第13章 GPIO输入—按键检测

本章参考资料：《STM32F76xxx参考手册》、库帮助文档《STM32F779xx_User_Manual.chm》。

按键检测使用到GPIO外设的基本输入功能，本章中不再赘述GPIO外设的概念，如您忘记了，可重读前面“GPIO框图剖析”小节，STM32 HAL库中GPIO初始化结构体GPIO_TypeDef的定义与“定义引脚模式的枚举类型”小节中讲解的相同。

13.1  硬件设计

按键机械触点断开、闭合时，由于触点的弹性作用，按键开关不会马上稳定接通或一下子断开，使用按键时会产生图 13-1中的带波纹信号，需要用软件消抖处理滤波，不方便输入检测。本实验板连接的按键带硬件消抖功能，见图 13-2，它利用电容充放电的延时，消除了波纹，从而简化软件的处理，软件只需要直接检测引脚的电平即可。

图 13-1 按键抖动说明图

图 13-2 按键原理图

从按键的原理图可知，这些按键在没有被按下的时候，GPIO引脚的输入状态为低电平(按键所在的电路不通，引脚接地)，当按键按下时，GPIO引脚的输入状态为高电平(按键所在的电路导通，引脚接到电源)。只要我们检测引脚的输入电平，即可判断按键是否被按下。

若您使用的实验板按键的连接方式或引脚不一样，只需根据我们的工程修改引脚即可，程序的控制原理相同。

12.2  软件设计

同LED的工程，为了使工程更加有条理，我们把按键相关的代码独立分开存储，方便以后移植。在“工程模板”之上新建“bsp_key.c”及“bsp_key.h”文件，这些文件也可根据您的喜好命名，这些文件不属于STM32 HAL库的内容，是由我们自己根据应用需要编写的。

12.2.1  编程要点

1. 使能GPIO端口时钟；

2. 初始化GPIO目标引脚为输入模式(引脚默认电平受按键电路影响，浮空/上拉/下拉均没有区别)；

3. 编写简单测试程序，检测按键的状态，实现按键控制LED灯。

12.2.2  代码分析

1. 按键引脚宏定义

同样，在编写按键驱动时，也要考虑更改硬件环境的情况。我们把按键检测引脚相关的宏定义到 “bsp_key.h”文件中，见代码清单 12-1。

代码清单 13-1 按键检测引脚相关的宏

 //引脚定义
  /*******************************************************/
  #define KEY1_PIN                  GPIO_Pin_0
  #define KEY1_GPIO_PORT            GPIOA
  #define KEY1_GPIO_CLK ()     __GPIOA_CLK_ENABLE() 

  #define KEY2_PIN                  GPIO_Pin_13
  #define KEY2_GPIO_PORT            GPIOC
  #define KEY2_GPIO_CLK()           __GPIOC_CLK_ENABLE()
 /*******************************************************/

以上代码根据按键的硬件连接，把检测按键输入的GPIO端口、GPIO引脚号以及GPIO端口时钟封装起来了。

2. 按键 GPIO初始化函数

利用上面的宏，编写按键的初始化函数，见代码清单 13-2。

代码清单 13-2 按键GPIO初始化函数

 /**
 2   * @brief  配置按键用到的I/O口
 3   * @param  无
 4   * @retval 无
 5   */
  void Key_GPIO_Config(void)
  {
      GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

     /*开启按键GPIO口的时钟*/
     KEY1_GPIO_CLK_ENABLE();
     KEY2_GPIO_CLK_ENABLE();
     /*选择按键的引脚*/
     GPIO_InitStructure.Pin = KEY1_PIN;

     /*设置引脚为输入模式*/
     GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_INPUT;

     /*设置引脚不上拉也不下拉*/
     GPIO_InitStructure.Pull = GPIO_NOPULL;

     /*使用上面的结构体初始化按键*/
     HAL_GPIO_Init(KEY2_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

     /*选择按键的引脚*/
     GPIO_InitStructure.Pin = KEY2_PIN;

     /*使用上面的结构体初始化按键*/
     HAL_GPIO_Init(KEY2_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

