基于鍵盤掃描和繼電器使用的航電啟動(dòng)板改進(jìn)設(shè)計(jì)

張洋

（中國航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所，河南　洛陽　47711000000）

基于鍵盤掃描和繼電器使用的航電啟動(dòng)板改進(jìn)設(shè)計(jì)

張洋

（中國航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所，河南洛陽47711000000）

本文介紹了航電啟動(dòng)板的工作原理，針對(duì)傳統(tǒng)航電啟動(dòng)板中鍵盤掃描方法和繼電器使用存在的不足，提出了改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，提高了航電啟動(dòng)板的工作性能。

航電啟動(dòng)板；鍵盤掃描；磁保持繼電器

航電啟動(dòng)板是機(jī)載航電系統(tǒng)重要組成之一，航電啟動(dòng)板故障會(huì)嚴(yán)重影響其控制的機(jī)載航電設(shè)備工作。本文重點(diǎn)介紹提高航電啟動(dòng)板工作性能的改進(jìn)設(shè)計(jì)方法。

1　工作原理

航電啟動(dòng)板工作原理：通過掃描航電啟動(dòng)板上導(dǎo)光板的按鍵，判斷是否有按鍵被有效按下；如果有按鍵被有效按下，記錄按鍵值；根據(jù)按鍵值接通或斷開相應(yīng)繼電器，使相應(yīng)的機(jī)載航電設(shè)備上電或者下電，同時(shí)點(diǎn)亮導(dǎo)光板上相應(yīng)的按鍵指示燈；并通過RS422數(shù)據(jù)把機(jī)載航電設(shè)備上下電情況發(fā)送給任務(wù)管理計(jì)算機(jī)。

2　改進(jìn)設(shè)計(jì)

航電啟動(dòng)板設(shè)計(jì)核心是鍵盤掃描和繼電器使用。

2.1傳統(tǒng)航電啟動(dòng)板設(shè)計(jì)方法

2.1.1傳統(tǒng)航電啟動(dòng)板鍵盤掃描方法

因?yàn)楹诫妴?dòng)板控制設(shè)備比較多，為了減少I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式。在矩陣式中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個(gè)按鍵加以連接。這樣，8個(gè)端口就可以構(gòu)成4*4=16個(gè)按鍵，比直接將端口線用于鍵盤多出一倍，并且設(shè)備越多，優(yōu)勢(shì)越明顯。由此可見，在需要控制的設(shè)備比較多時(shí)，采用矩陣法來做鍵盤是正確的。

傳統(tǒng)航電啟動(dòng)板鍵盤掃描方法為：單片機(jī)周期執(zhí)行鍵盤掃描程序，采用逐行掃描法，并通過延時(shí)防抖，獲取按鍵鍵值。此方法中單片機(jī)必須每周期不停地進(jìn)行掃描，降低了單片機(jī)的工作效率，且連續(xù)工作增加航電啟動(dòng)板功耗［1］。

2.1.2傳統(tǒng)航電啟動(dòng)板繼電器使用

繼電器是一種電子控制器件，具有控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)，通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開關(guān)”。在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。繼電器按工作原理分為固態(tài)繼電器、磁保持繼電器、溫度繼電器和極化繼電器等。

傳統(tǒng)航電啟動(dòng)板使用的繼電器為固態(tài)繼電器，固態(tài)繼電器是兩個(gè)接線端為輸入端，另外兩個(gè)接線端為輸出端的四端器件，中間采用隔離器件實(shí)現(xiàn)輸入輸出的電隔離。

使用此種繼電器有以下缺點(diǎn)：

①當(dāng)航電啟動(dòng)板斷電時(shí)，繼電器輸出斷開，航電啟動(dòng)板控制的機(jī)載設(shè)備會(huì)因此斷電，對(duì)飛機(jī)在空中飛行時(shí)不能斷電的機(jī)載設(shè)備（如慣導(dǎo)）帶來很大的安全隱患；②固態(tài)繼電器要一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，就必須一直處于通電狀態(tài)，增加了產(chǎn)品的功率和發(fā)熱量，從而減少產(chǎn)品的使用壽命。

2.2改進(jìn)設(shè)計(jì)方法

2.2.1航電啟動(dòng)板鍵盤掃描改進(jìn)設(shè)計(jì)方法

航電啟動(dòng)板鍵盤掃描采用CPLD硬件邏輯實(shí)現(xiàn)。因?yàn)楹诫妴?dòng)板控制16個(gè)機(jī)載設(shè)備，所以鍵盤掃描設(shè)計(jì)為4*4鍵盤矩陣。

