6.4 STM32F107VCT独立按键功能深入剖析(神舟IV号)

6.4 独立按键 (2)

6.1.1 按键的分类 (2)

6.1.2 按键属性 (2)

6.1.3 STM32的位带操作 (3)

6.1.4 例程01 STM32芯片按键点灯（无防抖） (8)

6.1.5 例程02 STM32芯片按键点灯-增加了防抖的代码 (12)

6.4 独立按键

6.1.1按键的分类

目前，按键有多种形式。有机械接触式，电容式，轻触式等。

1.按制作工艺分：

硬板按键：带弹簧的按键焊接在印刷电路板上

软板键盘：以导电橡胶作为接触材料放在以聚脂薄膜作为基底的印刷电路上所形成的按键。

2.按工艺原理分：

可以将键盘分为编码键盘和非编码键盘，编码键盘的键盘电路内包含有硬件编码器，当按下某—个键后，键盘电路能直接提供与该键相对应的编码信息，例如ASCII码。非编码键盘的键盘电路中只有较简单的硬件，采用软件来识别按下键的位置，并提供与按下键相对应的中间代码送主机，然后由软件将中间代码转换成相应的字符编码，例如ASCII码；非编码键盘主要靠软件编程来识别的，在单片机组成的各种系统中，用的较多的是非编码键盘。非编码键盘又分为独立键盘和行列式（又称矩阵式）键盘。

6.1.2按键属性

键盘实际上就是一组按键，在单片机外围电路中，通常用到的按键都是机械弹性开关，当开关闭合时，线路导通，开关断开时，线路断开，下图是几种单片机系统常见的按键：

弹性小按键被按下时闭合，松手后自动断开；自锁式按键按下时闭合且会自动锁住，只有再次按下时才弹起断开。

单片机的外围输入控制用小弹性按键较好，单片机检测按键的原理是：单片机的I/O口既可作为输出也可作为输入使用，当检测按键时用的是它的输入功能，我们把按键的一端接地，另一端与单片机的某个I/O口相连，开始时先给该I/O口赋一高电平，然后让单片机不断地检测该I/O口是否变为低电平，当按键闭合时，即相当于该I/O口通过按键与地相连，变成低电平，程序一旦检测到I／O口变为低电平则说明按键被按下，然后执行相应的指令。

从上图可看出，理想波形与实际波形之间是有区别的，为什么呢？因为实际波形在按下和释放的瞬间会有抖动现象出现，这是因为通常的按键所用开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，抖动时间的长短和按键的机械特性有关，一般为5～l0ms。为了不产生这种现象而作的措施就是按键消抖。通常我们手动按下键然后立即释放，这个动作中稳定闭合的时间超过20ms。因此单片机在检测键盘是否按下时都要加上去抖动操作。

消抖是为了避免在按键按下或是抬起时电平剧烈抖动带来的影响。按键的消抖，可用硬件或软件两种方法，硬件的去抖主要是用专用的去抖动电路，也有专用的去抖动芯片；另外一种方式就是用软件延时的方法就能很容易解决抖动问题，而没有必要再添加多余的硬件电路。所以软件消抖适合按键比较多的情况，而硬件消抖适合按键比较少的情况。

如果按键较多，就用软件方法去抖，即检测出键闭合后执行一个延时程序，5ms～10ms 的延时，让前沿抖动消失后再一次检测键的状态，如果仍保持闭合状态电平，则确认为真正有键按下。当检测到按键释放后，也要给5ms～10ms的延时，待后沿抖动消失后才能转入该键的处理程序，这样就靠软件模拟整个按键的过程，控制只取最稳定的那个按键状态。

实现方法：一般来说，软件消抖的方法是不断检测按键值，直到按键值稳定。假设检测到按键按下之后，为了避免检测到很多的抖动，可以先延时5ms～10ms，再次检测，如果按键还被检测按下，那么就认为有一次按键输入（因为如果不避开抖动的话，会有很多次按键输入信号出现，通过去抖，模拟人的按下的过程和时间，按下和松开按键实际也占用了20ms以上的时间，记录正确的按键次数。

6.1.3STM32的位带操作

1.什么是位带操作

还记得51单片机吗？单片机51中也有位的操作，以一位（BIT）为数据对象的操作；例如51单片机可以简单的将P1端口的第2位独立操作，P1.2=0或者P1.2=1，就是这样把

