【星云 Orbit-F4 开发板】基于STM32F407按键状态机的设计与实现

【星云 Orbit-F4 开发板】基于STM32F407按键状态机设计与实现

引言

在嵌入式系统中，按键触发是最常见的用户交互方式之一。除了基本的单个按键触发，许多应用场景需要检测多种按键事件，如单击、双击、长按和按住等。本文将详细介绍如何使用STM32F407的GPIO引脚实现多功能按键触发功能，包括单击、双击、长按和按住事件的检测。

硬件准备

在开始编程之前，确保您已经准备好以下硬件：

STM32F407开发板：板载STM32F407VGT6（Cortex-M4/168MHz）作为主控芯片。
按键模块：5个独立按键，用于测试不同按键事件。
连接线：用于连接按键和开发板。
限流电阻：若干个220Ω至330Ω的电阻，用于保护电路。

硬件连接

将按键连接到STM32F407的GPIO引脚：

按键1：连接到GPIOA的PA8引脚。
按键2：连接到GPIOB的PB15引脚。
按键3：连接到GPIOB的PB14引脚。
按键4：连接到GPIOB的PB13引脚。
按键5：连接到GPIOB的PB12引脚。

GPIO配置

在STM32F407中，GPIO引脚可以配置为多种模式，以适应不同的应用需求。以下是本教程中使用的GPIO配置：

按键引脚配置：
- 配置GPIOA的PA8、GPIOB的PB15、PB14、PB13和PB12引脚为上拉输入模式（GPIO_MODE_INPUT），并启用上拉电阻（GPIO_PULLUP）。

// 使能GPIOA和GPIOB时钟
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();// 配置GPIO引脚为上拉输入模式
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;// 配置PA8
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_8;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);// 配置PB15
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_15;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);// 配置PB14
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_14;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);// 配置PB13
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_13;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);// 配置PB12
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_12;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

按键扫描模块

为了实现多功能按键触发功能，我们需要对按键扫描模块进行详细设计。

`bsp_key.h` 文件

#ifndef __BSP_KEY_H
#define __BSP_KEY_H#include "stm32f4xx_hal.h"#define KEY_NUM_MAX         5     // 按键数量
#define SCAN_INTERVAL       5     // 扫描间隔（ms）typedef enum {KEY_EVT_NONE         = 0x00,  // 无事件KEY_EVT_PRESS        = 0x01,  // 按下事件KEY_EVT_RELEASE      = 0x02,  // 释放事件KEY_EVT_SINGLE_CLICK = 0x04,  // 单击事件KEY_EVT_DOUBLE_CLICK = 0x08,  // 双击事件KEY_EVT_LONG_PRESS   = 0x10,  // 长按事件KEY_EVT_HOLD         = 0x20   // 按住事件
} KeyEvent_Type;#define KEY_CODE(evt)     ((evt) & 0xFF)    // 获取按键代码
#define KEY_EVENT(evt)    ((evt) >> 8)      // 获取事件类型void KEY_GPIO_Init(void);         // 初始化GPIO
void Key_Scan(void);              // 扫描按键状态
uint16_t Key_GetEvent(void);      // 获取按键事件#endif /* __BSP_KEY_H */

