矩陣按鍵的工作原理

一、矩陣按鍵的基本概念

矩陣按鍵是指多個按鍵組成的矩陣狀結構，通過按鍵與行線和列線的交叉點來判斷按鍵的輸入狀態。在單片機、鍵盤、電子手錶等電子設備中廣泛應用。

矩陣按鍵通常由多個行線和多個列線交錯而成形成矩陣，每個按鍵相當於矩陣中的一個元素，當按鍵被按下後，與之相交的行線和列線會形成一條路徑，通過單片機的輸入輸出口獲取按鍵信息，使用特定的算法來判斷按鍵輸入狀態。

二、矩陣按鍵的硬件實現

矩陣按鍵的實現需要藉助硬件電路，通常需要使用行列掃描電路。其中行掃描電路由多個行輸出口和一個輸入口組成，列掃描電路由多個列輸入口和一個輸出口組成。當按鍵被按下時，右下方的行列交叉點處會形成一條路徑。這樣，矩陣按鍵可以通過掃描行列線路來確定鍵位信息。

int get_key()
{
  int r, c;
  for (r = 0; r < ROWS; r++)
  {
    ROW_OUTPUT_PORT = (0x01 << r);
    for (c = 0; c < COLS; c++)
    {
      if (~COL_INPUT_PORT & (0x01 << c))
      {
        return (r * COLS + c);
      }
    }
  }
  return -1;
}

上述代碼具體實現了從矩陣按鍵中獲取按鍵信息的函數get_key，其中ROWS和COLS分別為矩陣按鍵的行數和列數，ROW_OUTPUT_PORT和COL_INPUT_PORT分別為行列掃描電路的輸出口和輸入口。

三、矩陣按鍵的軟件實現

軟件實現部分需要藉助中斷技術，當按鍵被按下時，行列掃描電路中的相應引腳狀態會改變，觸發中斷服務程序，中斷服務程序會調用相應函數，使程序跳轉到中斷處理程序中，在中斷處理程序中對按鍵信息進行獲取，判斷是哪個按鍵被按下，從而達到響應的目的。

#define KEY1_PORT GPIO_PORTB_DATA_R
#define KEY2_PORT GPIO_PORTF_DATA_R
#define KEY3_PORT GPIO_PORTF_DATA_R

#define KEY1_PIN GPIO_PIN_0
#define KEY2_PIN GPIO_PIN_4
#define KEY3_PIN GPIO_PIN_0

void GPIO_PortE_Handler()
{
  int code = get_key();
  switch (code) 
  {
    case 0:
      KEY1_PORT ^= KEY1_PIN;
      break;
    case 1:
      KEY2_PORT ^= KEY2_PIN;
      break;
    case 2:
      KEY3_PORT ^= KEY3_PIN;
      break;
  }
  GPIO_PORTE_ICR_R |= (1 << 0);
}

int main()
{
  SYSCTL_RCGCGPIO_R |= (1 << 4) | (1 << 5) | (1 << 8);
  GPIO_PORTE_DIR_R &= ~(1 << 0);
  GPIO_PORTE_IS_R &= ~(1 << 0);
  GPIO_PORTE_IBE_R &= ~(1 << 0);
  GPIO_PORTE_IEV_R &= ~(1 << 0);
  GPIO_PORTE_ICR_R |= (1 << 0);
  GPIO_PORTE_IM_R |= (1 << 0);
  NVIC_PRI1_R |= (1 << 5);
  NVIC_EN0_R |= (1 << 4);
  while (1);
}

上述代碼是使用ARM Cortex-M3處理器實現的矩陣按鍵程序，使用GPIO來實現處理引腳的輸入輸出，使用NVIC來實現中斷相關功能。

四、矩陣按鍵的優缺點

矩陣按鍵作為一種常見的輸入設備，在各類小型電子設備中廣泛應用，它的主要優點有以下幾個方面：

1、矩陣按鍵的成本較低，適合大批量生產；

2、在同樣數量的引腳數量情況下，使用矩陣按鍵可以大大減少需要使用的引腳數量，從而簡化了電路結構；

3、可以通過修改輸入輸出口實現按鍵功能的擴展。

矩陣按鍵的缺點如下：

1、沒有明確的按鍵連接狀態，需要使用軟件進行判斷；

2、某些情況下可能會出現反覆按壓或者按鍵失靈的問題。

五、總結

矩陣按鍵在電子設備中有着廣泛的應用，了解矩陣按鍵的工作原理以及矩陣按鍵的優缺點，對於我們的開發工作也有着很重要的意義。如果我們能夠有效地利用矩陣按鍵，可以大大簡化我們的開發工作。