3 high, SH/LD low
PORTC &= ~(1 << PORTC3); // PC3 low, SH/LD high
PORTD &= ~(1 << PORTD4); // CLK low
uint8_t result = 0;
for (uint8_t i = 0; i != 8; ++i)
{
result >>= 1; // the bit read first is LSB
if (PIND & (1 << PIND2)) // QH high
result |= 1 << 7; // set result's MSB
PORTD |= 1 << PORTD4; // CLK high
PORTD &= ~(1 << PORTD4); // CLK low
}
return result;
}需要注意的一點是，進入迴圈之前的初始化除了要配置輸入輸出以外，CLK必須為低電平，因為CLK是上升沿觸發，如果進入函式之前此引腳輸出高電平而函式中沒有把它置低，迴圈第一次中移位暫存器就不會移位，H的電平就會被讀兩次，而A會被忽略。
等等，關於165晶片，我們還有SER序列輸入沒有講。注意到SER是第一個D觸發器的輸入，QH是最後一個D觸發器的輸出，而中間都是前一個D觸發器的輸出是後一個D觸發器的輸入，你有沒有受到什麼啟發？
你想把SER連線到QH上？那沒什麼用。正確的做法是把一片165的QH連線到另一片165的SER上，還可以連線更多，這種連線方式成為級聯；最後一片的QH連線微控制器，第一片的SER不需要使用，一般會接一個確定的電平；所有165共用CLK和SH/LD。這樣就可以把8位並行轉序列擴充套件為16位甚至更多。
74HC595
講到並行輸入轉序列輸出的165，就不得不講序列輸入轉並行輸出的74HC595。事實上，595有這樣的地位：玩微控制器的人接觸的第一塊晶片是那塊微控制器，第二塊就應該是595。
595和165是兄弟晶片，結構與165對稱。SER為序列輸入，8位移位暫存器由時鐘訊號SRCLK的上升沿控制；RCLK上升沿控制一組RS鎖存器，將移位暫存器中的資料反映到QA到QH引腳的電平上來；SRCLR低電平有效，非同步地將移位暫存器中的資料全部清零；略有不同的是輸出級，595支援三態輸出，當OE為高電平時高阻輸出。
那為什麼之前說595做不到三態輸出呢？因為只有一個OE訊號，大家得一起高阻，沒法一個輸出低電平其餘高阻輸出。
開發板上有一塊595，SER連線PD3，SRCLK連線PD4，RCLK與165的SH/LD類似，當(PC3, PC2) = (0, 1)為高電平，(PC3, PC2) = (1, 0)時為低電平。
話不多說，我們直接看程式碼：
void write_595(uint8_t _data)
{
DDRD |= 1 << DDD3; // SER output
DDRD |= 1 << DDD4; // SRCLK output
DDRC |= 0b11 << DDC2; // PC3:2 output
PORTD &= ~(1 << PORTD4); // SRCLK low
for (uint8_t i = 0; i != 8; ++i)
{
if (_data & 1 << 0) // LSB first
PORTD |= 1 << PORTD3; // SER high
else
PORTD &= ~(1 << PORTD3); // SER low
_data >>= 1;
PORTD |= 1 << PORTD4; // SRCLK high
PORTD &= ~(1 << PORTD4); // SRCLK low
}
#define PC32(x) (PORTC = (PORTC & ~(0b11 << PORTC2)) | (x) << PORTC2)
PC32(0b10); // RCLK low
PC32(0b01); // RCLK high
#undef PC32
}595最經典的功能就是驅動LED了。事實上，開發板上的數碼管和LCD介面都是掛在595的輸出上的。現在我們學習了595的用法，終於可以自己點亮數碼管了。
把數碼管的負極連線到埠4和5上。
#include <ee2/pin.h>
#include <ee2/delay.h>
void write_595(uint8_t _data);
int main()
{
pin_t digit[2] = {PIN_4, PIN_5};
for (uint8_t i = 0; i != 2; ++i)
{
pin_write(digit[i], HIGH);
pin_mode(digit[i], OUTPUT);
}
uint8_t which[8] = {
1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0
};
uint8_t pattern[8] = {
0b00000001, 0b00000010, 0b00000100, 0b00001000,
0b00001000, 0b00010000, 0b00100000, 0b00000001
};
while (1)
for (uint8_t i = 0; i != 8; ++i)
{
pin_write(digit[which[i]], LOW);
write_595(pattern[i]);
delay(200);
pin_write(digit[which[i]], HIGH);
}
}595也是支援級聯的，方法是多片595共用SRCLK和RCLK，一片的QH'連線下一片的SER。但是當級聯的595數量很多時，重新整理一次輸出是比較耗時的，可以考慮換一種組織方式，把一串595換成多組級聯，每一組第一個595的SER連線微控制器，所有595共用SRCLK和RCLK，可以有效減少級聯長度。這是用引腳數量換取速度，具體還是應該根據需求來權衡。
