STM32按键消抖——入门状态机思维

码农爱学习 发表于 2022/07/05 23:44:16 2022/07/05
【摘要】 本篇介绍了嵌入式软件开发中常用的状态机编程实现,并通过按键消抖实例,以常用的switch-case形式,实现了对应的状态机编程代码实现,并通过测试,串口打印对应状态,分析状态机的状态跳转过程。

在嵌入式软件开发中,状态机编程是一个十分重要的编程思想,它也是嵌入式开发中一个常用的编程框架。掌握了状态机编程思想,可以更加逻辑清晰的实现复杂的业务逻辑功能。

1 状态机思想

状态机,或称有限状态机FSM(Finite State Machine),是一种重要的编程思想。

状态机有3要素:状态事件响应

  • 状态:系统处在什么状态?

  • 事件:发生了什么事?

  • 响应:此状态下发生了这样的事,系统要如何处理?

状态机编程前,首先要根据需要实现的功能,整理出一个对应的状态转换图(状态机图),然后就可以根据这个状态转换图,套用状态机编程模板,实现对应是状态机代码了。

状态机编程主要有 3 种方法:switch-case 法表格驱动法函数指针法,本篇先介绍最简单也最易理解的switch-case 法

2 状态机实例

下面以按键消抖功能,来介绍switch-case 法的状态机编程思路。

2.1 按钮消抖状态转换图

状态机机编程前,首先要明确的对应功能的状态机需要几个状态,本例的按键功能,只检测最基础的按下与松开状态(暂不实现长按、双击等状态),并增加对应的按钮去抖功能,因此,需要用到4个状态:

  • 稳定松开状态

  • 按下抖动状态

  • 稳定按下状态

  • 松开抖动状态

对应的状态转换图如下:

由于按键通常处于松开状态,这里让状态机的初始化状态为松开状态,然后在这4个状态中来回切换。

图中的VT代表按键检测到电平,VT=0即检测到低电平,可能是按键按下,由初始的“稳定松开”状态转为“按下抖动”状态

当持续检测到低电平(VT=0)一段时间后,认为消抖完成,由“按下抖动”状态转为“稳定按下”状态

在“按下抖动”状态时,在指定的一段时间内,再次检测到高电平(VT=1),说明确实是按钮抖动(比如按键被快速拨动了一下又弹起,或强烈震动导致的按键抖动),则由“按下抖动”状态转为“稳定松开”状态

2.2 编程实现

2.2.1 状态定义

对应上面的按钮状态图,可以知道需要用到4个状态:

  • 稳定松开状态(KS_RELEASE)

  • 按下抖动状态(KS_PRESS_SHAKE)

  • 稳定按下状态(KS_PRESS)

  • 松开抖动状态(KS_RELEASE_SHAKE)

这里使用枚举来定义这4个状态。为了在调试时,能够把对应状态名称以字符串的形式打印出来,这里使用宏定义的一个小技巧:

#符号+自定义的枚举名称

即可自动转变为字符串形式,再将这些字符串放到const char* key_status_name[]数组中,便可通过数组的形式访问这些状态的字符串名称形式。

此外,为了不重复书写枚举名称与对应的枚举字符串(#+枚举名称),进一步使用宏定义的方式,只定义一次状态,然后通过下面两条宏定义,实现对枚举项枚举项对应的字符串的分别获取:

#define ENUM_ITEM(ITEM) ITEM,
#define ENUM_STRING(ITEM) #ITEM,

具体是宏定义、枚举定义与枚举名称数组声明如下:

#define ENUM_ITEM(ITEM) ITEM,
#define ENUM_STRING(ITEM) #ITEM,
​
#define KEY_STATUS_ENUM(STATUS)                   \
    STATUS(KS_RELEASE)       /*稳定松开状态*/       \
    STATUS(KS_PRESS_SHAKE)   /*按下抖动状态*/       \
    STATUS(KS_PRESS)         /*稳定按下状态*/       \
    STATUS(KS_RELEASE_SHAKE) /*松开抖动状态*/       \
    STATUS(KS_NUM)           /*状态总数(无效状态)*/  \
    
typedef enum
{
    KEY_STATUS_ENUM(ENUM_ITEM)
}KEY_STATUS;
​
const char* key_status_name[] = {
    KEY_STATUS_ENUM(ENUM_STRING)
};

宏定义不便理解的,可以将宏定义分别带入,转为最终的结果,理解替代后的具体形式,比如下面的宏定义带入替换示意:

/*
KEY_STATUS_ENUM(STATUS) --> STATUS(KS_RELEASE) ... STATUS(KS_NUM)
​
KEY_STATUS_ENUM(ENUM_ITEM)
--> ENUM_ITEM(KS_RELEASE) ... ENUM_ITEM(KS_NUM)
--> KS_RELEASE, ... KS_NUM,
​
KEY_STATUS_ENUM(ENUM_STRING)
--> ENUM_STRING(KS_RELEASE) ... ENUM_STRING(KS_NUM)
--> #KS_RELEASE, ... #KS_NUM,
*/

2.2.2 状态机实现

下面是状态机的具体实现:

  • 状态机函数key_status_check在一个循环中,被每隔10ms调用一次

  • 定义一个g_keyStatus表示状态机所处的状态

  • 在每个循环中,switch根据当前的状态,执行对应状态所需要执行的逻辑

  • 定义一个g_DebounceCnt用于消抖时间计算,当持续进入消抖状态,每次循环(10ms)中将此值加1,持续一定次数(5次,即50ms),认为是稳定的按下或松开,消抖完成,跳转到稳定方向或稳定松开状态

  • 在每个状态的执行逻辑中,当检测到某些条件满足时,跳转到其它的状态

  • 通过状态的不断跳转,实现状态机的运行

  • 此外,为方便观察状态机中状态的变化,定义了一个g_lastKeyStatus表示前一状态,当状态发生变化时,可以将状态名称打印出来

KEY_STATUS g_keyStatus = KS_RELEASE; //当前按键的状态
KEY_STATUS g_lastKeyStatus = KS_NUM; //上一状态
int g_DebounceCnt = 0; //消抖时间计数
​
void key_status_check()
{
    switch(g_keyStatus)
    {
        //按键释放(初始状态)
        case KS_RELEASE:
        {
            //检测到低电平,先进行消抖
            if (KEY0 == 0)
            {
                g_keyStatus = KS_PRESS_SHAKE;
                g_DebounceCnt = 0;
            }
        }
        break;
        
        //按下抖动
        case KS_PRESS_SHAKE:
        {
            g_DebounceCnt++;
            
            //确实是抖动
            if (KEY0 == 1)
            {
                g_keyStatus = KS_RELEASE;
            }
            //消抖完成
            else if (g_DebounceCnt == 5)
            {
                g_keyStatus = KS_PRESS;
                printf("=====> key press\r\n");
            }
        }
        break;
        
        //稳定按下
        case KS_PRESS:
        {
            //检测到高电平,先进行消抖
            if (KEY0 == 1)
            {
                g_keyStatus = KS_RELEASE_SHAKE;
                g_DebounceCnt = 0;
            }
        }
        break;
        
        //松开抖动
        case KS_RELEASE_SHAKE:
        {
            g_DebounceCnt++;
            
            //确实是抖动
            if (KEY0 == 0)
            {
                g_keyStatus = KS_PRESS;
            }
            //消抖完成
            else if (g_DebounceCnt == 5)
            {
                g_keyStatus = KS_RELEASE;
                printf("=====> key release\r\n");
            }
        }
        break;
        
        default:break;
    }
    
    if (g_keyStatus != g_lastKeyStatus)
    {
        g_lastKeyStatus = g_keyStatus;
        printf("new key status:%d(%s)\r\n", g_keyStatus, key_status_name[g_keyStatus]);
    }
}
​
int main(void)
{   
    delay_init();       //延时函数初始化     
    KEY_Init();
    uart_init(115200);
    printf("hello\r\n");
    
    while(1)
    {
        key_status_check();
        delay_ms(10);
    }
}

注:本例程需要使用一个按键,需要初始化对应的GPIO,这里不再贴代码。

2.3 使用测试

将完整的代码编译后烧录到板子中,连接串口,按下与松开按键,观察串口输出信息。

我的测试输出信息如下:

前两次拨动按键模拟按钮抖动的情况,可以看到串口打印出两次从松开到按下抖动的状态切换。

然后是按下按键,再松开按键,可以看到状态的变化:松开 -> 按下抖动 -> 按下 -> 松开抖动 -> 松开

3 总结

本篇介绍了嵌入式软件开发中常用的状态机编程实现,并通过按键消抖实例,以常用的switch-case形式,实现了对应的状态机编程代码实现,并通过测试,串口打印对应状态,分析状态机的状态跳转过程。

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