【.NET 与树莓派】矩阵按键
欢迎收看火星卫视，本期节目咱们严重探讨一下矩阵按键。
所谓矩阵按键，就是一个小键盘（其实一块PCB板），上面有几个 Key（开关），你不按下去的时候，电路是断开的，你按下去电路就会接通。至于说有多少个按钮，这个就看人家工厂怎么弄了，多见的有 3×3=9个键的，有 4×4=16个键的。各个按键排列成阵势，所以称矩阵按键（或矩阵开关）。叫法很多，知道是啥玩意儿就行，不必纠结。
先上一张图，以供列位看官鉴赏。
老周家里穷，吃饭成问题，故而买了一块裸板裸键的，连键帽都没有的。有套套的当然好看，但太装13了，这种裸键的多好，拿在手上特别有科技感。
这个矩阵有4行4列，上面标印 16 个按键（从“S1”到“S16”）。
这个模块刚拿到手的时候，你可能会疑惑——尼马，怎么有8个引脚，但没有电源正极（VCC）和负极（GND），怎么接线？这种模块比较特殊，它不用接供电相关的线，从上图咱们看到，这厮有8个引脚。其中，C1 到 C4 （这神设计，居然从下往上数的）表示四个列；R1 到 R4 （真逗，又变成从上往下数，这种设计，估计是跟PCB板上的线路有关）表示四个行。因此，用八根线来分别控制四行四列。看看电路图。
看不懂没关系，老周帮你画个变异版本，看起来会简单些。
画得不太正，请见谅。透过这个变异图，能明确看到：行与列交叉的地方都接了个开关（按钮），好，记住这点，下面我们讨论其原理时就好理解了。
矩阵按键模块不需要明确地连接电源正负极，而是把所有引脚都与单片机（此处是树莓派）的 GPIO 口相接。要识别哪个键被按下，就要进行“扫描”，思路就是：
1、四个行所连接的 GPIO 口设置为输出，四个列所连接的 GPIO 口设置为输入。
2、四个行设置为输入，四个列为输出。
以上两种思路的原理都一样，任君挑选。不管是四行还是四列，只要有一个是输出，另一个是输入，那么当按钮被按下时，电路接通，它们就会产生通信，然后再逐行/列进行判断，就能分析出是哪个键被按下了。
举个例子，假如我按下了第二行第三列的键。
那么，R1 和 C3 两根线就会接通，如果 R2 输出了低电平，那么 C3 就会输入低电平。于是就能定位到这个被按下的键的坐标—— R2-C3。
于是，如果我们设定行输出，列输入，那么，可以通过执行这个循环来扫描。
for col=0; col<4; col++ 列col :: 输入模式，并由上拉电阻置为高电平 for row=0; row<4; row++ 接线row :: 输出模式 接线row --> 发送低电平 for col=0; col<4; col++ if 列col 读到低电平 被按下的键：行=row，列=col
首先，把四列设置输入模式，并内部上拉。即通过树莓派内部与电源并联的上拉电阻，使四个列的默认输入值为高电平。
然后，逐行测试，每个行依次输出低电平，再看看是哪个列收到了低电平，就说明电路接通，行列交叉点上的按钮被按下。
如果设定为列输出，行输入。
for row=0; row<4; row++ 行row :: 输入，内部上拉 for col=0; col<4; col++ 接线col :: 输出模式 接线col --> 发送低电平 for row=0; row<4; row++ if 行row 读到低电平 被按下的键：行=row，列=col
原理和上面一样。
总的来说就是，输出端发送低电平，如果线路接通，接收端就会收到低电平，其他未接通的会保持默认的高电平。
下面进入敲代码环节。
先写一个 Key 类，包含按键所在的行号与列号，关联的键码（自定义的标签，可以为任意内容字符串），以及一个布尔值属性表示按键是否被按下。
public class Key { public Key(int row, int column, string keycode) { Row = row; Column = column; Code = keycode; Pressed = false; } // 行号（从0开始，程序员习惯） public int Row { get; set; } // 列号（从0开始） public int Column { get; set; } // 自定义键码（与按键关联的字符，可以自定义） public string Code { get; set; } // 标志按键是否被按下 public bool Pressed { get; set; } }
然后，正式写核心类。为了连贯性，我献上完整的代码，以供鉴宝。
public class KeyScanner : IDisposable { #region 私有成员 private int[] _rowpins, _colpins; private GpioController _gpioctrl; private IEnumerable<Key> _keymaps; #endregion #region 构造函数 public KeyScanner(int[] rowPins, int[] colPins, IEnumerable<Key> keys) { if (rowPins is (null or { Length: 0 })) { throw new ArgumentException(nameof(rowPins)); } if (colPins is (null or { Length: 0 })) { throw new ArgumentException(nameof(colPins)); } if (keys.Count() != rowPins.Length * colPins.Length) { throw new ArgumentException(nameof(keys)); } _rowpins = rowPins; _colpins = colPins; _keymaps = keys; _gpioctrl = new(); // 打开所有接口 foreach (int p in _rowpins) { _gpioctrl.OpenPin(p); } foreach (int p in _colpins) { _gpioctrl.OpenPin(p); } } public void Dispose() { // 关闭所有接口 foreach (int p in _rowpins) { if (_gpioctrl.IsPinOpen(p)) { _gpioctrl.ClosePin(p); } } foreach (int p in _colpins) { if (_gpioctrl.IsPinOpen(p)) { _gpioctrl.ClosePin(p); } } _gpioctrl.Dispose(); _gpioctrl = null; } #endregion #region 公共属性 // 获取行数 public int Rows => _rowpins.Length; // 获取列数 public int Columns => _colpins.Length; #endregion #region 公共方法 public void Scan() { // 将所有按键信息全改为未按下状态 foreach (Key k in _keymaps) { k.Pressed = false; } // 行输出，列输入 // 所有列设置为输入模式，并由内部上拉电阻拉高电平 foreach (int pin in _colpins) { _gpioctrl.SetPinMode(pin, PinMode.InputPullUp); } // 所有的行设置为输出模式 // 逐行输出低电平，然后看看哪个列接收到低电平 // 那么就能锁定是哪个按键被按下 int row, col; for (row = 0; row < Rows; row++) { _gpioctrl.SetPinMode(_rowpins[row], PinMode.Output); // 输出低电平 _gpioctrl.Write(_rowpins[row], 0); // 检查每个列，看看谁收到了低电平 for (col = 0; col < Columns; col++) { if (_gpioctrl.Read(_colpins[col]) == 0) { // 此时被按下按钮的 // 行号：row // 列号：col Key theKey = _keymaps.FirstOrDefault(z => z.Column == col && z.Row == row); // 标记为按下状态 theKey.Pressed = true; } } // 扫描完后把这一行改为输入模式 // 不要让它继续输出 _gpioctrl.SetPinMode(_rowpins[row], PinMode.Input); } } public Key GetKey() { // 只返回一个 return _keymaps.FirstOrDefault(z => z.Pressed); } public ReadOnlySpan<Key> GetKeys() { // 返回多个 return _keymaps.Where(z => z.Pressed).ToArray(); } #endregion }
最最关键的部分是键扫描的代码，单独重播一下。
public void Scan() { // 将所有按键信息全改为未按下状态 foreach (Key k in _keymaps) { k.Pressed = false; } // 行输出，列输入 // 所有列设置为输入模式，并由内部上拉电阻拉高电平 foreach (int pin in _colpins) { _gpioctrl.SetPinMode(pin, PinMode.InputPullUp); } // 所有的行设置为输出模式 // 逐行输出低电平，然后看看哪个列接收到低电平 // 那么就能锁定是哪个按键被按下 int row, col; for (row = 0; row < Rows; row++) { _gpioctrl.SetPinMode(_rowpins[row], PinMode.Output); // 输出低电平 _gpioctrl.Write(_rowpins[row], 0); // 检查每个列，看看谁收到了低电平 for (col = 0; col < Columns; col++) { if (_gpioctrl.Read(_colpins[col]) == 0) { // 此时被按下按钮的 // 行号：row // 列号：col Key theKey = _keymaps.FirstOrDefault(z => z.Column == col && z.Row == row); // 标记为按下状态 theKey.Pressed = true; } } // 扫描完后把这一行改为输入模式 // 不要让它继续输出 _gpioctrl.SetPinMode(_rowpins[row], PinMode.Input); } }
