Ghost Key 鬼键处理技术

一、矩阵键盘按键扫描原理：

在单片机中，我们如果要获取一个按键的状态，可以将按键连接到 MCU 的一个引脚上，通过 GPIO 实时监控这个按键的状态变化，但是，假设我有 100 个按键需要获取状态，那么是不是要配置 100 个 GPIO 呢？当然不是。按照常规做法会非常浪费 IO 资源，所以我们要引进矩阵键盘技术。矩阵实际上是一种接口技术，可以用于连接输入，例如机械键盘，也可用于矩阵式的 RGB 输出控制。根据矩阵分布，我们可以将 GPIO 分为两部分，行和列，类比于 EXCEL 工作表。

一个 4*4 的矩阵布置如下图：

图一

红线为行，蓝线为列，行列相交，图中行列互不相交，此时我在每个行列交叉位置再添加一个按键，如下图：

图二

这时候，行列交叉处都由一个按键进行连接，产生一个结节。按键按下时，对应行列将会相交。而每个按键的位置则对应了行列的值，这样的话，如果要获取这 16 个按键值，只需要 8 个 GPIO 即可做到，能够大大节省 IO 资源。我们可以设置列为 GPIO 输出，行为输入，通过不停地顺序设置列的 IO 状态为高，然后检测行的 IO 状态，即 MCU 会有规律地依次从 ABCD 上输出高电平，输出高电平地同时读取 1234 引脚的状态。每一列都可看为单独的 4 个按键，若按下 A1 按键，则行 1 会检测到高电平变化，说明按键按下了。通过这种方式，我们可以实时获取到这 16 个按键的状态。以上这种以行列排布的方式，就是矩阵键盘。

在一些单按键操作中，这种 4*4 的矩阵按键已经足够使用，也不需要组合按键。此时矩阵按键的缺陷并没有暴露出来，但在实际应用中，机械键盘或者薄膜键盘中，不管是办公还是游戏场景下，都会有很多情况下需要用到组合按键。在矩阵键盘中多个按键同时按下后，这就是组合按键了。

二、鬼键产生原因

通过上面的讲解，我们可以基本了解矩阵键盘的原理，现在我们继续熟悉矩阵键盘容易出现的缺陷之处。假设上图的矩阵键盘中，我们同时按下 A1-A4 按键，MCU 端能够实时监控到按键 A1-A4 按下了，这是一次正常的扫键过程。假设如下图操作，我们同时按下 B2,B3,C2 按键时，当 C 端口输出高电平，C 线上的电会通过 C2 按键传输至 B 线，由于 B3 也按下，此时 2，3 端口都会读取到高电平，MCU 则会认为按键 C2、C3 已经被按下了，然而此时 C3 按键实际上并没有按下，这种现象可称为“重影现象”。

图三

在电脑游戏中有很多组合按键，如果对这部分按键不加以处理，就会导致按键识别错误。换一种情况，这时候，我们同时按下 B2,B3,C2,C3 按键，2，3 端口都会检测到高电平。

图四

此时我们松开 C2 按键，C 端口高电平时，会发现 3 端口电平依旧为高，仍然没有任何变化，MCU 无法检测到按键 C2 释放，这种现象也称为“遮罩现象”。

图五

以上，没有触发的按键，MCU 识别到按键触发，触发的按键，MCU 无法识别到，这种不按照实际情况识别按键的情况，称之为“鬼键”，鬼键会引起一系列错误，

使得使用者非常苦恼。

三、鬼键消除技术

那么我们可以通过什么方法去规避这些鬼键的触发呢？我们可以从硬件和软件方面进行规避，先从硬件方向讲解，如下图，我们可以在每个按键旁边添加一个二极管，可以防止在同时按下 B2，C2 按键时，当 C 端口输出高电平，电被传导至 B 端口的情况。添加二极管可以防止电流倒灌，但会增加成本，通常在机械键盘中，我们会添加二极管进行防鬼键。在一些特定情况下，例如轮询速度比较快的时候，我们需要选择合适的二极管，通常可用廉价的 LN4148 通用二极管，假如需要更快的采样，更多的按键，我们可以采用肖特基二极管。