`bsp_key.c` 文件

#include "bsp_key.h"// 按键映射表
typedef struct {GPIO_TypeDef *port;   // GPIO端口uint16_t pin;         // 引脚uint8_t id;           // 按键ID
} KeyGPIO_Def;static const KeyGPIO_Def KeyMap[KEY_NUM_MAX] = {{GPIOA, GPIO_PIN_8, 0},  // 按键1: PA8{GPIOB, GPIO_PIN_15, 1}, // 按键2: PB15{GPIOB, GPIO_PIN_14, 2}, // 按键3: PB14{GPIOB, GPIO_PIN_13, 3}, // 按键4: PB13{GPIOB, GPIO_PIN_12, 4}  // 按键5: PB12
};// 按键状态枚举
typedef enum {KEY_STATE_RELEASED,   // 释放状态KEY_STATE_DEBOUNCE,   // 去抖动状态KEY_STATE_PRESSED,    // 按下状态KEY_STATE_WAIT_RELEASE // 等待释放状态
} KeyState_Type;// 按键控制块
typedef struct {KeyState_Type state;      // 当前状态uint32_t pressStartTime; // 按下开始时间uint8_t clickCount;       // 点击次数
} Key_CB_Type;static Key_CB_Type Key_CB[KEY_NUM_MAX]; // 按键控制块数组
static uint16_t Key_EventReg = 0;      // 事件注册器
static uint32_t Key_TimeCount = 0;    // 时间计数器#define DEBOUNCE_TIME       (20 / SCAN_INTERVAL)    // 去抖动时间（20ms）
#define LONG_PRESS_TIME     (1000 / SCAN_INTERVAL) // 长按时间（1000ms）
#define HOLD_INTERVAL       (200 / SCAN_INTERVAL)   // 按住间隔（200ms）
#define DOUBLE_CLICK_TIME   (350 / SCAN_INTERVAL)  // 双击时间（350ms）void KEY_GPIO_Init(void) {GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;// 初始化所有按键for (uint8_t i = 0; i < KEY_NUM_MAX; i++) {GPIO_InitStruct.Pin = KeyMap[i].pin;HAL_GPIO_Init(KeyMap[i].port, &GPIO_InitStruct);}
}uint8_t ReadKeyState(uint8_t keyID) {return (HAL_GPIO_ReadPin(KeyMap[keyID].port, KeyMap[keyID].pin) == GPIO_PIN_RESET) ? 1 : 0;
}void Key_FSM_Handler(uint8_t keyID) {Key_CB_Type *cb = &Key_CB[keyID];uint8_t keyState = ReadKeyState(keyID);uint16_t event = 0;switch (cb->state) {case KEY_STATE_RELEASED:if (keyState) {cb->state = KEY_STATE_DEBOUNCE;cb->pressStartTime = Key_TimeCount;cb->clickCount = 0;}break;case KEY_STATE_DEBOUNCE:if ((Key_TimeCount - cb->pressStartTime) >= DEBOUNCE_TIME) {if (keyState) {cb->state = KEY_STATE_PRESSED;cb->clickCount++;event = (keyID << 8) | KEY_EVT_PRESS;} else {cb->state = KEY_STATE_RELEASED;}}break;case KEY_STATE_PRESSED:if (!keyState) {cb->state = KEY_STATE_WAIT_RELEASE;cb->pressStartTime = Key_TimeCount;event = (keyID << 8) | KEY_EVT_RELEASE;} else if ((Key_TimeCount - cb->pressStartTime) >= LONG_PRESS_TIME) {event = (keyID << 8) | KEY_EVT_LONG_PRESS;cb->pressStartTime = Key_TimeCount - HOLD_INTERVAL;}break;case KEY_STATE_WAIT_RELEASE:if ((Key_TimeCount - cb->pressStartTime) >= DOUBLE_CLICK_TIME) {event = (cb->clickCount >= 2) ? ((keyID << 8) | KEY_EVT_DOUBLE_CLICK) :((keyID << 8) | KEY_EVT_SINGLE_CLICK);cb->state = KEY_STATE_RELEASED;cb->clickCount = 0;} else if (keyState) {cb->state = KEY_STATE_DEBOUNCE;cb->pressStartTime = Key_TimeCount;cb->clickCount = (cb->clickCount < 2) ? cb->clickCount + 1 : 2;}break;}if (event) {Key_EventReg = event;}
}void Key_Scan(void) {static uint32_t lastScanTime = 0;Key_TimeCount++;if ((Key_TimeCount - lastScanTime) < SCAN_INTERVAL) {return;}lastScanTime = Key_TimeCount;for (uint8_t i = 0; i < KEY_NUM_MAX; i++) {Key_FSM_Handler(i);}
}uint16_t Key_GetEvent(void) {uint16_t temp = Key_EventReg;Key_EventReg = 0;return temp;
}

