歡迎收看火星衛視，本期節目我們們嚴重探討一下矩陣按鍵。
所謂矩陣按鍵，就是一個小鍵盤（其實一塊PCB板），上面有幾個 Key（開關），你不按下去的時候，電路是斷開的，你按下去電路就會接通。至於說有多少個按鈕，這個就看人家工廠怎麼弄了，多見的有 3×3=9個鍵的，有 4×4=16個鍵的。各個按鍵排列成陣勢，所以稱矩陣按鍵（或矩陣開關）。叫法很多，知道是啥玩意兒就行，不必糾結。
先上一張圖，以供列位看官鑑賞。
老周家裡窮，吃飯成問題，故而買了一塊裸板裸鍵的，連鍵帽都沒有的。有套套的當然好看，但太裝13了，這種裸鍵的多好，拿在手上特別有科技感。
這個矩陣有4行4列，上面標印 16 個按鍵（從“S1”到“S16”）。
這個模組剛拿到手的時候，你可能會疑惑——尼馬，怎麼有8個引腳，但沒有電源正極（VCC）和負極（GND），怎麼接線？這種模組比較特殊，它不用接供電相關的線，從上圖我們們看到，這廝有8個引腳。其中，C1 到 C4 （這神設計，居然從下往上數的）表示四個列；R1 到 R4 （真逗，又變成從上往下數，這種設計，估計是跟PCB板上的線路有關）表示四個行。因此，用八根線來分別控制四行四列。看看電路圖。
看不懂沒關係，老周幫你畫個變異版本，看起來會簡單些。
畫得不太正，請見諒。透過這個變異圖，能明確看到：行與列交叉的地方都接了個開關（按鈕），好，記住這點，下面我們討論其原理時就好理解了。
矩陣按鍵模組不需要明確地連線電源正負極，而是把所有引腳都與微控制器（此處是樹莓派）的 GPIO 口相接。要識別哪個鍵被按下，就要進行“掃描”，思路就是：
1、四個行所連線的 GPIO 口設定為輸出，四個列所連線的 GPIO 口設定為輸入。
2、四個行設定為輸入，四個列為輸出。
以上兩種思路的原理都一樣，任君挑選。不管是四行還是四列，只要有一個是輸出，另一個是輸入，那麼當按鈕被按下時，電路接通，它們就會產生通訊，然後再逐行/列進行判斷，就能分析出是哪個鍵被按下了。
舉個例子，假如我按下了第二行第三列的鍵。
那麼，R1 和 C3 兩根線就會接通，如果 R2 輸出了低電平，那麼 C3 就會輸入低電平。於是就能定位到這個被按下的鍵的座標—— R2-C3。
於是，如果我們設定行輸出，列輸入，那麼，可以通過執行這個迴圈來掃描。
for col=0; col<4; col++ 列col :: 輸入模式，並由上拉電阻置為高電平 for row=0; row<4; row++ 接線row :: 輸出模式 接線row --> 傳送低電平 for col=0; col<4; col++ if 列col 讀到低電平 被按下的鍵：行=row，列=col
首先，把四列設定輸入模式，並內部上拉。即通過樹莓派內部與電源並聯的上拉電阻，使四個列的預設輸入值為高電平。
然後，逐行測試，每個行依次輸出低電平，再看看是哪個列收到了低電平，就說明電路接通，行列交叉點上的按鈕被按下。
如果設定為列輸出，行輸入。
for row=0; row<4; row++ 行row :: 輸入，內部上拉 for col=0; col<4; col++ 接線col :: 輸出模式 接線col --> 傳送低電平 for row=0; row<4; row++ if 行row 讀到低電平 被按下的鍵：行=row，列=col
原理和上面一樣。
總的來說就是，輸出端傳送低電平，如果線路接通，接收端就會收到低電平，其他未接通的會保持預設的高電平。
下面進入敲程式碼環節。
先寫一個 Key 類，包含按鍵所在的行號與列號，關聯的鍵碼（自定義的標籤，可以為任意內容字串），以及一個布林值屬性表示按鍵是否被按下。
public class Key { public Key(int row, int column, string keycode) { Row = row; Column = column; Code = keycode; Pressed = false; } // 行號（從0開始，程式設計師習慣） public int Row { get; set; } // 列號（從0開始） public int Column { get; set; } // 自定義鍵碼（與按鍵關聯的字元，可以自定義） public string Code { get; set; } // 標誌按鍵是否被按下 public bool Pressed { get; set; } }
然後，正式寫核心類。為了連貫性，我獻上完整的程式碼，以供鑑寶。
