矩阵键盘原理与单片机驱动设计详解—端口反转法（下） | 零基础入门STM32第七十八步

师从洋桃电子，杜洋老师

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一、矩阵键盘驱动架构设计

1.1 系统整体架构

系统采用三层架构设计：

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| 应用层（OLED显示处理）  |
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| 驱动层（按键扫描逻辑）   |
+-----------------------+
| 硬件层（GPIO端口控制）  |
+-----------------------+

1.2 硬件资源配置

基于STM32F103的4x4矩阵键盘硬件连接：

二、核心驱动实现分析

2.1 初始化函数解析

// KEYPAD4x4.c
void KEYPAD4x4_Init(void){
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    
    // 列线配置（PA4-PA7）
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = KEYa | KEYb | KEYc | KEYd;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;  // 上拉输入模式
    GPIO_Init(KEYPAD4x4PORT, &GPIO_InitStructure);

    // 行线配置（PA0-PA3）
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = KEY1 | KEY2 | KEY3 | KEY4;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; // 推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(KEYPAD4x4PORT, &GPIO_InitStructure);
}

2.2 按键扫描流程图

2.3 按键解码算法

// 键值映射表
static const uint8_t keymap[16] = {
/* 0xee */ 16, /* 0xed */15, /* 0xeb */14, /* 0xe7 */13,
/* 0xde */12, /* 0xdd */11, /* 0xdb */10, /* 0xd7 */9,
/* 0xbe */8,  /* 0xbd */7,  /* 0xbb */6,  /* 0xb7 */5,
/* 0x7e */4,  /* 0x7d */3,  /* 0x7b */2,  /* 0x77 */1
};

u8 KEYPAD4x4_Read(void){
    // ...（省略扫描过程）
    uint8_t keycode = (a | b) ^ 0xFF; // 异或取反得到有效位
    return keymap[(keycode & 0xF0)>>4 | (keycode & 0x0F)];
}

三、关键技术创新点

3.1 动态IO模式切换

通过两次初始化实现端口角色反转：

void KEYPAD4x4_Init2(void){
    // 反转行/列配置
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = KEY1 | KEY2 | KEY3 | KEY4;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;  // 改为输入
    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = KEYa | KEYb | KEYc | KEYd;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; // 改为输出
}

3.2 复合消抖策略

采用双重检测机制：

1. 初次电平变化检测
2. 20ms延时后二次确认
3. 按键释放检测

if(初次检测到电平变化){
    delay_ms(20);          // 硬件消抖
    if(确认电平有效){       // 软件消抖
        // 执行扫描...
        while(等待按键释放); // 防粘连处理
    }
}

四、扩展设计指南

4.1 扩展为8x8矩阵

修改硬件连接与初始化配置：

// 扩展GPIO配置
#define ROW_PORT  GPIOA
#define COL_PORT  GPIOB

// 修改初始化函数
void KEYPAD8x8_Init(void){
    // 行线配置PA0-PA7
    // 列线配置PB0-PB7
}

4.2 多按键组合检测

增加状态机处理：

typedef struct {
    uint8_t current;
    uint8_t last;
    uint32_t timestamp;
} KeyState;

void KeyProcess_FSM(KeyState* state){
    if(state->current != state->last){
        if(HAL_GetTick() - state->timestamp > 20){
            if(state->current) 
                HandleKeyPress(state->current);
            state->last = state->current;
        }
        state->timestamp = HAL_GetTick();
    }
}

五、性能优化建议

5.1 中断驱动方案

// 配置GPIO中断
void EXTI0_IRQHandler(void){
    if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0)){
        KeyScan_Handler();
        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);
    }
}

5.2 功耗优化措施

六、工程调试技巧

6.1 示波器诊断法

测量典型信号波形

6.2 调试输出接口

添加SWO调试输出：

void KeyScan_Debug(uint8_t key){
    ITM_SendChar('K');
    ITM_SendChar('E');
    ITM_SendChar('Y');
    ITM_SendChar(':');
    ITM_SendChar(key + '0');
}

七、相关资源

[1] 洋桃电子B站课程-STM32入门100步
[2] STM32官方文档手册
[3] STM32F103固件函数库用户手册（中文）
[4] 阵列键盘测试程序

📌 下期预告：下一期将探讨外部中断原理与驱动，欢迎持续关注！

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实测开发版：洋桃1号开发版（基于STM32F103C8T6）
更新日志：

• v1.0 初始版本（2025-03-23）