此处老周采用的是行输出，列输入的方案。流程如下：
1、枚举所有 Key 实例，将 Pressed 属性设置为 false（相当于重置）；
2、将所有与列连接的 GPIO 接口设定为输入模式并上拉（默认高电平）；
3、枚举每个与行连线的 GPIO 接口，依次输出低电平；
4、在某个行输出低电平后，枚举所有列，看看谁收到了低电平，就说明那个按键被按下，接通了电路；
5、每一行扫描结束后，将其设为输入模式（此步是可选的，主要是为了不让接口继续输出，其实省略这步也没问题，但要保证不要让引脚接触到其他导体，可能会意外放出电流）。
可能有的朋友看过其他单片机中有关轻触开关的教程，会疑惑：老周，你为什么不延时几十毫秒来防止抖动呢？平时用按键开关开灯的时候，如果你注意看的话，会发现在开启的瞬间灯会闪烁。这个就是开关在接通的时候会有短时间的抖动（可能是开关抖，也可能是你手抖），这样会导致有一段时间内电路不稳定。不过，老周这里把 Scan 过程独立出来了——也就是说在扫描按键的过程中不去响应任何操作（不去控制开灯或关灯），而是在扫描之后，通过 GetKey 方法来获取被按下的键，可以有效避免抖动。当然了，你可以每次调用 Scan 方法之间做些延时，防止连续触发（如果按着开关不放就会连续触发，这个得看你怎么去处理了）。
最后，主程序入口点测试代码。
int[] rowpins = { 23, 24, 25, 16 }; int[] colpins = { 17, 27, 22, 26 }; Key[] maps = { new(0,0,"S1"), new(0,1,"S2"), new(0,2,"S3"), new(0,3,"S4"), new(1,0,"S5"), new(1,1,"S6"), new(1,2,"S7"), new(1,3,"S8"), new(2,0,"S9"), new(2,1,"S10"), new(2,2,"S11"), new(2,3,"S12"), new(3,0,"S13"), new(3,1,"S14"), new(3,2,"S15"), new(3,3,"S16") }; using KeyScanner scanner = new(rowpins, colpins, maps); while (running) { scanner.Scan(); Key pk = scanner.GetKey(); // 当没有按下的键时，会得到 null，跳过处理 if (pk == null) continue; string msg = $"按下了【{pk.Code}】键，第{pk.Row + 1}行第{pk.Column + 1}列"; Console.WriteLine(msg); Thread.Sleep(500); }
这两行代码指定了树莓派上使用的引脚号（注意不是板子上的顺序号，而是 GPIO 的BCM编号）。
a、连接 R1-R4，使用了 23、24、25、16 号脚；
b、连接 C1-C4，使用了 17、27、22、26 号脚。
发布程序：
dotnet publish -r linux-arm -c Release --no-self-contained
如果你的树莓派上没有 .NET 运行时，可以去掉 --no-self-contained，这样能直接运行，缺点是体积大一些，文件多一些。
把生成的文件全部上传到树莓派，运行。随后可以按不同的键进行测试。
现在回过头来看看，前文中提到的上拉电阻，树莓派内部有上拉电阻，因此我们不需要自己接电阻。上拉电阻就是在 GPIO 接口与电源间并联的一个电阻。该电阻阻值很大，几乎没有电流通过。这个并联出来的支路不是用来供电的，所以没有电流通过也不要紧。
老周简单画了个图，不太规范，只求简单好理解。
电阻 R 与 IO 口并联，且接到电源上（假设是 3.3V 电压），现在开关 S 闭合，与开关连接的另一个接口发出了低电平信号。这时候电路接通，电流当然选择畅通无阻的 GPIO 接口，所以 CPU 收到低电平信号。
那要是开关 S 断开呢。
开关 S 断开后，GPIO 口与外部的连接就会断开，此时虽然电阻 R 所在的支路阻力很大（妖魔当道，可能还有土匪拦路打劫，说不定还有色狼），但是，由于通信口断了，电流别无选择，哪怕半路翻车、身首异处，也得闯一闯。就算电阻 R 处无电流能通过，但 R 两端的电势差是存在的，所以此时 CPU 从 R 的下端读到 3.3V，信号保持在高电平状态。
有上拉电阻，当然就会有下拉电阻，其原理一样，只是并联的电阻与 GND 相连，读到电压 0V，保持在低电平状态。
当开关 S 断开后，通信口断开，电阻 R 与 GND 之间的电势差为 0V。于是，CPU 读到的信号保持在低电平。
好，总结一下：上拉电阻使信号默认为高电平，下拉电阻使信号默认为低电平。前提：通信电路断开。
为什么要这样做呢？还是回到那个老掉牙话题，计算机只认识 0 和 1，也就是说，你必须给 CPU 下达一个明确的指令，要么是0，要么是1。如果通信电路断开后，那 CPU 咋办，它不知道通信接口那里是啥情况。如果通信接口附近有电场，或者空气中刚好有电荷通过，以及各种不可预知的情况，可能会导致电势产生不规则波动，一会儿高电平，一会儿低电平，信号不确定的时候很容易使 CPU 抽风。因为它不知道你要叫它干吗。
本文示例的源代码，点这里下载
