状态机实现双击、短按、长按等按键识别检测算法

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1、按键识别算法的作用

        按键识别算法在不同的技术和应用背景下有不同的作用，但其核心目标都是准确、可靠地检测和区分用户通过物理或虚拟按键所执行的操作。按键识别算法在各类电子设备及系统中起到至关重要的作用，它确保了人机交互的有效性和准确性，提升了用户体验，并保证了系统的正常运行。按键识别算法也有较多的种类，在这一部分主要介绍独立按键的双击、短按、长按识别算法。       

        双击、长按、短按一般是用来扩展按键功能，让人机交互界面用起来更方便。比如手机触摸屏的长按APP图标时，会出现卸载软件等功能选择，而单击时则是进入应用程序。此外，还有滑动等其他功能操作。虽然上述举例目前是在手机触摸屏中非常常见的，但其最早是应用于实体按键中的，后面扩展延伸到了触摸屏的使用中，它们的实现本质逻辑框架是同一套，相信以前玩过MP5、PSP游戏机的读者对这个是最有体会的。除了上述的场景中，还有我们的自拍杆、键盘、鼠标等等无一不是按键算法的身影。本文的下一部分开始将详细剖析双击、短按、长按等按键算法实现的逻辑原理。

        短按：一般定义为按键按下并快速释放的操作，持续时间较短，按下时不会立即触动动作，而是过一个较短的时间才触发动作。

        长按：通常是指按键保持按压状态超过短按时间阈值的操作，持续时间较长，松开时触发动作。

        双击：较短的时间内，连续按下两次才会触发动作。

2、按键电平时序图

        在这一部分主要是使用了24MHz 8通道的逻辑分析仪通过PulseView软件对按键的三种状态进行采样观察。如果有想进一步了解逻辑分析仪的使用和波形解析，可以参考本人在之前写的一篇博客文章，已经对逻辑分析仪进行了较为详细的讲解。

状态机实现双击、短按、长按等按键识别检测算法

        提醒：这一部分所提到的检测时间范围都是可以灵活变动的，并不是说一成不变，最终的效果都是为了让实现按键状态识别更加的快速、准确。

（1）短按

        通过逻辑分析仪观测一连串的按键短按的电平时序图

        通过逻辑分析仪的测量工具可知，本次短按测量的持续时间为159ms

        通过逻辑分析仪的测量工具可知，本次短按测量的持续时间为74ms

        后续又经过多次测量，发现大部分短按时间是在160ms左右，考虑到实际日常使用过程中，有些用户按下按键的速度可能比较缓慢，因此本文中将按键短按设定为90ms~250ms的阈值。

        如果检测出按键按下的时间>=90ms且<=250ms时，则会被认定为按键短按。程序则是进入短按的逻辑处理状态。

（2）长按

        通过逻辑分析仪观测一连串的按键长按的电平时序图。从逻辑时序图中可以非常明显的看出，长按相对于短按来说，就是按下时间延长，其余操作并没有什么区别。因此在检测算法编写时，只需要判断一个临界值，超过该值，便可以判定为按键长按操作。

        通过逻辑分析仪的测量工具可知，本次长按测量的持续时间为781ms

        通过逻辑分析仪的测量工具可知，本次长按测量的持续时间为697ms

    经过网上大量的资料查阅和实际按下的情况对比，长按的时间一般大于500ms，因此在本文的按键识别算法中，将临界时间设定为500ms。   

（3）双击

        通过逻辑分析仪观测按键双击的时序图。

        通过逻辑分析仪的测量工具可知，第一次按下结束后到第二次按下开始的时间间隔为74ms。

        通过逻辑分析仪的测量工具可知，第一次按下结束后到第二次按下开始的时间间隔为199ms。

        又经过多次测量发现，双击的第一次按下松开后到第二次按下开始的时间间隔较多分布在200ms以内，而考虑到一些用户操作动作较为缓慢，及误触发的风险、硬件和软件的响应能力。因此将双击检测时间设置为了250ms，如果250ms内没有检测到按下第二次短按，则是会判断为单击，否则就是触发双击。