儘管595是微控制器學習中必不可少的部分，但是我非常不建議你在麵包板上搭建595電路，不是因為微控制器與595的連線麻煩，而在於驅動LED需要串聯電阻，並且每一個LED都需要獨立的電阻。而我非常貼心地在板載595的輸出和Ext Out引腳之間接了470Ω的電阻，可以簡化你的電路設計。
綜合實踐
那麼，有沒有辦法把動態掃描和595、165擴充套件組合起來使用呢？
我想你應該已經有大致思路了：595寫一個，165讀一組，這樣迴圈4次，就可以把16個按鍵都讀一遍。但是我們還有一個問題沒有解決：如何改造595，讓它能輸出低電平和高阻態？
首先我們得有個感覺，這是可以實現的，因為595輸出有兩個狀態——高電平和低電平，而我們現在需要的也是兩個狀態——低電平和高阻態，而不需要高電平輸出，所以應該想想辦法，加點東西把高電平改成高阻。
想出來了嗎？反正我不會。但是我知道兩種電路，能把高電平變成低電平，低電平變成高阻態：
Q1是一個NPN型的三極體，左邊的基極（B）串聯了電阻後作為輸入，下方的發射極（E）接地，上方的集電極（C）作為輸出。當輸入高電平時，有電流從基極流向發射極，三極體就允許有電流從集電極流向發射極，可以認為輸出低電平；當輸入低電平時，基極與發射極之間沒有電流，集電極與發射極之間也不能有電流，可以認為輸出高阻態。Q2是一個N溝道的MOS管，左邊的柵極（G）作為輸入，下方的源極（S）接地，上方的漏極（D）作為輸出。當輸入高電平時，漏極和源極之間出現導電溝道，並且電阻很小，輸出為低電平；當輸入低電平時，沒有導電溝道，輸出為高阻態。
關於三極體和MOS管這兩種有源器件，你最好參考一些其他資料，比如相關教科書。
這兩種輸出稱為開集輸出和開漏輸出，效果是差不多的。由於現在絕大部分IC都使用CMOS工藝，一般用的都是“開漏輸出”這個名字。如果微控制器要讀取一個開漏輸出的電平，必須接上拉電阻，就像矩陣鍵盤中的那樣，高阻態的輸出在有了上拉電阻之後會被讀成高電平。
其實為了講原理，我在NPN和NMOS中選一個講就可以了，但是不巧的是這兩種我們都要用——開發板上有兩個NPN三極體和兩個N溝道MOS管，剛好夠矩陣鍵盤的4行用。電路連線是：Ext Out的0到3號引腳接開發板右上方B和G，E和S接GND，C和D接矩陣鍵盤行引腳，Ext In的0到3號引腳接4個列引腳。開發板已經給165的輸入連線了上拉電阻。
#include <ee2/bit.h>
#include <ee2/exout.h>
#include <ee2/exin.h>
#include <ee2/uart.h>
#include <ee2/timer.h>
void timer()
{
static const char name[16] = {
'1', '2', '3', 'A',
'4', '5', '6', 'B',
'7', '8', '9', 'C',
'*', '0', '#', 'D',
};
static bool status[16] = {false};
static uint8_t phase = 0;
if (phase & 1)
{
uint8_t row = exin_read();
for (uint8_t i = 0; i != 4; ++i)
{
uint8_t index = (phase >> 1) * 4 + i;
bool cur = read_bit(row, i);
if (status[index] && !cur)
{
uart_print_char(name[index]);
uart_print_line();
}
status[index] = cur;
}
}
else
{
exout_write(1 << (phase >> 1));
}
if (++phase == 8)
phase = 0;
}
int main()
{
exout_init();
exin_init();
uart_init(UART_TX_64, 384);
timer_init();
timer_register(timer);
while (1)
;
}這個程式把按鍵掃描放到了中斷中進行。掃描分為8個階段，從0開始編號，偶數階段寫595，分別給4個行引腳對應的位中的一個寫1，其餘寫0，奇數階段讀165，根據列引腳對應位的值判斷按鍵是否按下。這樣做的好處是可以分散工作量，有效防止定時器中斷ISR執行時間超過中斷間隔，輕則定時不準確，重則棧溢位，程式跑飛。根據我的測試，一個看似微不足道的4*4矩陣鍵盤掃描，需要100us的時間，是定時器中斷間隔的10%。不難想象，對於更復雜的裝置，這個值可能超過100%，不把任務分散一下是不行的。
別忘了595和165都只用了4個埠哦！在這種擴充套件方式下，一片595和一片165可以連線64個按鍵，級聯的話可以還可以翻幾倍。一共需要佔用了多少微控制器引腳呢？595的SER和165的QH可以藉助一個電阻共用一個，595的SRCLK和165的CLK共用一個，595的RCLK和165的SH/LD也可以共用一個——總共3個，相當優秀。
本來我還想講用SPI匯流排驅動595和165，鑑於這一篇教程已經很長了，下一篇DAC也涉及SPI，這一部分就放到下一篇去吧。
作業
有時候程式會無緣無故判定出一次按鍵按下，特別是鬆開按鍵的時候，原因是微控制器讀取到的電平存在抖動。請你解決這個問題。
根據圖示習慣，我判斷74HC165邏輯圖中的D觸發器的
S和R引腳是非同步的、電平觸發的。請你寫程式來驗證這個事實。* 減少引腳數量的方法還有很多。有一種可以用一個ADC埠檢測多個按鍵的方法：
通過選擇合適的阻值，當按鍵的狀態組合（包括多個按鍵同時按下）不同時，ADC能讀到不同的電壓，從而實現按鍵狀態的檢測。請你實現這種方案。
* TM1638是一款LED與按鍵驅動晶片，有市售模組可用：
如果你的麵包板級設計需要數碼管和按鍵等資源的話，使用這個模組無疑是很方便的。請你在網際網路上搜索資料，學習使用這個模組。