按键扫描——用74HC595和74HC165扩展GPIO实现矩阵键盘
在上一篇文章中，我们成功地将LCD驱动集成到了NumWorks的Ion层，实现了显示输出。接下来，我们需要解决输入问题——如何让ESP32-S3读取NumWorks的按键。
NumWorks原版采用按键矩阵设计，直接使用MCU的GPIO连接行线和列线。对于一个典型的8行×8列的矩阵，需要16个GPIO引脚。ESP32-S3虽然GPIO数量不少，但考虑到其他外设（如PSRAM、LCD、USB、SD卡等）的占用，直接使用16个引脚会显得捉襟见肘。为了节省宝贵的GPIO，我们引入串行扩展芯片：用74HC595作为列驱动（输出），用74HC165作为行读取（输入），并且让它们共用时钟引脚，只需少量GPIO即可驱动整个矩阵。
本文将详细介绍这种硬件设计方案、电路连接、以及如何在ESP32-S3上实现按键扫描，并最终将其适配到NumWorks的Ion::Keyboard接口中。
1. 为什么需要串行扩展？
1.1 原版NumWorks的按键矩阵
NumWorks的键盘是一个典型的矩阵结构，例如：
| Row0 | A | B | C | … |
| Row1 | D | E | F | … |
| … | … | … | … | … |
扫描原理：MCU将某一列拉低（输出低电平），然后读取所有行的电平。如果某行被拉低，说明该行与当前列的交点处有按键按下。如此循环扫描所有列，即可检测所有按键。
原版设计中，列线和行线都直接连接到MCU的GPIO。对于8×8的矩阵，需要16个GPIO。
1.2 ESP32-S3的引脚压力
ESP32-S3虽然有40多个GPIO，但许多引脚有特殊功能或已被占用：
- LCD I8080并口：至少占用8条数据线 + WR、DC、CS、RST等，约12~15个引脚。
- PSRAM：通常占用专用引脚（如GPIO 26-32）。
- USB、SD卡、调试串口等也会占用一些引脚。
如果直接使用16个GPIO做键盘，几乎不可能。因此，我们需要使用串行扩展芯片来大幅减少引脚占用。
2. 硬件设计方案：74HC595 + 74HC165
2.1 芯片简介
| 74HC595 | 8位串行输入/并行输出移位寄存器 | 用于输出，可级联，带有输出锁存器 |
| 74HC165 | 8位并行输入/串行输出移位寄存器 | 用于输入，可级联 |
2.2 工作原理
我们设计一个共用时钟、独立数据线的方案：
- 时钟线（SCK）：74HC595和74HC165共用同一个时钟引脚（例如GPIO 4）。
- 数据线：
- 74HC595的数据输入（DS）：用于向595写入列扫描数据（哪个列被拉低）。
- 74HC165的串行输出（Q7）：用于从165读取当前行的状态。
- 锁存/加载引脚：
- 74HC595的锁存（RCLK）：当一帧数据移位完成后，拉高锁存引脚，将数据并行输出到列引脚。
- 74HC165的并行加载（PL）：低电平时将当前行电平锁存到内部寄存器，然后可以通过时钟移位读出。
这样，总共只需要4个GPIO（SCK、595_DS、165_Q7、595_RCLK/165_PL，若共用则5个，但通常将RCLK和PL分开，以便独立控制）。
2.3 电路连接示意图
假设我们使用4个74HC595级联（用于16列）和4个74HC165级联（用于16行），但NumWorks通常是8列×8行，所以我们各用1片即可（可扩展性依然保留）。下面以8×8矩阵为例：
text
ESP32-S3 74HC595 (列驱动) 74HC165 (行读取)
GPIO4 (SCK) —> SCK (pin 11) —> SCK (pin 2) [共用时钟]
GPIO5 (DS) —> DS (pin 14) – [不连接]
GPIO6 (Q7) — [不连接] <— Q7 (pin 9) (串行输出)
GPIO7 (RCLK) —> RCLK (pin 12) – [不连接]
GPIO8 (PL) — [不连接] —> PL (pin 1) (并行加载)
矩阵连接：
595并行输出 QA~QH (pin15,1-7) 接矩阵的列线0~7
165并行输入 A~H (pin11-4,3,10) 接矩阵的行线0~7
注：如果595和165的时钟极性要求相同（通常都是上升沿移位），共用时钟没有问题。但需注意595的锁存（RCLK）和165的加载（PL）是独立控制的，因此需要两个额外的GPIO，总共4+2=6个。如果你希望进一步节省引脚，可以将RCLK和PL也共用一个引脚，但时序上要小心处理（先完成移位，然后同时锁存和加载，可能会互相干扰）。建议保留独立控制以确保稳定性。
2.4 节省引脚的效果
使用上述方案，驱动8×8键盘仅需：
- SCK : 1
- 595_DS : 1
- 165_Q7 : 1
- 595_RCLK: 1
- 165_PL : 1
总共5个GPIO（如果RCLK和PL可合并则只需4个），相比16个GPIO节省了11个！
3. 按键扫描软件实现
3.1 扫描原理
扫描过程分为两步：
为了提高抗干扰能力，通常会在每个扫描周期内读取多次并去抖动。
3.2 ESP-IDF中的GPIO控制
我们使用ESP-IDF的GPIO驱动来控制上述引脚。需要将SCK、DS、RCLK、PL配置为推挽输出，Q7配置为输入（可能带上拉）。
3.3 关键代码片段
以下是一个简化的按键扫描函数示例（假设有5个控制引脚）：
c
#include "driver/gpio.h"
// 引脚定义（需与硬件一致）
#define PIN_SCK 4
#define PIN_595_DS 5
#define PIN_165_Q7 6
#define PIN_595_RCLK 7
#define PIN_165_PL 8
// 初始化GPIO
void keypad_init(void) {
gpio_config_t io_conf = {
.pin_bit_mask = (1ULL<<PIN_SCK) | (1ULL<<PIN_595_DS) |
(1ULL<<PIN_595_RCLK) | (1ULL<<PIN_165_PL),
.mode = GPIO_MODE_OUTPUT,
.pull_up_en = GPIO_PULLUP_DISABLE,
.pull_down_en = GPIO_PULLDOWN_DISABLE,
.intr_type = GPIO_INTR_DISABLE,
};
gpio_config(&io_conf);