P1口的第三个脚（bit2）置0（输出低电平）或者置1（输出高电平）。

而现在STM32的位段、位带别名区这些就是为了实现这样的功能，可以在SRAM、I/O 外设空间实现对这些区域的某一位的单独直接操作。

2.为什么要用位带操作？

那么51单片机中间不是有位的操作吗，而STM32为什么要提出位带的操作呢？首先，这里不得不提一个事情就是STM32的内部区域访问只能是32位的字，不能是字节或者半字，这部分STM32在神舟开发板手册的GPIO章节中提到过；而51单片机里一个bit（一个字节等于8个bit，一个字是32个bit）。这个是STM32的特点决定的，所以STM32使用一种新型的方式来解决这个问题，设计一个办法来解决用一次访问32bit的这样的操作达到51单片机那种只访问一个bit的效果。

3.如何设计和实现位带操作的？

从编程者这个角度来说，我们操作的对象是一个一个的bit位，而对于STM32来说，它内内部只能是32位bit每次的访问。如果要实现这个技术，必须要做一个映射，也就是从1个bit映射到32个bit，就是用STM32内部的一次访问（32个bit）来代表编程者认为的1个bit。

那STM32内部是如何解决的呢？它是在支持位带操作的地方，取个别名区空间，而这个别名区空间可以让一次32位来进行访问，对这个别名进行操作就相当于对SRAM或者I/O 存储空间中的位（1个寄存器里的位就是1个bit，1个bit最后对应别名区空间的32个位，因为STM32芯片内部只能是32位去访问）进行操作。

这样呢，1MB SRAM就可以32M个对应别名区空间，就是1位膨胀到32位（1bit 变为1个字）；我们对这个别名区空间开始的某一字操作，置0或置1，就等于它映射的SRAM 或I/O相应的某地址的某一位的操作。

4.STM32中位带操作的具体部署情况是

支持位带操作的两个内存区的范围是：

序号支持位带操作的两个内存区的范围对应的别名区空间范围

1 SRAM区中的最低1MB：

0x2000_0000-0x200F_FFFF SRAM所对应的别名区32MB空间：0x2200_0000-0x23FF_FFFF

2 片上外设区中的最低1MB：

0x4000_0000-0x400F_FFFF 片上外社区所对应的别名区32MB空间：0x4200_0000-0x43FF_FFFF

下面是内部空间映射图：

例如：SRAM区中的最低1MB空间中的0x2000_0000的8个bit，分别对应如下：地址对应的bit位别名空间 Bit对应的别名空间

0x2000_00000

Bit1 0x2200_0000

跨度一个字 = 4个字节 = 32个bit Bit2 0x2200_0004

跨度一个字 = 4个字节 = 32个bit Bit3 0x2200_0008

跨度一个字 = 4个字节 = 32个bit Bit4 0x2200_000C

跨度一个字 = 4个字节 = 32个bit Bit5 0x2200_0010

跨度一个字 = 4个字节 = 32个bit

跨度一个字 = 4个字节 = 32个bit Bit6 0x2200_0014

Bit7 0x2200_0018

跨度一个字 = 4个字节 = 32个bit Bit8 0x2200_001C

跨度一个字 = 4个字节 = 32个bit 可以看到上表和上图，0x2000_0000中的一个bit位对应了别名区的一个32位的字，也就是说STM32芯片的内部寄存器的任意一个位，都其实对应的是别名区的32个位。

5.如何用代码与位带操作挂钩

在STM32中，一个寄存器是32位的，32个bit中的任意其中一个bit所对应的别名空间到底该如何访问呢？首先分为两种情况，一种是在SRAM，一种是在FLASH中，两个别名空间的起地位置是不同的，SRAM是从0x2200_0000开始，而FLASH是从0x4200_0000开始。

假如在SRAM中的一个寄存器的地址是A，访问寄存器A中的第n个bit位。那么该如何计算呢？我们知道SRAM中别名区的起始地址是0x2200_0000对应SRAM中实际寄存器地址0x2000_0000，SRAM中每1个bit，都会对应别名区中的32个bit，那么实际地址的公式应该如下：

0x2200_0000 + （SRAM实际寄存器地址偏移0x2000_0000的bit数）* 4

因为0x2200_0000这个地址每增加1，实际上就是增加8个bit（一个地址对应一个字节），实际寄存器中的1个bit对应32个bit，所以就乘以4，地址本身增加1

是8bit，8bit乘以4倍刚好是32bit。

那么接下来” SRAM实际寄存器地址偏移0x2000_0000的bit数”该如何计算呢？对，用寄存器的地址减去这个基地址，然后在乘以8（因为一个地址对应8个bit），所以就可以得到以下的公式：