public class KeyScanner : IDisposable { #region 私有成員 private int[] _rowpins, _colpins; private GpioController _gpioctrl; private IEnumerable<Key> _keymaps; #endregion #region 建構函式 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(); // 開啟所有介面 foreach (int p in _rowpins) { _gpioctrl.OpenPin(p); } foreach (int p in _colpins) { _gpioctrl.OpenPin(p); } } public void Dispose() { // 關閉所有介面 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 公共屬性 // 獲取行數 public int Rows => _rowpins.Length; // 獲取列數 public int Columns => _colpins.Length; #endregion #region 公共方法 public void Scan() { // 將所有按鍵資訊全改為未按下狀態 foreach (Key k in _keymaps) { k.Pressed = false; } // 行輸出，列輸入 // 所有列設定為輸入模式，並由內部上拉電阻拉高電平 foreach (int pin in _colpins) { _gpioctrl.SetPinMode(pin, PinMode.InputPullUp); } // 所有的行設定為輸出模式 // 逐行輸出低電平，然後看看哪個列接收到低電平 // 那麼就能鎖定是哪個按鍵被按下 int row, col; for (row = 0; row < Rows; row++) { _gpioctrl.SetPinMode(_rowpins[row], PinMode.Output); // 輸出低電平 _gpioctrl.Write(_rowpins[row], 0); // 檢查每個列，看看誰收到了低電平 for (col = 0; col < Columns; col++) { if (_gpioctrl.Read(_colpins[col]) == 0) { // 此時被按下按鈕的 // 行號：row // 列號：col Key theKey = _keymaps.FirstOrDefault(z => z.Column == col && z.Row == row); // 標記為按下狀態 theKey.Pressed = true; } } // 掃描完後把這一行改為輸入模式 // 不要讓它繼續輸出 _gpioctrl.SetPinMode(_rowpins[row], PinMode.Input); } } public Key GetKey() { // 只返回一個 return _keymaps.FirstOrDefault(z => z.Pressed); } public ReadOnlySpan<Key> GetKeys() { // 返回多個 return _keymaps.Where(z => z.Pressed).ToArray(); } #endregion }
最最關鍵的部分是鍵掃描的程式碼，單獨重播一下。
public void Scan() { // 將所有按鍵資訊全改為未按下狀態 foreach (Key k in _keymaps) { k.Pressed = false; } // 行輸出，列輸入 // 所有列設定為輸入模式，並由內部上拉電阻拉高電平 foreach (int pin in _colpins) { _gpioctrl.SetPinMode(pin, PinMode.InputPullUp); } // 所有的行設定為輸出模式 // 逐行輸出低電平，然後看看哪個列接收到低電平 // 那麼就能鎖定是哪個按鍵被按下 int row, col; for (row = 0; row < Rows; row++) { _gpioctrl.SetPinMode(_rowpins[row], PinMode.Output); // 輸出低電平 _gpioctrl.Write(_rowpins[row], 0); // 檢查每個列，看看誰收到了低電平 for (col = 0; col < Columns; col++) { if (_gpioctrl.Read(_colpins[col]) == 0) { // 此時被按下按鈕的 // 行號：row // 列號：col Key theKey = _keymaps.FirstOrDefault(z => z.Column == col && z.Row == row); // 標記為按下狀態 theKey.Pressed = true; } } // 掃描完後把這一行改為輸入模式 // 不要讓它繼續輸出 _gpioctrl.SetPinMode(_rowpins[row], PinMode.Input); } }