        通过上面三种模式的电平时序图可知，按键检测必须要实现毫秒级定时才实现较为精准的按键识别算法。

3、按键识别算法代码

        因按键识别算法有一定的难度，所以本文聚焦于按键算法的核心实现。如果需要实现按键识别算法，需要具备定时器的基础，掌握GPIO引脚的使用，知道如何配置毫秒级定时器，中断等。

        在按键检测算法代码编写时，考虑到了移植性的问题，因在对不同的平台进行适配时，修改对电平状态读取和电平状态判断后，其余的检测算法部分变动不需要很大既可以实现按键检测算法功能。

（1）状态机

        状态机（Finite State Machine，FSM）是一种理论模型，用于描述一个系统在不同时间点可能存在的不同状态以及引起状态转移的条件。它在计算机科学、电子工程、自动化控制、编译原理等多个领域有着广泛应用。

        状态机中有几个术语：state(状态) 、transition(转移) 、action(动作) 、transition condition(转移条件) 。

        状态机的内容大致了解一下，在本文使用了状态机的思想对按键检测算法进行编写。其中的状态有三种，分别是消抖裁决状态、单击状态、双击状态。如果是单击状态，则会判断是长按还是短按，如果是短按，又会进行状态转移到双击，进行是否即将双击检测。

（2）长按、短按识别算法

        JUDGE状态主要是用于消除按键的抖动状态，而SINGLE状态中，则是对按键的长按、短按逻辑进行检测判断。

 //按键状态结构体 typedef struct key_state{ int8_t short_flag; //短按flag int8_t long_flag; //长按flag int8_t level_state; //电平状态 int8_t judge_flag; //裁决抖动 int32_t press_time_cnt; //按下时间 }key_state_t; enum {JUDGE = 0, SINGLE = 1};//状态机的状态类型 key_state_t g_key[4] = {0}; //按键状态全局变量 //定时器回调函数，已经配置为10ms触发一次定时器中断回调 void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) { if(htim->Instance == TIM4) //已设置10ms触发一次定时器中断 { static int32_t press_time_cnt[4] = {0}; //按下持续计数值 g_key[0].level_state = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_0); //读取引脚电平值 g_key[1].level_state = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_1); g_key[2].level_state = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_2); g_key[3].level_state = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0); for(int i=0; i<4; i++) { switch(g_key[i].judge_flag) { case JUDGE: if(g_key[i].level_state == GPIO_PIN_RESET) //主要用于消抖 { g_key[i].judge_flag = 1; } break; case SINGLE://第一次按下，长按、短按 if(g_key[i].level_state == GPIO_PIN_RESET) //按键按下 { press_time_cnt[i]++; }else if(g_key[i].level_state == GPIO_PIN_SET) //按键松开 { if(press_time_cnt[i] >= 50) //长按（按下持续时间>=500ms） { g_key[i].long_flag = 1; //长按标志置1 g_key[i].short_flag = 0; g_key[i].two_flag = 0; }else if(press_time_cnt[i] >= 7) //短按 { g_key[i].short_flag = 1; //短按标志置1 g_key[i].long_flag = 0; g_key[i].two_flag = 0; } g_key[i].judge_flag = 0; press_time_cnt[i] = 0; //清空按下和松开间的计数 } break; } } } }

 //头文件 int main(void) { //其它代码，如初始化，函数调用，变量定义 //主函数中调用长短按键算法部分代码 while (1) { for(int i=0; i<4; i++) { if(g_key[i].short_flag == 1) { g_key[i].short_flag = 0; printf("\r\nKEY %d 短按\r\n", i+1); }else if(g_key[i].long_flag == 1) { g_key[i].long_flag = 0; printf("\r\nKEY %d 长按\r\n", i+1); } } } }