图六

当然，在产品中，我们还可以合理地设计按键的位置，也能够有效地避免实际应用中触发鬼键，在某些少按键的产品应用中，例如 61 键 、87 键等等，所需按键不多的情况下，我们可以进行合理地留空，去避免一些鬼键的产生。通常在微软系统中，组合键为 Control Key，我们可以对这些按键进行特别的摆放，组合按键不放在同一行，也能够进行避免。

我们继续从软件方向进行防止鬼键在，在软件中，需要及时发现鬼键，并且丢弃，防止出错。假设我们现在采用的是 8*16 的矩阵，C0-C15 为列，R0-R7 为行，8 个行 GPIO 用做电平输入，16 个列 GPIO 用作电平输出，依次在 C0-C15 上输出高电平，同时记录 R0-R7 的电平状态，由此类推，可以记录出 16 组 R0-R7 的状态，即最大可识别 128 个按键的状态变化。

我们设定 Keyboard_old_state[x] 记录上一组的扫键 bit 记录值，keyboard_new_state[x] 记录当前组的扫键 bit 记录值，每一个记录值记录当前组 R0-R7 的状态，然后我们将这两个 state 进行异或运算处理，再用一个变量去记录这个异或运算值，如果这个变量 bit 计算超过 2 个 bit 是置为 1 的，说明此时有鬼键触发。扫描按键流程为：首先通过for 循环从左至右，找出有按键触发的第一列，然后再从有按键的下一列开始继续向右查询有按键的一列，记录下这两列的 state 值，每列对应 8 bit 值，再使用变量记录下当前两个state  值异或运算后的值，对该变量进行判断处理，假设同 bit 位的值为 2 个以上，则说明有鬼键触发，需要进行软件丢键处理。比如 C1，C2 均有按键按下，当 C1 对应值为 0x10001000，C2 对应值为 0x10001000，如上判断即成立，认为有鬼键触发。

• 判断按键中是否有鬼键触发：

  /*==================ghost handle=================*/
    u32CurScanCode = (C0 | (C1<<1U) | (C2<<2U) | (C3<<3U) | (C4<<4U) | (C5<<5U)| (C6<<6U)| (C7<<7U));
    uint32_t ScanCode;
    ScanCode = u32CurScanCode & ~(0xffffff00);
    ghost_bitmap=ghost_history & ScanCode;
    if(ghost_bitmap != 0 && ghost_bitmap != 0x01)
    {
      while( !(ghost_bitmap & 0x01) )
      {
        ghost_bitmap >>= 1;
      }    
      if(ghost_bitmap != 0x01)
      {
        Ghost_key=true;
        ghost_key_cnt = 10;
        PRINTF("catch ghostkey!\r\n");
      }
    }
    GPIO_ClearPinsOutput(GPIOA,1<<BOARD_SW9_GPIO_PIN);
    ghost_history |= ScanCode; // update ghost history
   /*==================ghost handle=================*/

• 鬼键处理：

  if (ghost_key_cnt > 0)
  {   
    ghost_key_cnt--;
    if (ghost_key_cnt == 0)
    {
      Ghost_key = false;
      Key_data_change = true;
    }
  }

• 鬼键丢弃，上报空包数据

  if(!Ghost_key)
    {
      for(uint8_t i=2;i<=8;i++)
      {
        if(KeyboardBuffer_Send[i]>=0xE8)
        {
          KeyboardBuffer_Send[i]=0;
        }
      }
      Send_KeyboardReport(KeyboardBuffer_Send);   //sent normal key data keyboard report
}

四、总结

以上则为本篇所讲的鬼键处理技术，后续会推出更多关于 MCU 的知识，欢迎大家关注！

五、参考资料

【1】http://pcbheaven.com/wikipages/How_Key_Matrices_Works/

【2】https://github.com/coreboot/chrome-ec/blob/main/common/keyboard_scan.c