13. GPIO输入—按键检测

本章参考资料：《STM32F10X-中文参考手册》、库帮助文档《stm32f10x_stdperiph_lib_um》。

按键检测使用到GPIO外设的基本输入功能，本章中不再赘述GPIO外设的概念，如您忘记了，可重读前面“使用寄存器点亮LED灯—GPIO框图剖析”小节， STM32标准库中GPIO初始化结构体GPIO_TypeDef的定义与“自己写库—构建库函数雏形的定义引脚模式的枚举类型”小节中讲解的相同。

13.1. 硬件设计

机械按键的触点断开、闭合时，由于触点的弹性作用，按键开关不会马上稳定接通或一下子断开， 使用按键时会产生图 按键抖动说明图 中的带波纹信号，需要用软件消抖处理滤波，不方便输入检测。本实验板连接的按键带硬件消抖功能， 见图 按键原理图 ，它利用电容充放电的延时，消除了波纹，从而简化软件的处理，软件只需要直接检测引脚的电平即可。

按键抖动说明图 按键原理图

从按键的原理图可知，这些按键在没有被按下的时候，GPIO引脚的输入状态为低电平(按键所在的电路不通，引脚接地)，当按键按下时， GPIO引脚的输入状态为高电平(按键所在的电路导通，引脚接到电源)。只要我们检测引脚的输入电平，即可判断按键是否被按下。

若您使用的实验板按键的连接方式或引脚不一样，只需根据我们的工程修改引脚即可，程序的控制原理相同。

13.2. 软件设计

同LED的工程，为了使工程更加有条理，我们把按键相关的代码独立分开存储，方便以后移植。在“工程模板”之上新建“bsp_key.c”及“bsp_key.h”文件， 这些文件也可根据您的喜好命名，这些文件不属于STM32标准库的内容，是由我们自己根据应用需要编写的。

13.2.1. 编程要点

  1. 使能GPIO端口时钟；

  2. 初始化GPIO目标引脚为输入模式(浮空输入)；

  3. 编写简单测试程序，检测按键的状态，实现按键控制LED灯。

13.2.2. 代码分析

13.2.2.1. 按键引脚宏定义

同样，在编写按键驱动时，也要考虑更改硬件环境的情况。我们把按键检测引脚相关的宏定义到 “bsp_key.h”文件中， 见 代码清单:GPIO输入-1。

代码清单:GPIO输入-1 按键检测引脚相关的宏
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//  引脚定义
#define    KEY1_GPIO_CLK     RCC_APB2Periph_GPIOA
#define    KEY1_GPIO_PORT    GPIOA
#define    KEY1_GPIO_PIN     GPIO_Pin_0

#define    KEY2_GPIO_CLK     RCC_APB2Periph_GPIOC
#define    KEY2_GPIO_PORT    GPIOC
#define    KEY2_GPIO_PIN      GPIO_Pin_13


/** 按键按下标置宏
*  按键按下为高电平，设置 KEY_ON=1， KEY_OFF=0
*  若按键按下为低电平，把宏设置成KEY_ON=0 ，KEY_OFF=1 即可
*/
#define KEY_ON  1
#define KEY_OFF 0

以上代码根据按键的硬件连接，把检测按键输入的GPIO端口、GPIO引脚号以及GPIO端口时钟封装起来了。

13.2.2.2. 按键 GPIO初始化函数

利用上面的宏，编写按键的初始化函数，见 代码清单:GPIO输入-2。

代码清单:GPIO输入-2 按键GPIO初始化函数
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/**
* @brief  配置按键用到的I/O口
* @param  无
* @retval 无
*/
void Key_GPIO_Config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    /*开启按键端口的时钟*/
    RCC_APB2PeriphClockCmd(KEY1_GPIO_CLK|KEY2_GPIO_CLK,ENABLE);

    //选择按键的引脚
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = KEY1_GPIO_PIN;
    // 设置按键的引脚为浮空输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    //使用结构体初始化按键
    GPIO_Init(KEY1_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

    //选择按键的引脚
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = KEY2_GPIO_PIN;
    //设置按键的引脚为浮空输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    //使用结构体初始化按键
    GPIO_Init(KEY2_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
}

