第六章 GPIO输入——按键检测

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于 2025-05-13 10:11:45 首次发布

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第六章 GPIO输入——按键检测

本章参考资料：《W55MH32中文参考手册》按键检测使用到GPIO外设的基本输入功能。

1 硬件设计

按键机械触点断开、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，见下图：

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。

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。

2 软件设计

2.1 按键输入检测方式

按键输入检测方式分为定时扫描和外部中断两种，工作原理和优缺点如下文所示。本篇我们主要讲解用外部中断的方式进行按键输入检测。

2.1.1 按键扫描

工作原理：通过 CPU 定时或不断地读取按键所连接的 GPIO 引脚电平状态，来判断按键是否被按下。比如在一个循环中，反复检测按键对应的引脚是高电平还是低电平，若原本是高电平，检测到变为低电平，且经过消抖处理（一般通过延时，比如 5~10ms 再次检测确认）后还是低电平，就认为按键被按下；松开时则相反。像独立按键扫描，就是单独检测每个按键引脚；矩阵按键扫描则是按行或列扫描，通过行列交叉点判断哪个按键动作。

优点：

原理简单易懂，实现起来相对容易，对于初学者友好。
可灵活控制扫描频率和时机，在一些对按键检测实时性要求不高，且系统资源较为充裕的场景下，能很好地工作。

缺点：

占用 CPU 资源，CPU 需要不断执行扫描程序来检测按键状态，若系统中还有其他任务，会影响整体运行效率。
实时性较差，因为是定时或不断扫描，不能及时响应按键动作，存在检测延迟。

2.1.2 外部中断

工作原理：当外部事件发生，比如按键按下使连接到单片机的外部中断引脚上电平发生变化（可配置为上升沿触发、下降沿触发或双边沿触发），单片机的中断系统会迫使 CPU 暂停正在执行的程序，转而去执行预先编写好的中断服务程序来处理该事件，处理完后再返回原来中断的地方继续执行原程序。以按键为例，按键连接到外部中断引脚，按下按键产生电平变化，触发中断请求，CPU 响应后进入中断服务函数处理按键事件。

优点：

实时性强，能在外部事件发生的瞬间及时响应，快速处理事件，适用于对实时性要求高的场景，如工业控制中对突发信号的快速响应。
节省 CPU 资源，CPU 不需要一直轮询检测按键状态，只有在外部事件触发中断时才会处理相关事务，提高了 CPU 使用效率。

缺点：

配置相对复杂，需要对中断相关寄存器（如中断使能寄存器、中断优先级寄存器、中断触发方式寄存器等）进行正确配置，对开发者要求较高。
多个中断源同时请求时，需要合理处理中断优先级和中断嵌套等问题，否则可能导致系统运行异常。

2.2 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。

2.3 代码分析

1. 头文件包含和宏定义

#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include "delay.h"
#include "w55mh32.h"

#define GPIO_GROUP_TEST GPIOG
#define GPIO_MODE_TEST  GPIO_Mode_IPU
#define GPIO_SPEED_TEST GPIO_Speed_50MHz
#define GPIO_PIN_TEST   GPIO_Pin_5

USART_TypeDef *USART_TEST = USART1;

头文件包含：包含标准库头文件 stdlib.h、string.h、stdio.h，以及自定义的 delay.h 和 w55mh32.h 头文件。

宏定义：

GPIO_GROUP_TEST：定义使用的 GPIO 组为 GPIOG。
GPIO_MODE_TEST：定义 GPIO 模式为上拉输入模式 GPIO_Mode_IPU。
GPIO_SPEED_TEST：定义 GPIO 速度为 50MHz。
GPIO_PIN_TEST：定义使用的 GPIO 引脚为 GPIO_Pin_5。
USART_TEST：定义使用的 USART 外设为 USART1。

2. 函数声明

void UART_Configuration(uint32_t bound);
void GPIO_Configuration(void);

声明了两个函数：UART_Configuration 用于配置串口通信，GPIO_Configuration 用于配置 GPIO 引脚和外部中断。

3. main 函数

int main(void)
{
    RCC_ClocksTypeDef clocks;
    delay_init();
    UART_Configuration(115200);
    RCC_GetClocksFreq(&clocks);

    printf("\n");
    printf("SYSCLK: %3.1fMhz, HCLK: %3.1fMhz, PCLK1: %3.1fMhz, PCLK2: %3.1fMhz, ADCCLK: %3.1fMhz\n",
           (float)clocks.SYSCLK_Frequency / 1000000, (float)clocks.HCLK_Frequency / 1000000,
           (float)clocks.PCLK1_Frequency / 1000000, (float)clocks.PCLK2_Frequency / 1000000, (float)clocks.ADCCLK_Frequency / 1000000);
    printf("GPIO IO Input Test.\n");

