開(kāi)關(guān)檢測(cè)二三事：端口不足，濾波時(shí)間不同

熟悉灑家寫(xiě)作風(fēng)格的朋友們都知道，灑家行文一向生動(dòng)活潑，甚而有時(shí)浮夸得沒(méi)個(gè)章法。但是，在這個(gè)全民戰(zhàn)疫的關(guān)鍵時(shí)刻，似乎任何的輕佻都是對(duì)前線戰(zhàn)士的不恭敬。故而，今天嚴(yán)肅緊張一把，跟大家開(kāi)門(mén)見(jiàn)山，講一講開(kāi)關(guān)檢測(cè)的問(wèn)題。

有的朋友可能會(huì)覺(jué)得，開(kāi)關(guān)檢測(cè)對(duì)于每一個(gè)嵌入式工程師來(lái)講都是入門(mén)級(jí)別的問(wèn)題，有什么好講的呢？好吧，對(duì)于你這種想法，我只能像春晚上曉明哥哥對(duì)祖兒妹妹講的那樣：

我不要你覺(jué)得，我要我覺(jué)得！

問(wèn)你三個(gè)問(wèn)題吧。第一，如果因?yàn)檫@樣或那樣的原因，您選用的MCU的IO口不夠，無(wú)法一一對(duì)應(yīng)地處理那么多路開(kāi)關(guān)信號(hào)，你該咋個(gè)辦？

第二，如何區(qū)分開(kāi)關(guān)的“動(dòng)作”和“狀態(tài)”？按下和彈起的動(dòng)作一閃即逝，狀態(tài)卻長(zhǎng)期保持，怎么區(qū)分并處理？

第三，是關(guān)于大家耳熟能詳?shù)臑V波問(wèn)題，您可不要說(shuō)只需要進(jìn)行硬件濾波就夠了這種跌份的話哈。假設(shè)您的開(kāi)關(guān)信號(hào)性質(zhì)有所不同，它們需要的濾波時(shí)間也不一樣，你怎么以一種統(tǒng)一的方式去處理他們呢？

今天灑家和大家分享的就是關(guān)于這三個(gè)問(wèn)題的想法和解決方案。

一

要想逃避現(xiàn)實(shí)，最好的方式就是深深介入現(xiàn)實(shí)之中。

嵌入式工程師的日常工作不是在錦繡河山里做文章，而是在螺絲殼里做道場(chǎng)。在日復(fù)一日的工作中，工程師逐漸積累了豐富的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。比如硬件不夠可以用軟件來(lái)湊，內(nèi)存不足可以犧牲實(shí)時(shí)性，以時(shí)間換空間。

那么，IO口不夠呢？

魯迅先生曾說(shuō)：“希望是本無(wú)所謂有，無(wú)所謂無(wú)的。這正如地上的路，其實(shí)地上本沒(méi)有路，走的人多了，也便成了路?！?/p>

勇敢的嵌入式工程師是遇山開(kāi)路、遇水搭橋的開(kāi)拓者，面對(duì)無(wú)路之境，自會(huì)以大無(wú)畏的霹靂手段趟出一條路來(lái)。IO口不夠，MCU又不能換（想一想老板那冷颼颼的目光），自然也會(huì)另辟蹊徑，柳暗花明，不至于山窮水復(fù)，找不到出路的。

聰明的小伙伴們應(yīng)該已經(jīng)躍躍欲試，準(zhǔn)備搶答了。不過(guò)，授人以魚(yú)不如授人以漁，在直接給出答案之前，大家可以先想一個(gè)問(wèn)題：為什么現(xiàn)在大家用的計(jì)算機(jī)，基本上沒(méi)有并口了呢？

在計(jì)算機(jī)剛剛出現(xiàn)的那個(gè)年代里，打印和繪圖是非常重要的應(yīng)用。由于計(jì)算機(jī)速度的限制，串行傳輸速度相當(dāng)有限，無(wú)法應(yīng)對(duì)打印繪圖這種需要高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用，于是，并口大行其道數(shù)十載。說(shuō)句不怕暴露年齡的話，筆者剛上班時(shí)，單位的臺(tái)式機(jī)和筆記本都是有并口的。

當(dāng)然，魚(yú)與熊掌不可兼得，并行傳輸也有其缺點(diǎn)，那就是需要的端口和線路遠(yuǎn)高于串行傳輸，會(huì)消耗較高的電路板資源和軟件解析能力，所以，隨著計(jì)算機(jī)和串行傳輸速度的提升，并口也開(kāi)始慢慢地退出了歷史的舞臺(tái)。

