按键板的原理与实现 系列3---扩展GPIO

    在系统可用的GPIO口数量有限的情况下实现按键板的另一个选择就是:扩展GPIO口。扩展GPIO的方法有很多,市场上已经有很多种类的GPIO口扩展器件,但是从成本上考虑,但它们总是显得昂贵。对于按键板的实现,使用基于一个移位寄存器的方法,因其低成本、方便稳定性而被广泛使用,这里我们将讨论一个基于74LS164的典型扩展IO实现按键板的方法。

1:硬件原理

    嵌入式开发工程师必须要能看懂HW,要看懂电路,只有懂了电路是如何工作的,才可能编写出正确的控制程序。所以,我们首先看一下74LS164(8bit移位锁存寄存器)的工作原理。我们先给出使用74LS164实现按键板的原理图,并针对这个原理图做必要的分析解释。

按键板的原理与实现 系列3---扩展GPIO_第1张图片

    对于74LS164,除了供电之外,有两个单向输入端口A、B,一个CLK,一个CLR和8个单向输出口Q0-Q7。我们关心的只是:特定的输入会得到怎样的输出,就是我们应该给GPIO_1 & GPIO_2什么样的信号,可以得到我们想要的输出。74LS164的输入输出状态见下表

按键板的原理与实现 系列3---扩展GPIO_第2张图片    也就是说:实际输入时“A&B”,假定某一时刻A&B=1(高电平)Q0=0,在CLK的上升沿后Q0=1(原A&B的状态) Q1=0(原Q0的状态),就是向后移了一位。实际上可以认为:A&B->Q0->Q1->…->Q7,在CLK的每个上升沿,都会顺序的向后移动一位。如果CLK信号一直为低电平,那么Q0-Q7就会之一保持其当前的状态。这也就是所谓的移位锁存寄存器。

    根据74LS164的原理,分析一下我们的原理图:

1:给GPIO_1(Input A & B)高电平,再给GPIO_2(CLK)送上8个脉冲信号,那么Q0-Q7均为高电平状态。

2:给GPIO_1低电平,接着给GPIO_2一个脉冲信号,则Q0为低电平,Q1-Q7为高电平;此时读取GPIO_3(KS_DET0),若为低电平,则表明KEY_0被按下,若为高电平,则表示KEY_0没有动作。同理,读取GPIO_4(KS_DET1)的状态,可以判断KEY_8的状态。

3:给GPIO_1高电平,然后给GPIO_2一个脉冲信号,则Q0为高,Q1为低,Q2-Q7为高,可以判定KEY_1 & KEY_9的状态

4:此后只需要每次给GPIO_2一个脉冲信号,就可以依次判断其他按键了。

2:软件实现

    基于上面的分析,我们已经很清楚按键判定的原理,知道该如何控制74LS164来实现按键侦测。在开始软件编程之前,一定要搞清楚我们这种实现的每一个步骤,才能确保写出正确的代码。下面是我的一个实现:

按键板的原理与实现 系列3---扩展GPIO_第3张图片 

    上述代码提供了一个判断与74LS164输出端相连的开关量信号状态的标准函数,对侦测按键的函数就显得很简短了。注意到Key_Scan()函数的实现,优先判断无按键动作的情况,因为现实中的按键板在99%的情况下是无按键动作的,这样就显著提高了代码效率。优秀的程序员在写代码的时候,不仅仅会单独从语言特性方面来提高代码执行效率,还很懂得根据项目的特性来提升性能。

3:讨论与总结

1:使用74LS164的扩展,从严格意义上讲,它并不能称作扩展GPIO,但在我们的实现中,它替代了GPIO的作用。例子中的实现使用4个GPIO实现了16个按键。理论上推理下去,N个GPIO可以实现(N-2)*8个按键。

2:按键动作,其实就是一个开关量。只要是涉及对开关量的侦测,我们的实现都可以应用。而编程上只需要简单的封装,就可以想其他IO一样,对其进行侦测

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