按键扫描详细过程

按键状态机

按键扫描的核心是状态机，用于处理按键的不同状态和事件。状态机的状态转换如下：

KEY_STATE_RELEASED（释放状态）：
- 按键处于释放状态，等待按下。
- 如果按键被按下，状态转换为KEY_STATE_DEBOUNCE，并记录按下开始时间。
KEY_STATE_DEBOUNCE（去抖动状态）：
- 等待去抖动时间（DEBOUNCE_TIME），确保按键按下是有效的。
- 如果按键保持按下，状态转换为KEY_STATE_PRESSED，触发KEY_EVT_PRESS事件。
- 如果按键释放，状态返回为KEY_STATE_RELEASED。
KEY_STATE_PRESSED（按下状态）：
- 按键处于按下状态，等待释放或长按检测。
- 如果按键释放，状态转换为KEY_STATE_WAIT_RELEASE，触发KEY_EVT_RELEASE事件。
- 如果按键长按时间超过LONG_PRESS_TIME，触发KEY_EVT_LONG_PRESS事件。
KEY_STATE_WAIT_RELEASE（等待释放状态）：
- 等待双击时间（DOUBLE_CLICK_TIME），检测是否为双击事件。
- 如果按键再次被按下，状态转换为KEY_STATE_DEBOUNCE，并增加点击次数。
- 如果按键保持释放，状态返回为KEY_STATE_RELEASED，并根据点击次数触发KEY_EVT_SINGLE_CLICK或KEY_EVT_DOUBLE_CLICK事件。

事件处理

在Key_FSM_Handler函数中，根据按键的状态和时间计数，触发相应的事件：

单击事件：当按键在DEBOUNCE_TIME内被按下并释放。
双击事件：当按键在DOUBLE_CLICK_TIME内被按下两次。
长按事件：当按键按下时间超过LONG_PRESS_TIME。
按住事件：当按键在HOLD_INTERVAL内持续按下。

时间管理

Key_TimeCount用于记录系统运行时间，按键扫描间隔由SCAN_INTERVAL控制。通过比较时间差，实现去抖动、长按和双击检测。

主程序实现

在主程序中，我们需要初始化按键并在主循环中扫描按键状态，处理检测到的事件。

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "bsp_key.h"int main(void) {HAL_Init();SystemClock_Config();KEY_GPIO_Init();while (1) {Key_Scan();uint16_t event = Key_GetEvent();if (event != KEY_EVT_NONE) {uint8_t key_id = KEY_CODE(event);KeyEvent_Type evt_type = KEY_EVENT(event);switch (evt_type) {case KEY_EVT_SINGLE_CLICK:// 处理单击事件break;case KEY_EVT_DOUBLE_CLICK:// 处理双击事件break;case KEY_EVT_LONG_PRESS:// 处理长按事件break;case KEY_EVT_RELEASE:// 处理释放事件break;default:break;}}}
}

测试与验证

编译与下载：
- 将代码编译并下载到STM32F407开发板中。
观察按键状态：
- 连接好硬件后，按下按键，观察是否能够正确检测到单击、双击、长按和按住等事件。
验证多功能触发：
- 测试单击、双击、长按和按住等功能，确保每种事件能够正确触发相应的处理逻辑。

总结

通过本教程，您已经掌握了如何使用STM32F407的GPIO引脚实现多功能按键触发功能，包括单击、双击、长按和按住事件的检测。这种设计不仅提高了用户交互的灵活性，也为后续的项目扩展奠定了良好的基础。希望本教程对您有所帮助，祝您在嵌入式开发的道路上取得更大的成功！