        短按、长按、检测效果图

（3）双击、长按、短按算法

 //按键状态结构体 typedef struct key_state{ int8_t short_flag; //短按flag int8_t long_flag; //长按flag int8_t two_flag; //双击flag int8_t level_state; //电平状态 int32_t start_time; //按下时间 int32_t end_time; //松开时间 int8_t press_cnt; //按下次数 int32_t time_gap; //时间间隔（两次按下） int8_t judge_flag; //按键裁决 }key_state_t; enum {JUDGE = 0, SINGLE = 1, DBCLICK = 2}; //状态机的状态类型 extern key_state_t g_key[4]; //按键状态全局变量 //定时器回调函数，已经配置为10ms触发一次定时器中断回调 void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) { if(htim->Instance == TIM4) //已设置10ms触发一次定时器中断 { static int32_t press_time_cnt[4] = {0}; //按下持续计数值 static int32_t wait_press_cnt[4] = {0}; //等待按键按下计数值 g_key[0].level_state = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_0);//读取引脚电平值 g_key[1].level_state = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_1); g_key[2].level_state = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_2); g_key[3].level_state = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0); for(int i=0; i<4; i++) { switch(g_key[i].judge_flag) { case JUDGE: if(g_key[i].level_state == GPIO_PIN_RESET) //按下 { if(g_key[i].press_cnt == 0) g_key[i].judge_flag = 1; else g_key[i].judge_flag = 2; }else if(g_key[i].level_state == GPIO_PIN_SET) //松开 { if(g_key[i].press_cnt == 1) //双击的第一次按下已经松开了 { g_key[i].judge_flag = 2; } } break; case SINGLE: //第一次按下，长按、短按 if(g_key[i].level_state == GPIO_PIN_RESET) //按键按下 { press_time_cnt[i]++; }else if(g_key[i].level_state == GPIO_PIN_SET) //按键松开 { if(press_time_cnt[i] > 50) //长按（按下持续时间>=500ms） { g_key[i].long_flag = 1; //长按标志置1 g_key[i].short_flag = 0; g_key[i].two_flag = 0; g_key[i].press_cnt = 0; //长按则清除双击的按下按键计数 }else if(press_time_cnt[i] > 9) //短按(持续时间>=90ms) { g_key[i].short_flag = 0; //短按标志需要进一步判断，在一定时间内，如果没有第二次按下，则是短按 g_key[i].long_flag = 0; g_key[i].two_flag = 0; if(g_key[i].press_cnt == 0) { g_key[i].press_cnt = 1; //记录双击的第一次按下 } } g_key[i].judge_flag = 0; press_time_cnt[i] = 0; //清空按下和松开间的计数 } break; case DBCLICK: if(g_key[i].level_state == GPIO_PIN_SET) //按键松开 { if(wait_press_cnt[i]++ >= 25) //250ms内未按下第二次，说明为短按 { g_key[i].short_flag = 1; //短按标志位置1 g_key[i].long_flag = 0; g_key[i].two_flag = 0; g_key[i].press_cnt = 0; g_key[i].judge_flag = 0; wait_press_cnt[i] = 0; } }else if(g_key[i].level_state == GPIO_PIN_RESET) //第二次按键按下 { if((press_time_cnt[i]++ >=7) && (wait_press_cnt[i] >= 5)) //50~250ms内第二次按下且按下的时间大于70ms，则是双击 { g_key[i].two_flag = 1; //双击标志置1 g_key[i].short_flag = 0; g_key[i].long_flag = 0; g_key[i].press_cnt = 0; g_key[i].judge_flag = 0; wait_press_cnt[i] = 0; press_time_cnt[i] = 0; } } break; } } } } 

//头文件 int main(void) { //其它代码，如初始化，函数调用，变量定义 //主函数中，调用按键识别算法部分逻辑代码 while (1) { for(int i=0; i<4; i++) { if(g_key[i].short_flag == 1) { g_key[i].short_flag = 0; printf("\r\nKEY %d 短按\r\n", i+1); }else if(g_key[i].long_flag == 1) { g_key[i].long_flag = 0; printf("\r\nKEY %d 长按\r\n", i+1); }else if(g_key[i].two_flag == 1) { g_key[i].two_flag = 0; printf("\r\nKEY %d 双击\r\n", i+1); } } } return 0; }

        短按、长按、双击检测效果图