（A‐0x20000000)*8

以上这个公式可以知道实际寄存器离基地址有多少个bit的距离，访问该寄存器的第n个bit位还必须加上一个n,就变成以下的公式：

（A‐0x20000000)*8+n

好了，最后整理整个换算公式如下，FLASH与SRAM的原理都是想通的：SRAM :0x22000000 +((A‐0x20000000)*8+n)*4

FLASH :0x42000000 +((A‐0x40000000)*8+n)*4

6.举例说明：

比如我要访问如下寄存器GPIOB_BSRR中的第12bit位BS13，注意因为寄存器内部是从0开始计数到31截止，所以第12bit相当于是第13。

可以从下图看到，GPIO端口D的起始地址是x04001_1400，GPIOD_BSRR寄存器的偏移地址是0x10，访问的第12bit位的BS13。

那么通过公式：

FLASH :0x42000000 +((A‐0x40000000)*8+n)*4

换算0x4200_0000 + ((0x40011400-0x40000000)*8 + 12)*4 = 实际地址

在这里我们就不具体计算了,SRAM访问也是同理

7.如何将理念转化成代码：

由上面几节得出，SRAM和FLASH中别名区的寻址公式如下：

SRAM :0x22000000 +((A‐0x20000000)*8+n)*4

FLASH :0x42000000 +((A‐0x40000000)*8+n)*4

可以看到0x2200_0000和0x4200_0000都共同有个x200_0000这个数值；乘以8相当于再加上外面的那个乘以4，总共是乘以32，而n是乘以4；乘以32相当于是数值向左移5位，乘以4相当于向左边移2位。

尝试将如下公式化成

#define BITBAND(addr，bitnum)

((addr & 0xF0000000)+0x2000000+((addr &0xFFFFF)<<5)+(bitnum<<2))

这样就可以用BITBAND(addr，bitnum)来表示寄存器里的任何一个bit位，大概原理讲到这里，具体使用方法通过例程来体现。

6.1.4例程01 STM32芯片按键点灯（无防抖）

1.示例简介

通过连上PC4管脚的按键，学会如何从PC4管脚读入一个输入，如何配置GPIO 口成输入状态；当PC4获取到输入的数据，STM32对LED灯的状态进行取反。按键KEY1是一端连接了GND，一端连接了PC4管脚；当按键按下时，PC4管脚的电平值被拉低，相关电路图如下图所示：

2．调试说明：

按下PC4管脚所连的按键（按钮1），每按一次，LED灯会由亮变灭，或者又灭变亮，因为没有防抖代码（下个例程会增加），会发现，有时候按下去，灯会亮灭好几次。

3．关键代码：

int main(void) //main是程序入口

{

unsigned int key_up =1;

RCC_init(); //初始化配置时钟频率为72MHZ

LED_init(); //LED初始化配置

Key_init(); //初始化控制按键的PC4端口

while

(1)

{

if(key_up)

LEDON; //

开灯

else

LEDOFF; // 关灯

0)

If

==

KEY1

(

=

!key_up;

key_up

}

}

STM32芯片的GPIO管脚要采集到按键按下，那么它需要被配置成输入模式，之前有讨论GPIO管脚的几种模式，我们接下来还是复习一下，我们看看端口低配置寄存器CRL 的描述，如下图所示：

该寄存器的复位值为0X4444 4444（4化成二进制为0100），从上图可以看到，复位值

其实就是配置端口为浮空输入模式。从上图还可以得出：STM32的CRL控制着每个IO端口（A~G）的低8位的模式。每个IO端口的位占用CRL的4个位，高两位为CNF，低两位为MODE。这里我们可以记住几个常用的配置，比如0X0表示模拟输入模式（ADC用）、0X3表示推挽输出模式（做输出口用，50M速率）、0X8表示上/下拉输入模式（做输入口用）、0XB表示复用输出（使用IO口的第二功能）。

STM32的IO口位配置表如下表：

可以看到CNFX是上面CRL寄存器里的配置位，这里配置位的不同，就会产生不同的GPIO管脚模式。

STM32输出模式配置如下表：

这里CRL寄存器的MODE配置位的选项，不同的配置就会产生不同的速率。

CRH的作用和CRL完全一样，只是CRL控制的是低8位输出口，而CRH控制的是高8位输出口，大家可以自己看STM32手册，我们在这里CRH就不做详细介绍了。

首先看下代码：RCC_init();这里实现的是初始化配置时钟频率为72MHZ，之前的时钟章节已经将过了，具体细节可以看上一章的内容，有详细的介绍。

下面看下连接按键的GPIO管脚的具体设置，这个函数里有3句代码：

void Key_init()

{

RCC->APB2ENR |= RCC_APB2Periph_GPIOA; //使能PORTA时钟

GPIOA->CRL &= 0XFFFFFFF0;