觸類(lèi)旁通，見(jiàn)微知著，大家是不是品出來(lái)什么了？

對(duì)，在嵌入式設(shè)計(jì)中，一個(gè)MCU端口處理一路開(kāi)關(guān)信號(hào)是“并行處理方式”，類(lèi)比于計(jì)算機(jī)并口，需要消耗較多的端口。端口不夠的解決方案自然是“并行轉(zhuǎn)串行”，以串行的方式進(jìn)行開(kāi)關(guān)信號(hào)的檢測(cè)。

在具體的實(shí)現(xiàn)上，需要選擇“多路開(kāi)關(guān)檢測(cè)接口芯片”，這種芯片可以檢測(cè)多路開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)，并將檢測(cè)到的開(kāi)關(guān)狀態(tài)通過(guò)SPI發(fā)送給MCU。這種方式可以極大地節(jié)省MCU的IO口資源，比如說(shuō)檢測(cè)16路開(kāi)關(guān)，并行方式需要16個(gè)MCU IO端口，串行方式只需要一個(gè)SPI端口就可以了。

二

話不多說(shuō)，再來(lái)看第二個(gè)問(wèn)題：怎么區(qū)分開(kāi)關(guān)的“動(dòng)作”和“狀態(tài)”？

至于為什么要區(qū)分“動(dòng)作”和“狀態(tài)”。是因?yàn)樵谇度胧疆a(chǎn)品中，有一種很常見(jiàn)的應(yīng)用邏輯：開(kāi)關(guān)A、B、C處于閉合狀態(tài)且開(kāi)關(guān)D、E、F處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，按下或松開(kāi)開(kāi)關(guān)G，執(zhí)行某個(gè)操作。

在這種邏輯里，“按下”和“松開(kāi)”是兩種動(dòng)作，“閉合”和“斷開(kāi)”是兩種狀態(tài)。用電路的知識(shí)來(lái)類(lèi)比的話，動(dòng)作是沿跳變，狀態(tài)是電平。

“動(dòng)作”是一閃即逝的花火，狀態(tài)是千年不變的承諾。我們做區(qū)分為的是，讓動(dòng)作“閱后即焚”，不至于成為反復(fù)觸發(fā)操作的脈搏。

為了說(shuō)明這一點(diǎn)，灑家跟大家分享一下自己設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)體和代碼實(shí)現(xiàn)，這部分也可以用在對(duì)第三個(gè)問(wèn)題的解答上。

typedef struct{

     unsigned switch_state:1;

     unsigned swon_event:1;

     unsigned swoff_event:1;

     unsigned cursw:1;

     unsigned detect_cnt:4;

     e_SwId   switch_id;

}s_Switch;

在這個(gè)結(jié)構(gòu)體的成員變量里面，switch_id標(biāo)識(shí)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)，大家可以用“解釋性”很強(qiáng)的枚舉來(lái)表示它。這里的switch_state表示的是開(kāi)關(guān)信號(hào)的狀態(tài)，swon_event和swoff_event分別表示開(kāi)關(guān)從斷開(kāi)到閉合和從閉合到斷開(kāi)的變化，即上述的“動(dòng)作”。 cursw和detect_cnt用于開(kāi)關(guān)信號(hào)采集的軟件消抖功能。

為了同時(shí)檢測(cè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)和動(dòng)作，可以設(shè)置一個(gè)10ms的周期定時(shí)器，周期性地對(duì)每個(gè)SWITCH_ID對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，具體實(shí)現(xiàn)為：

void SwDetect(e_SwId sw_id)  

{

    uint8_t filter_time;

    filter_time = SW_DETECT_TIMES;

    if(SWITCH_OFF == Sw[sw_id].switch_state){

        if(IOVALID == Sw[sw_id].cursw){

            if(Sw[sw_id].detect_cnt < filter_time){

                Sw[sw_id].detect_cnt++;   

            }else{                                          

                Sw[sw_id].switch_state = SWITCH_ON;       

                Sw[sw_id].detect_cnt = 0;                      

                Sw[sw_id].swon_event = 1;          

            }

        }else{

            Sw[sw_id].detect_cnt = 0;

        }

    }else{

        if(IOINVALID == Sw[sw_id].cursw){

            if(Sw[sw_id].detect_cnt < filter_time){

                Sw[sw_id].detect_cnt++;

            }else{                                                        

                Sw[sw_id].switch_state = SWITCH_OFF;

                Sw[sw_id].swoff_event = 1;

                Sw[sw_id].detect_cnt = 0;

            }

        }else{

            Sw[sw_id].detect_cnt = 0;

        }

    }

}

當(dāng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作發(fā)生時(shí)，swon_event和swoff_event置一，在執(zhí)行完相關(guān)操作之后，將swon_event和swoff_event清零，就完成了讓動(dòng)作“閱后即焚”。

所以，上面那種根據(jù)某些開(kāi)關(guān)的狀態(tài)和動(dòng)作執(zhí)行相關(guān)操作的邏輯的具體實(shí)現(xiàn)為：