    GPIO_Configuration();

    while (1)
    {
    }
}

初始化操作：

delay_init()：初始化延时函数。
UART_Configuration(115200)：配置串口通信，波特率为 115200。
RCC_GetClocksFreq(&clocks)：获取系统时钟频率信息。

打印信息：打印系统时钟频率信息和测试提示信息。

GPIO 配置：调用 GPIO_Configuration() 函数配置 GPIO 引脚和外部中断。

主循环：进入一个无限循环，等待外部中断触发。

4. GPIO_Configuration 函数

void GPIO_Configuration(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOG | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_PIN_TEST;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_SPEED_TEST;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_MODE_TEST;
    GPIO_Init(GPIO_GROUP_TEST, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOG, GPIO_PinSource5);

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel                   = EXTI9_5_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority        = 3;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd                = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

    EXTI_InitStructure.EXTI_Line    = EXTI_Line5;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Mode    = EXTI_Mode_Interrupt;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;
    EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
    EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
}

时钟使能：使能 GPIOG 和复用功能 I/O（AFIO）的时钟。

GPIO 初始化：配置 GPIOG 的 GPIO_Pin_5 为上拉输入模式，速度为 50MHz。

外部中断线配置：将 GPIOG 的 GPIO_Pin_5 映射到外部中断线 EXTI_Line5。

NVIC 配置：

配置外部中断线 5~9 的中断通道 EXTI9_5_IRQn。
设置抢占优先级为 2，子优先级为 3，并使能该中断通道。

EXTI 配置：配置外部中断线 EXTI_Line5 为中断模式，下降沿触发，并使能该中断线。

5. EXTI9_5_IRQHandler 函数

void EXTI9_5_IRQHandler(void)
{
    if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line5) == SET)
    {
        delay_ms(10);
        if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOG, GPIO_Pin_5) == Bit_RESET)
        {
            printf("The key is pressed\n");
        }
    }
    EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line5);
}

中断处理：

检查外部中断线 EXTI_Line5 的中断标志位是否被置位。
进行 10ms 的消抖处理。
读取 GPIOG 的 GPIO_Pin_5 的输入电平，如果为低电平，则打印 "The key is pressed"。
清除外部中断线 EXTI_Line5 的中断标志位。

6. UART_Configuration 函数

void UART_Configuration(uint32_t bound)
{
    GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin  = GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    USART_InitStructure.USART_BaudRate            = bound;
    USART_InitStructure.USART_WordLength          = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits            = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity              = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode                = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;

    USART_Init(USART_TEST, &USART_InitStructure);
    USART_Cmd(USART_TEST, ENABLE);
}

时钟使能：使能 USART1 和 GPIOA 的时钟。

GPIO 初始化：

配置 GPIOA 的 GPIO_Pin_9 为复用推挽输出模式，用于 USART1 的发送引脚。
配置 GPIOA 的 GPIO_Pin_10 为浮空输入模式，用于 USART1 的接收引脚。

USART 初始化：

配置 USART1 的波特率、数据位、停止位、校验位、硬件流控制和工作模式。
使能 USART1。

7. EXTI1_IRQHandler 函数

void EXTI1_IRQHandler(void)
{
    if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line1) == SET)
    {
        delay_ms(10);
        if (GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_1) == Bit_SET)
        {
            printf("The key is pressed\n");
        }
    }
    EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line1);
}

中断处理：处理外部中断线 EXTI_Line1 的中断事件，与 EXTI9_5_IRQHandler 类似，但该中断在本代码中未被使用。

8. SER_PutChar 函数和 fputc 函数

int SER_PutChar(int ch)
{
    while (!USART_GetFlagStatus(USART_TEST, USART_FLAG_TC));
    USART_SendData(USART_TEST, (uint8_t)ch);

    return ch;
}

int fputc(int c, FILE *f)
{
    if (c == '\n')
    {
        SER_PutChar('\r');
    }
    return (SER_PutChar(c));
}