矩阵键盘原理与单片机驱动设计详解—端口反转法（下）

主题	内容	教学目的/扩展视频
4x4阵列键盘	电路连接，电路原理，驱动程序，调用函数。	能用程序读出按键值。

师从洋桃电子，杜洋老师

📑文章目录

- 一、矩阵键盘驱动架构设计
- - [1.1 系统整体架构](#1.1 系统整体架构)
  - [1.2 硬件资源配置](#1.2 硬件资源配置)
- 二、核心驱动实现分析
- - [2.1 初始化函数解析](#2.1 初始化函数解析)
  - [2.2 按键扫描流程图](#2.2 按键扫描流程图)
  - [2.3 按键解码算法](#2.3 按键解码算法)
- 三、关键技术创新点
- - [3.1 动态IO模式切换](#3.1 动态IO模式切换)
  - [3.2 复合消抖策略](#3.2 复合消抖策略)
- 四、扩展设计指南
- - [4.1 扩展为8x8矩阵](#4.1 扩展为8x8矩阵)
  - [4.2 多按键组合检测](#4.2 多按键组合检测)
- 五、性能优化建议
- - [5.1 中断驱动方案](#5.1 中断驱动方案)
  - [5.2 功耗优化措施](#5.2 功耗优化措施)
- 六、工程调试技巧
- - [6.1 示波器诊断法](#6.1 示波器诊断法)
  - [6.2 调试输出接口](#6.2 调试输出接口)
- 七、相关资源

▲ 回顾上期🔍矩阵键盘原理与单片机驱动设计详解（上） | 零基础入门STM32第七十七步

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：

c 复制代码

+-----------------------+
| 应用层（OLED显示处理）  |
+-----------------------+
| 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：

功能	GPIO引脚	模式配置
行线	PA0-PA3	推挽输出/上拉输入
列线	PA4-PA7	上拉输入/推挽输出

二、核心驱动实现分析

2.1 初始化函数解析

c 复制代码

// 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

主程序驱动层硬件层 KEYPAD4x4_Read() 行线置低，列线输入读取列线状态消抖处理(20ms) 反转IO模式读取行线状态合并两次扫描结果键值解码(switch-case) 返回键值主程序驱动层硬件层

2.3 按键解码算法

c 复制代码

// 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：

c 复制代码

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：

初次电平变化检测
20ms延时后二次确认
按键释放检测

c 复制代码

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：

c 复制代码

// 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：

c 复制代码

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

c 复制代码

// 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

模式	电流消耗	实现方法
运行模式	8.2mA	正常扫描
休眠模式	1.5mA	关闭未使用外设时钟
深度睡眠模式	0.2mA	使用外部中断唤醒

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：

c 复制代码

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](http://www.doyoung.net/) \[2\] [STM32官方文档手册](https://pan.baidu.com/s/1dO5v1lRnl_wtaUCM8Exjcg?pwd=mt6d) \[3\] [STM32F103固件函数库用户手册（中文）](https://pan.baidu.com/s/1YOrsuYdEYKuwpmFLE1vPUA?pwd=ix56) \[4\] [阵列键盘测试程序](https://pan.baidu.com/s/1LXqq3094dcmC4VvO1Qp1jQ?pwd=wi99) *** ** * ** *** 💬 技术讨论（请在评论区留言\~） *** ** * ** *** > **📌 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！ > > [点击查阅🔍往期【STM32专栏】文章](https://blog.csdn.net/liwangsb2/category_12899382.html) > > **版权声明** ：本文采用\[CC BY-NC-SA 4.0\]协议，转载请注明来源 > **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）

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📑文章目录

一、矩阵键盘驱动架构设计

1.1 系统整体架构

1.2 硬件资源配置

二、核心驱动实现分析

2.1 初始化函数解析

2.2 按键扫描流程图

2.3 按键解码算法

三、关键技术创新点

3.1 动态IO模式切换

3.2 复合消抖策略

四、扩展设计指南

4.1 扩展为8x8矩阵

4.2 多按键组合检测

五、性能优化建议

5.1 中断驱动方案

5.2 功耗优化措施

六、工程调试技巧

6.1 示波器诊断法

6.2 调试输出接口

七、相关资源