基于状态机的按键程序

    基于状态机的按键程序

     一般的按键输入软件接口程序非常简单，在程序中一旦检测到按键输入口为低电平（有时可能为高），便采用软件延时的方法来进行消抖，然后再次检测按键输入，如果再次确认为低电平则表示有按键按下，转入执行按键处理程序。如果延时后检测的电平为高电平则放弃本次按键检测，重新开始一次按键检测过程。在简单的系统中这种方法比较可以用，但是在复杂的系统实时性要求较高的系统中这种方法的CPU利用率比较低，造成资源的浪费。另外，由于在不同的产品系统中对按键功能的定义和使用方式也会不同，而且是多变的，加上在测试和按键处理的同时，MCU还要同时处理其他的任务（如显示、计算、计时等），因此编写键盘和按键接口的处理程序需要掌握有效的分析方法，具备较高的软件设计能力和程序编写的技巧。而采用状态机的方法是一种比较好的方法。

    何为状态机

    关于状态机的一个极度确切的描述是它是一个有向图形，由一组节点和一组相应的转移函数组成，状态机通过响应一系列事件而“运行”。每个事件都在属于“当前”节点的转移函数的控制范围内，其中函数的范围是节点的一个子集。函数返回“下一个”（也许是同一个）节点。这些节点中至少有一个必须是终态。当到达终态，状态机停止。

    状态机是一种概念性机器，它能采取某种操作来响应一个外部事件。具体采取的操作不仅能取决于接收到的事件，还能取决于各个事件的相对发生顺序。之所以能做到这一点，是因为机器能跟踪一个内部状态，它会在收到事件后进行更新。为一个事件而响应的行动不仅取决于事件本身，还取决于机器的内部状态。另外，采取 的行动还会决定并更新机器的状态。这样一来，任何逻辑都可建模成一系列事件/状态组合。

    状态机是软件编程中的一个重要概念。比如在一个按键命令解析程序中，就可以看做状态机，其过程如下：本来在A状态下，触发一个按键后切换到B，再触发另一个键后就切换到C状态，或者返回A状态。这是最简单的例子。其他的很多的程序都可以当做状态机来处理。

    状态机可归纳为4个要素，即现态、条件、动作、次态。这样的归纳，主要是出于对状态机内在因果关系的考虑。“现态”和“条件”是因，“动作”和“次态”是果。详细如下：

    现态：是指当前所处的状态。

    条件：又称为“事件”。当一个条件满足，将会触发一个动作，或者执行一次状态的迁移。

    动作：条件满足后执行动作。动作执行完毕后，可以迁移到新的状态，也可以仍旧保持原状态。动作不是必需的，当条件满足后，也可以不执行任何动作，直接迁移到新状态。

    次态：条件满足后要迁往的新状态。“次态”是相对于“现态”而言的，“次态”一旦被激活，就转变为新的“现态”了。

    按键的状态机实现

    一个按键从键按下到松开的过程如下如所示。从图中可以看出，按键的按下和松开的过程都有抖动的干扰问题，因此要将它们消除。


    可将将按键抽象为4个状态：

（1）    未按下，假定为S0

（2）    确认有键按下，假定为S1

（3）    键稳定按下状态，假定为S2

（4）    键释放状态，假定为S3。

（有时也可以抽象为3个状态S0，S1，S3）。

    在一个系统中按键的操作是随机的，因此系统软件中要对按键进行循环查询。在按键检测过程中需要进行消抖处理，消抖的延时处理一般要10ms或20ms，因此取状态机的时间序列为10或20ms，这样不仅可以跳过按键消抖的影响，同事也远小于按键0.3-0.5S的稳定闭合其，不会将按键过程丢失。

    假定键按下时端口电平为0，未按下时为1（或者相反）。通过状态机实现按键检测的过程如下：

    首先，按键的初始态为S0，当检测到输入为1时，表示没有键按下，保持S0。当按键输入为0时，则有键按下，转入状态S1。

    在S1状态时，如果输入的信号为1，则表示刚才的按键操作为干扰，则状态跳转到S0；如果输入信号为0，则表示确实有键按下，此时可以读取键状态，产生相应的按键标志或者将该事件存入消息队列。同时状态机切换到S2状态。

    在S2状态，如果输入信号为1，则没有键按下，切换到S3；如果输入信号为0，则保持S2状态，并进行计数。如果计数值超过一定的门限值，则可以认为该按键为长按键事件或者键一直按下状态，如果未超过门限值，则认为是短按键事件，保持S2状态。

    在S3状态，如果输入信号为高电平，则切换到S0.

    上面就是采用状态机进行按键检测的过程。简单程序如下：    

 enum key_states_e{      KEY_S1,      KEY_S2,      KEY_S3,      KEY_S4  };  void key_scan(void)  {      static enum key_states_e key_state=KEY_S1;      static int press=0;        switch(key_state)      {          case KEY_S1:              if(GPIO_ReadInputDataBit(g_keys[0].port, g_keys[0].gpio)==1)              {                key_state = KEY_S2;              }              else                  key_state = KEY_S1;              break;            case KEY_S2:              if(GPIO_ReadInputDataBit(g_keys[0].port, g_keys[0].gpio)==1){                  key_state = KEY_S3;                  trace_notice(MID_KEY,"press\r\n");//相应的键操作处理程序               }else                  key_state = KEY_S1;                break;            case KEY_S3:              if(GPIO_ReadInputDataBit(g_keys[0].port, g_keys[0].gpio)==1){                  key_state = KEY_S3;                  press++;                  if(press>20){                      trace_notice(MID_KEY,"press2\r\n");//相应的计数操作，判断长短按键                   }              }              else                  key_state = KEY_S4;                break;            case KEY_S4:              if(GPIO_ReadInputDataBit(g_keys[0].port, g_keys[0].gpio)==1){                  key_state = KEY_S1;                  press = 0;              }              break;            default:              key_state = KEY_S1;              press = 0;              break;      }} 

       在定时器中，定时10ms，定时到后在中断服务程序中调用上述函数，每次执行的间隔10ms，可以有效的消除消抖，提高CPU的利用率。

     同时可以将状态机应用于其他的程序中，一个串行通信的时序（不管它是遵循何种协议，标准串口也好、I2C也好；也不管它是有线的、还是红外的、无线的）也都可以看做由一系列有限的状态构成。显示扫描程序也是状态机；通信命令解析程序也是状态机；甚至连继电器的吸合/释放控制、发光管（LED）的亮/灭控制又何尝不是个状态机。