 }

同为GPIO的初始化函数，初始化的流程与“LED GPIO初始化函数”章节中的类似，主要区别是引脚的模式。函数执行流程如下：

(1) 使用GPIO_InitTypeDef定义GPIO初始化结构体变量，以便下面用于存储GPIO配置。

(2) 调用宏定义函数KEY1_GPIO_CLK_ENABLE()，KEY2_GPIO_CLK_ENABLE()来使能按键的GPIO端口时钟。

(3) 向GPIO初始化结构体赋值，把引脚初始化成浮空输入模式，其中的Pin使用宏“KEYx_PIN”来赋值，使函数的实现方便移植。由于引脚的默认电平受按键电路影响，所以设置成“浮空/上拉/下拉”模式均没有区别。

(4) 使用以上初始化结构体的配置，调用HAL_GPIO_Init函数向寄存器写入参数，完成GPIO的初始化，这里的GPIO端口使用“KEYx_GPIO_PORT”宏来赋值，也是为了程序移植方便。

(5) 使用同样的初始化结构体，只修改控制的引脚和端口，初始化其它按键检测时使用的GPIO引脚。

3. 检测按键的状态

初始化按键后，就可以通过检测对应引脚的电平来判断按键状态了，见代码清单 13-3。

代码清单 13-3 检测按键的状态

 /** 按键按下标置宏
 2 * 按键按下为高电平，设置 KEY_ON=1， KEY_OFF=0
 3 * 若按键按下为低电平，把宏设置成KEY_ON=0 ，KEY_OFF=1 即可
 4 */
  #define KEY_ON  1
  #define KEY_OFF 0

  /**
 9   * @brief   检测是否有按键按下
10   * @param  GPIOx:具体的端口, x可以是（A...K）
11   * @param  GPIO_PIN:具体的端口位， 可以是GPIO_PIN_x（x可以是0...15）
12   * @retval  按键的状态
13   *     @arg KEY_ON:按键按下
14   *     @arg KEY_OFF:按键没按下
15   */
 uint8_t Key_Scan(GPIO_TypeDef* GPIOx,uint16_t GPIO_Pin)
 {
     /*检测是否有按键按下 */
     if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOx,GPIO_Pin) == KEY_ON ) {
         /*等待按键释放 */
         while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOx,GPIO_Pin) == KEY_ON);
         return  KEY_ON;
     } else
         return KEY_OFF;
 }

在这里我们定义了一个Key_Scan函数用于扫描按键状态。GPIO引脚的输入电平可通过读取IDR寄存器对应的数据位来感知，而STM32 HAL库提供了库函数HAL_GPIO_ReadPin来获取位状态，该函数输入GPIO端口及引脚号，函数返回该引脚的电平状态，高电平返回1，低电平返回0。Key_Scan函数中以HAL_GPIO_ReadPin的返回值与自定义的宏“KEY_ON”对比，若检测到按键按下，则使用while循环持续检测按键状态，直到按键释放，按键释放后Key_Scan函数返回一个“KEY_ON”值；若没有检测到按键按下，则函数直接返回“KEY_OFF”。若按键的硬件没有做消抖处理，需要在这个Key_Scan函数中做软件滤波，防止波纹抖动引起误触发。

4. 主函数

接下来我们使用主函数编写按键检测流程，见代码清单 13-4。

代码清单 13-4 按键检测主函数

 /**
 2   * @brief  主函数
 3   * @param  无
 4   * @retval 无
 5   */
  int main(void)
  {
      /* 系统时钟初始化成216 MHz */
      SystemClock_Config();
     /* LED 端口初始化 */
     LED_GPIO_Config();

     /*初始化按键*/
     Key_GPIO_Config();

     /* 轮询按键状态，若按键按下则反转LED */
     while () {
         if ( Key_Scan(KEY1_GPIO_PORT,KEY1_PIN) == KEY_ON  ) {
             /*LED1反转*/
             LED1_TOGGLE;
         }

         if ( Key_Scan(KEY2_GPIO_PORT,KEY2_PIN) == KEY_ON  ) {
             /*LED2反转*/
             LED2_TOGGLE;
         }
     }
 }

代码中设置系统时钟为216MHz，初始化LED灯及按键后，在while函数里不断调用Key_Scan函数，并判断其返回值，若返回值表示按键按下，则反转LED灯的状态。

13.1.1  下载验证

把编译好的程序下载到开发板并复位，按下按键可以控制LED灯亮、灭状态。