If(Switch[SWITCH_ID_1].swon_event == 1)

{

If(Switch[SWITCH_ID_2].switch_state == “ON”){

    操作1；

}

Switch[SWITCH_ID_1].swon_event = 0；

}

三

下面接著講第三個(gè)問(wèn)題：怎么應(yīng)對(duì)不同的濾波時(shí)間？

正如上面講過(guò)的那樣，對(duì)于一般的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)一10ms的定時(shí)器周期性地讀取開(kāi)關(guān)當(dāng)前狀態(tài)cursw，然后根據(jù)其維持當(dāng)前狀態(tài)的周期次數(shù)（根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景，可以設(shè)置為5次或者10次，分別對(duì)應(yīng)50ms或100ms的濾波時(shí)間）以判斷switch_state、swon_event、swoff_event。

那么，對(duì)于那些特殊的開(kāi)關(guān)信號(hào)，也許需要采用較典型值長(zhǎng)或者短的消抖時(shí)間，我們只需要針對(duì)該開(kāi)關(guān)信號(hào)對(duì)應(yīng)的那個(gè)SWITCH_ID表征的結(jié)構(gòu)體變量，設(shè)置它的濾波次數(shù)filter_time（見(jiàn)上面那段程序）即可。

四

講到這里，有些不愛(ài)看代碼的同學(xué)可能模糊了，這里，幫人幫到底，灑家不惜筆墨，詳細(xì)開(kāi)展一番。

首先，設(shè)定一個(gè)10ms的定時(shí)器，在它的中斷服務(wù)程序里，執(zhí)行開(kāi)關(guān)信號(hào)檢測(cè)。

對(duì)應(yīng)在我們這里，可以認(rèn)為它的中斷服務(wù)程序（ISR）執(zhí)行的就是下面這個(gè)IoInputDetect函數(shù)。（需要說(shuō)明的是，一般情況下我們不會(huì)在中斷服務(wù)程序里執(zhí)行這種耗時(shí)較長(zhǎng)的程序，這里只是為了方便大家理解）

void IoInputDetect(void)

{

    e_SwId sw_idx;

    ReadIoSwitch();

    for(sw_idx = MIN_SWITCH;sw_idx < MAX_SWITCH;sw_idx++){

        SwDetect(sw_idx);   

    } 

}

這個(gè)函數(shù)里面，在ReadIoSwitch函數(shù)里面讀取每個(gè)開(kāi)關(guān)（以SWITCH_ID標(biāo)識(shí)）的當(dāng)前狀態(tài)，賦給其cursw，需要注意的是，這里的cursw表示的是當(dāng)下這一刻的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，不是經(jīng)過(guò)濾波處理后的穩(wěn)定開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

第二步：根據(jù)每個(gè)開(kāi)關(guān)的當(dāng)前狀態(tài)cursw，判斷其穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)狀態(tài)switch_state、開(kāi)關(guān)動(dòng)作swon_event和swoff_event。即上面在for循環(huán)中執(zhí)行的SwDetect函數(shù)。

SwDetect函數(shù)語(yǔ)句在第二節(jié)中，它的核心思想就是判斷開(kāi)關(guān)當(dāng)前狀態(tài)cursw是否持續(xù)穩(wěn)定在SWITCH_ON或者SWITCH_OFF狀態(tài)。當(dāng)前的switch_state為ON的狀態(tài)下，如果持續(xù)filter_time個(gè)10ms，cursw一直為OFF狀態(tài)，則將switch_state賦為OFF狀態(tài)，同時(shí)，將swoff_event賦為1。反之亦然。

當(dāng)濾波時(shí)間不同時(shí)，顯然只需要將該switch_id對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)體的filter_time置為不同于典型值的特殊值即可。

后記

灑家在這篇文章里面分享的開(kāi)關(guān)檢測(cè)方法，不止適用于數(shù)字IO形式的開(kāi)關(guān)信號(hào)，還適用于其它信號(hào)。

比如通過(guò)RF方式接收的遙控信號(hào)，雖然是一種射頻性質(zhì)的信號(hào)，但是這種信號(hào)對(duì)應(yīng)的是遙控器上的物理按鍵，它在邏輯上自然也等價(jià)于本文講的開(kāi)關(guān)信號(hào)，所以，可以用上述那個(gè)結(jié)構(gòu)體和那些代碼判斷遙控信號(hào)，解析出某個(gè)遙控按鍵按下、松開(kāi)的動(dòng)作和狀態(tài)，同時(shí)對(duì)它進(jìn)行濾波處理。

再舉一反三，無(wú)論是RF信號(hào)、模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，只要該輸入信號(hào)在邏輯上可以等價(jià)于物理開(kāi)關(guān)，它就可以使用本文所述的方法處理。

你覺(jué)得呢？