基于状态机和面向对象的思想设计按键检测模块

物理按键，在很多嵌入式产品里面应用得非常广泛，很多嵌入式软件工程师在刚刚开始入门的时候，点完灯之后就开始学习按键输入检测。按键输入可以说是继点灯之后，又一经典的嵌入式入门必学内容之一。 在很多嵌入式入门学习的教程里面，按键原理普遍被认为是“很简单”的知识点之一，按键输入检测的原理，无非就是通过CPU不断扫描按键引脚的电平状态，或者采用单片机引脚外部中断方式，然后在死循环或者中断服务程序里面处理按键被按下后的逻辑。 然而，在这个“很简单的高低电平检测”的原理背后，通过产品经理给物理按键各个动作赋予的（难以理解的）意义，一个小小的物理按键开始变得复杂起来，这些动作包括：按下、抬起、单击、双击、点动、长按、组合按键。。。等等。 以上这些复杂的按键动作，已经不是一个“简单的高低电平检测”所能描述清楚的了，成熟的单片机按键检测模块，必须能很好地处理以上按键动作，并且具有很高的内聚度，与单片机的底层引脚尽量低耦合，且能提供灵活的应用层调用接口。 采用嵌入式 C 语言面向对象的思想，通过状态机和回调函数的方式，我们来编写一个通用的按键检测模块，以更好地覆盖单片机的物理按键应用场合。

以下是物理按键模块的设计过程。

1、这个通用的物理按键模块，主要是由4个源代码文件组成，key_driver.c和key_driver.h主要是驱动层接口，主要面向不同的单片机引脚适配。key_module.c和key_module.h主要是面向应用层接口，与芯片硬件引脚无关。

2、key_driver.c 和 key_driver.h主要是用来适配不同的单片机GPIO外设的，在key_driver.h里面，声明了一个key_driver_t类型的结构体，主要提供GPIO引脚初始化接口以及引脚电平读取接口，如下图所示。

3、在key_driver.c里面，主要是对初始化接口和引脚电平读取接口的具体实现，比如，引脚初始化接口_init()函数和电平读取接口_read_pin_state()，其具体实现如下图所示。

4、在key_driver.c里面，定义了一个key_driver结构体变量，记住这个变量，很重要，后面会被key_module进行调用，key_driver的具体内容如下图所示。

5、在key_module.h里面，主要是声明了两个重要的结构体，key_t结构体是面向单个按键对象的，主要是包括按键ID以及按键状态枚举，还有一些变量是用来进行按键检测过程的，key_manager_t结构体主要是用来管理多个按键对象的，包括各个按键动作的函数接口，还有按键引脚的驱动程序，如下图所示。

6、按键模块还对外提供了多个外部调用接口，包括模块初始化，按键模块时间更新，按键模块的时基更新，按键模块的按键动作回调函数处理，如下图所示。

7、在key_module.c里面，主要是对以上外部接口的具体实现，比如，key_module_init()主要是对按键模块的各个参数初始化，以及注册按键模块的引脚驱动程序，代码如下图所示。

8、在key_module_update()函数里面，主要是以状态机和回调函数的方式，处理各个按键状态和动作，按键状态有KEY_IDLE、KEY_PRESSED、KEY_RELEASED、KEY_SINGLE_CLICK、KEY_DOUBLE_CLICK、KEY_LONG_PRESS。代码如下图所示。

9、在各个不同的状态里面，通过回调函数的方式，分别对按下、抬起、单击、双击、长按、等按键动作进行处理，限于篇幅，这里只列出部分代码，具体实现请参考具体源码和注释。

10、按键模块需要对其提供系统时基，通常以1毫秒或者10毫秒作为时间基准，key_module_ticks_update()主要是在外部定时器或者外部1毫秒线程中被调用，key_module_set_event_handler()主要是用来设置各个按键状态的回调函数，如下图所示。

11、如何使用key_module？假如项目采用RT-Thread进行调度，在main()函数里面，先创建一个key_module_thread()线程，然后在该线程里面先对按键管理器进行初始化，然后注册各种按键状态的回调函数，最后在while循环里面，更新按键管理器的时基以及状态更新函数，线程主体以1毫秒的间隔进行调度，如下图所示。

12、以上，就是一个通用的单片机按键模块具体设计，通过这个按键检测模块，可以很好地处理各种按键状态事件，并且该按键模块在设计上遵循设备与驱动分离的原则，尽量做到了高内聚低耦合，具体很好的移植性和单片机平台适配性。 13、美中不足的是，这个模块还没有加入组合按键处理，感兴趣的读者，可以下载该模块的源码，对其进行修改和扩展。源码获取请点击【阅读原文】。

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