同为GPIO的初始化函数，初始化的流程与“LED GPIO初始化函数”章节中的类似，主要区别是引脚的模式配置为浮空输入。函数执行流程如下：

  1. 使用GPIO_InitTypeDef定义GPIO初始化结构体变量，以便下面用于存储GPIO配置。

  2. 调用库函数RCC_APB2PeriphClockCmd来使能按键的GPIO端口时钟，调用时我们使用“|”操作同时配置两个按键的时钟。

  3. 向GPIO初始化结构体赋值，把引脚初始化成浮空输入模式，其中的GPIO_Pin使用宏“KEYx_GPIO_PIN”来赋值，使函数的实现方便移植。 由于引脚的默认电平受按键电路影响，所以设置成浮空输入。

  4. 使用以上初始化结构体的配置，调用GPIO_Init函数向寄存器写入参数，完成GPIO的初始化， 这里的GPIO端口使用“KEYx_GPIO_PORT”宏来赋值，也是为了程序移植方便。

  5. 使用同样的初始化结构体，只修改控制的引脚和端口，初始化其它按键检测时使用的GPIO引脚。

13.2.2.3. 检测按键的状态

初始化按键后，就可以通过检测对应引脚的电平来判断按键状态了，见 代码清单:GPIO输入-3。

代码清单:GPIO输入-3 检测按键的状态
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/**
* @brief  主函数
* @param  无
* @retval 无
*/
int main(void)
{
    /* LED端口初始化 */
    LED_GPIO_Config();
    LED1_ON;

    /* 按键端口初始化 */
    Key_GPIO_Config();

    /* 轮询按键状态，若按键按下则反转LED */
    while (1) {
        if ( Key_Scan(KEY1_GPIO_PORT,KEY1_GPIO_PIN) == KEY_ON  ) {
            /*LED1反转*/
            LED1_TOGGLE;
        }

        if ( Key_Scan(KEY2_GPIO_PORT,KEY2_GPIO_PIN) == KEY_ON  ) {
            /*LED2反转*/
            LED2_TOGGLE;
        }
    }
}

在这里我们定义了一个Key_Scan函数用于扫描按键状态。GPIO引脚的输入电平可通过读取IDR寄存器对应的数据位来感知， 而STM32标准库提供了库函数GPIO_ReadInputDataBit来获取位状态，该函数输入GPIO端口及引脚号，函数返回该引脚的电平状态，高电平返回1， 低电平返回0。Key_Scan函数中以GPIO_ReadInputDataBit的返回值与自定义的宏“KEY_ON”对比，若检测到按键按下，则使用while循环持续检测按键状态， 直到按键释放，按键释放后Key_Scan函数返回一个“KEY_ON”值；若没有检测到按键按下，则函数直接返回“KEY_OFF”。 若按键的硬件没有做消抖处理，需要在这个Key_Scan函数中做软件滤波，防止波纹抖动引起误触发。

13.2.2.4. 主函数

接下来我们使用主函数编写按键检测流程，见 代码清单:GPIO输入-4。

代码清单:GPIO输入-4 按键检测主函数
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/**
* @brief  主函数
* @param  无
* @retval 无
*/
int main(void)
{
    /* LED端口初始化 */
    LED_GPIO_Config();
    LED1_ON;

    /* 按键端口初始化 */
    Key_GPIO_Config();

    /* 轮询按键状态，若按键按下则反转LED */
    while (1) {
        if ( Key_Scan(KEY1_GPIO_PORT,KEY1_GPIO_PIN) == KEY_ON  ) {
            /*LED1反转*/
            LED1_TOGGLE;
        }

        if ( Key_Scan(KEY2_GPIO_PORT,KEY2_GPIO_PIN) == KEY_ON  ) {
            /*LED2反转*/
            LED2_TOGGLE;
        }
    }
}

代码中初始化LED灯及按键后，在while函数里不断调用Key_Scan函数，并判断其返回值，若返回值表示按键按下，则反转LED灯的状态。

13.2.3. 下载验证

把编译好的程序下载到开发板并复位，按下按键可以控制LED灯亮、灭状态。