GPIOA->CRL |= 0X00000008; //PA0设置成输入,PA0在按键原理图默认被上拉的}

RCC->APB2ENR |= RCC_APB2Periph_GPIOC首先使能PORTC的时钟，接下来开始使用PC4管脚，所以要先初始化PC端口的时钟，才可以使用，下面看下原理图：

可以看到PC4默认是被上拉到3.3V高电平的，GPIOC->CRL &= 0XFFF0FFFF;这句代码是将PC4的GPIO_CRL寄存器的16到19位清0，然后GPIOC->CRL |= 0X00080000这句话是将GPIO_CRL寄存器的16到19位赋值0x8，化成二进制就是1000，通过查表：

可以知道将GPIOC_CRL寄存器的PC4管脚配置成1000，即上拉/下拉输入模式，配置

好PC4管脚之后，如何才能知道按键按下呢？这时就需要时刻查看和监听PC4管脚是否有电平的变化，那就要知道PC4的管脚的电平值，而且还要不停的去检测它是否有变化，因为我们希望当按键按下的时候，我们能以最快的反映速度获取到这一动作。

在代码里，我们使用if ( KEY1==0 )来判断按键是否按下了，KEY1就是PC4，如果按键按下，从原理图可以知道PC40被拉到GND变成低电平，这样PC4就等于0即KEY1等于0。

那么KEY1如何反映到PC4的值的呢？接下来继续分析代码：

（1）#define BITBAND(addr, bitnum)

((addr & 0xF0000000)+0x2000000+((addr &0xFFFFF)<<5)+(bitnum<<2))

（2）#define MEM_ADDR(addr) *((volatile unsigned long *)(addr))

（3）#define BIT_ADDR(addr, bitnum) MEM_ADDR(BITBAND(addr, bitnum)) （4）#define PAin(n) BIT_ADDR(GPIOC_IDR_Addr,n)

（5）#define KEY1 PCin(4)

代码（1)：上面有讲解，这个BITBAND(addr,bitnum)最后得出的是某寄存器里的某个bit位所映射的别名区的地址。

代码（2)：unsigned long *表示强制把这个地址变成一个32位的长的地址的指针，或者说是一个指针，指向32位的一个地址；然后*((volatile unsigned long *)(addr))这个表示这个地址，长达32位bit的值，通过MEM_ADDR(addr) 把从addr地址开始的连续32个bit里的值给取出来。

代码（3)：BIT_ADDR(addr, bitnum)表示某寄存器的地址，对应的某bit位所对应的别名区的空间的值，也就是说取出某寄存器的某bit位的值

代码（4)：把PC的某个管脚，与BIT_ADDR进行绑定关联

代码（5)：把KEY1设置成PC4，使得KEY1能取到GPIOC_IDR寄存器里第4位也就是PC4的值

这样，这个例程的关键是是否取到了PC4的值，取到了值之后，再进行相关的操作，这个是大家可以自己定义的，在这个例程中，按一下按键，我们就将LED灯取反，原来是亮的就变成灭的，原来是灭的就变成亮的。

6.1.5例程02 STM32芯片按键点灯-增加了防抖的代码

1.示例简介：

其他都与上个例程相同，唯一不同的就是增加了防抖代码，在这里是用软件防抖

2.调试说明：

按下PC4管脚所连的按键（按钮1），每按一次，LED灯会由亮变灭，或者又灭变亮，因为增加了防抖代码，基本上可以做到按一次，就采集到一次数据，灯由亮变灭或者又灭变亮，非常的稳定。

3.关键代码：

原理图还是同上个例程一样：

int main(void) //main是程序入口

{

unsigned int key_up =1;

RCC_init(); //初始化配置时钟频率为72MHZ

LED_init(); //LED初始化配置

Key_init(); //初始化控制按键的PA0端口

while (1)

{

Delay(0xfffff); // 增加了防抖功能，如果你按下按键的时候会有抖动

if(key_up)

LEDON; // 开灯

else

LEDOFF; // 关灯

if(KEY0==0)

key_up = !key_up; //取反

}

}

代码Delay(0xfffff)就是我们增加的防抖功能，如果你按下按键的时候会有抖动，我们增加一定时间的时间再来判断按键是否按下来，这样在一定程度上可以起到消抖的作用，但是这里还有一个BUG就是如果长时间按着按键不动，while循环里面就会运行多次灯点亮程序，如果是计数器的话，这个就不准了，按一次键，就计算了许多次数，大家可以尝试一下

如何去解决这个问题，按一次键就只亮一次，无论一次按多长时间。