此處老周採用的是行輸出，列輸入的方案。流程如下：
1、列舉所有 Key 例項，將 Pressed 屬性設定為 false（相當於重置）；
2、將所有與列連線的 GPIO 介面設定為輸入模式並上拉（預設高電平）；
3、列舉每個與行連線的 GPIO 介面，依次輸出低電平；
4、在某個行輸出低電平後，列舉所有列，看看誰收到了低電平，就說明那個按鍵被按下，接通了電路；
5、每一行掃描結束後，將其設為輸入模式（此步是可選的，主要是為了不讓介面繼續輸出，其實省略這步也沒問題，但要保證不要讓引腳接觸到其他導體，可能會意外放出電流）。
可能有的朋友看過其他微控制器中有關輕觸開關的教程，會疑惑：老周，你為什麼不延時幾十毫秒來防止抖動呢？平時用按鍵開關開燈的時候，如果你注意看的話，會發現在開啟的瞬間燈會閃爍。這個就是開關在接通的時候會有短時間的抖動（可能是開關抖，也可能是你手抖），這樣會導致有一段時間內電路不穩定。不過，老周這裡把 Scan 過程獨立出來了——也就是說在掃描按鍵的過程中不去響應任何操作（不去控制開燈或關燈），而是在掃描之後，通過 GetKey 方法來獲取被按下的鍵，可以有效避免抖動。當然了，你可以每次呼叫 Scan 方法之間做些延時，防止連續觸發（如果按著開關不放就會連續觸發，這個得看你怎麼去處理了）。
最後，主程式入口點測試程式碼。
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(); // 當沒有按下的鍵時，會得到 null，跳過處理 if (pk == null) continue; string msg = $"按下了【{pk.Code}】鍵，第{pk.Row + 1}行第{pk.Column + 1}列"; Console.WriteLine(msg); Thread.Sleep(500); }
這兩行程式碼指定了樹莓派上使用的引腳號（注意不是板子上的順序號，而是 GPIO 的BCM編號）。
a、連線 R1-R4，使用了 23、24、25、16 號腳；
b、連線 C1-C4，使用了 17、27、22、26 號腳。
釋出程式：
dotnet publish -r linux-arm -c Release --no-self-contained
如果你的樹莓派上沒有 .NET 執行時，可以去掉 --no-self-contained，這樣能直接執行，缺點是體積大一些，檔案多一些。
把生成的檔案全部上傳到樹莓派，執行。隨後可以按不同的鍵進行測試。
現在回過頭來看看，前文中提到的上拉電阻，樹莓派內部有上拉電阻，因此我們不需要自己接電阻。上拉電阻就是在 GPIO 介面與電源間並聯的一個電阻。該電阻阻值很大，幾乎沒有電流通過。這個並聯出來的支路不是用來供電的，所以沒有電流通過也不要緊。
老周簡單畫了個圖，不太規範，只求簡單好理解。
電阻 R 與 IO 口並聯，且接到電源上（假設是 3.3V 電壓），現在開關 S 閉合，與開關連線的另一個介面發出了低電平訊號。這時候電路接通，電流當然選擇暢通無阻的 GPIO 介面，所以 CPU 收到低電平訊號。
那要是開關 S 斷開呢。
開關 S 斷開後，GPIO 口與外部的連線就會斷開，此時雖然電阻 R 所在的支路阻力很大（妖魔當道，可能還有土匪攔路打劫，說不定還有色狼），但是，由於通訊口斷了，電流別無選擇，哪怕半路翻車、身首異處，也得闖一闖。就算電阻 R 處無電流能通過，但 R 兩端的電勢差是存在的，所以此時 CPU 從 R 的下端讀到 3.3V，訊號保持在高電平狀態。
有上拉電阻，當然就會有下拉電阻，其原理一樣，只是並聯的電阻與 GND 相連，讀到電壓 0V，保持在低電平狀態。
當開關 S 斷開後，通訊口斷開，電阻 R 與 GND 之間的電勢差為 0V。於是，CPU 讀到的訊號保持在低電平。
好，總結一下：上拉電阻使訊號預設為高電平，下拉電阻使訊號預設為低電平。前提：通訊電路斷開。
為什麼要這樣做呢？還是回到那個老掉牙話題，計算機只認識 0 和 1，也就是說，你必須給 CPU 下達一個明確的指令，要麼是0，要麼是1。如果通訊電路斷開後，那 CPU 咋辦，它不知道通訊介面那裡是啥情況。如果通訊介面附近有電場，或者空氣中剛好有電荷通過，以及各種不可預知的情況，可能會導致電勢產生不規則波動，一會兒高電平，一會兒低電平，訊號不確定的時候很容易使 CPU 抽風。因為它不知道你要叫它幹嗎。
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