io_conf.pin_bit_mask = (1ULL<<PIN_165_Q7);
io_conf.mode = GPIO_MODE_INPUT;
io_conf.pull_up_en = GPIO_PULLUP_ENABLE; // 内部上拉，确保未按下时高电平
gpio_config(&io_conf);
}
// 向595写入一个字节（列数据）
void shift_out_595(uint8_t col_data) {
for (int i = 0; i < 8; i++) {
gpio_set_level(PIN_SCK, 0);
gpio_set_level(PIN_595_DS, (col_data >> (7-i)) & 1); // 高位先出
gpio_set_level(PIN_SCK, 1); // 上升沿移位
}
}
// 从165读取一个字节（行状态）
uint8_t shift_in_165(void) {
uint8_t row_data = 0;
for (int i = 0; i < 8; i++) {
gpio_set_level(PIN_SCK, 0);
row_data = (row_data << 1) | gpio_get_level(PIN_165_Q7); // 读取Q7（高位先出）
gpio_set_level(PIN_SCK, 1); // 上升沿移位
}
return row_data;
}
// 按键扫描：获取当前所有按键状态（矩阵形式）
void keypad_scan(uint8_t key_state[8][8]) {
// 先拉低PL，锁存当前行电平到165内部
gpio_set_level(PIN_165_PL, 0);
gpio_set_level(PIN_165_PL, 1); // 上升沿锁存（实际是低有效，拉高后保持）
for (int col = 0; col < 8; col++) {
// 准备列数据：只有当前列为0，其余为1
uint8_t col_data = ~(1 << col); // 注意：595输出高电平有效？需要看实际电路。通常595输出高电平驱动列线，所以拉低一列应输出0，其余输出1。
shift_out_595(col_data);
// 锁存到595输出（RCLK上升沿）
gpio_set_level(PIN_595_RCLK, 0);
gpio_set_level(PIN_595_RCLK, 1);
// 延时一小段时间，等待信号稳定（可选）
esp_rom_delay_us(5);
// 读取当前行的状态
uint8_t row_data = shift_in_165();
// 将行数据存入状态矩阵（row_data的每一位对应一行）
for (int row = 0; row < 8; row++) {
key_state[row][col] = (row_data >> row) & 1 ? 0 : 1; // 假设低电平表示按下
}
}
}
注意：实际电平极性取决于硬件连接。如果595输出高电平导通列线，那么拉低一列应输出0；如果行线上拉了电阻，按下时行线被拉低，那么读取到的电平0表示按下。你需要根据实际电路调整极性。
3.4 去抖动处理
机械按键存在抖动，通常需要在扫描中加入去抖动逻辑。简单的方法是：每隔10~20ms扫描一次，并记录前后两次扫描结果，只有当某按键连续两次检测到相同状态时才认为状态变化。NumWorks本身也有一套去抖机制，我们只需要提供原始的按键状态矩阵即可。
3.5 集成到Ion::Keyboard
NumWorks的键盘抽象层位于ion/include/ion/keyboard.h和ion/src/device/shared/drivers/keyboard.h。我们需要为ESP32-S3实现以下函数：
- Ion::Keyboard::State：获取当前按键状态。通常返回一个Keyboard::State对象，其中包含所有按键的按下状态。
- Ion::Keyboard::scan：执行一次扫描，更新内部状态。
在ESP32-S3的实现中，我们将上面的扫描函数封装起来，并按照NumWorks的按键映射（每个按键对应一个矩阵坐标）将原始矩阵转换为Keyboard::State。
例如，在ion/src/esp32s3/keyboard.cpp中：
cpp
#include <ion/keyboard.h>
#include "keypad_hardware.h" // 上面的硬件驱动函数
namespace Ion {
namespace Keyboard {
State scan() {
uint8_t matrix[8][8];
keypad_scan(matrix); // 从硬件读取原始矩阵
State state;
// 清空state
for (int i = 0; i < sizeof(state)/sizeof(state.uint8); i++) {
((uint8_t*)&state)[i] = 0;
}
// 将matrix映射到state的各个位
// 假设按键映射表 keyMap[row][col] 对应 Keyboard::Key 枚举
for (int row = 0; row < 8; row++) {
for (int col = 0; col < 8; col++) {
if (matrix[row][col]) {
Key k = keyMap[row][col]; // 你需要定义一个映射表
if (k != Key::None) {
state.setKey(k, true);
}
}
}
}
return state;
}
State* state() {
static State state;
return &state;
}
}
}
其中keyMap需要根据NumWorks的键盘布局定义，可以在原版keyboard.h中找到。
4. 电路设计注意事项
5. 总结
通过使用74HC595和74HC165串行扩展芯片，我们成功地将ESP32-S3的键盘接口从16个GPIO减少到5个GPIO，为其他外设留出了充足的空间。硬件设计简单可靠，软件扫描算法清晰，易于集成到NumWorks的Ion层中。
接下来，我们将进入更复杂的模块——存储模拟（Ion::Storage），即如何用ESP32-S3的NVS分区或SPIFFS来模拟NumWorks的内部闪存存储，以便保存用户数据和应用。敬请期待！