因?yàn)楹诫妴?dòng)板上按鍵在實(shí)際操作中同一時(shí)刻只操作一個(gè)按鍵，所以如果同一時(shí)刻多個(gè)按鍵被按下邏輯程序中視為無效操作。

鍵盤掃描流程為：CPLD程序首先判斷有無按鍵按下，在確認(rèn)有有效按鍵按下后，再進(jìn)行掃描鍵盤并計(jì)算鍵值。這樣可以避免在沒有按鍵按下的情況下，鍵盤掃描高速變化的鍵掃信號(hào)不僅會(huì)使航電啟動(dòng)板功耗增加，而且還會(huì)對(duì)其他敏感電路造成干擾。然后進(jìn)行防抖處理，鍵盤掃描確定鍵值后產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，單片機(jī)通過中斷方式讀取按鍵鍵值。

VHDL語音具體實(shí)現(xiàn)如下：

2.2.1.1判斷是否有按鍵按下

2.2.1.2鍵盤掃描計(jì)算鍵值

2.2.1.5產(chǎn)生按鍵中斷

將CPLD中key_state對(duì)應(yīng)管腳連接到單片機(jī)中斷信號(hào)上，并把中斷設(shè)置為上升沿觸發(fā)；value連接到單片機(jī)數(shù)據(jù)線。單片機(jī)在有中斷請(qǐng)求時(shí)可以通過數(shù)據(jù)線讀取按鍵鍵值。

2.2.2繼電器使用改進(jìn)

2.2.2.1磁保持繼電器工作原理

磁保持繼電器和其他繼電器一樣，對(duì)電路起著接通和斷開作用，不同之處為磁保持繼電器觸點(diǎn)接通、斷開狀態(tài)由永久磁鐵所產(chǎn)生的磁力所保持［3］。

當(dāng)需要繼電器觸點(diǎn)斷開，只需對(duì)線圈施加一定寬度脈沖電壓，該脈沖電壓產(chǎn)生的磁通與磁鋼產(chǎn)生的磁通方向相反，在磁極上就會(huì)產(chǎn)生與磁鋼相同的極性，根據(jù)磁場同性相斥原理，在銜鐵和軛鐵磁極間會(huì)產(chǎn)生推力，當(dāng)磁路產(chǎn)生的合成力矩大小簧片的反力矩，動(dòng)簧朝后運(yùn)動(dòng)，銜鐵部分繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，繼電器會(huì)呈現(xiàn)斷開狀態(tài)。如果要返回閉合狀態(tài)，必須在線圈上施加一相反的脈沖，否則，繼電器觸點(diǎn)狀態(tài)會(huì)永遠(yuǎn)保持下去。

通常觸點(diǎn)處于保持狀態(tài)時(shí)，線圈不需要繼續(xù)通電，僅靠永久磁鐵的磁力就能維持繼電器的狀態(tài)不變。

2.2.2.2磁保持繼電器優(yōu)點(diǎn)

①具有“記憶”功能，在磁保持繼電器斷電的情況下，能保持原狀態(tài)；②不需要連續(xù)通電，只需要施加一定寬度脈沖電壓，降低航電啟動(dòng)板功耗；③采用過激勵(lì)，因而具有更快的動(dòng)作速度。

2.2.2.3電路實(shí)現(xiàn)

（1）磁保持繼電器芯片選取

本改進(jìn)設(shè)計(jì)選取磁保持繼電器芯片為JMW-270M。該芯片體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，符合國軍標(biāo)GJB/Z39-2和美軍標(biāo)MIL-R-39016系列型譜規(guī)定，適用于航空、航天等電子設(shè)備自動(dòng)控制裝置中傳輸信號(hào)和轉(zhuǎn)接電路使用。

（2）磁保持繼電器控制電路

磁保持繼電器控制電路主要由單片機(jī)、光電耦合器和磁保持繼電器組成。單片機(jī)接收到鍵盤掃描采集到按鍵值，根據(jù)實(shí)際需要通過2個(gè)IO口產(chǎn)生一定寬度脈沖電壓，分別控制光電耦合器2路離散量輸出。光電耦合器因?yàn)閷?duì)輸入、輸出電信號(hào)起隔離作用，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，所以具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力；又因?yàn)楣怦詈掀鞯妮斎攵藢儆陔娏餍凸ぷ鞯牡妥柙跃哂泻軓?qiáng)的共模抑制能力。光電耦合器2路脈沖電壓按照單片機(jī)控制施加到磁保持繼電器線圈上，從而接通或者斷開磁保持繼電器輸出端。航電啟動(dòng)板通過接通或者斷開磁保持繼電器實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)載航電設(shè)備上下電的控制。

3　結(jié)論

本文的設(shè)計(jì)方案能夠大大減輕單片機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷，降低航電啟動(dòng)板的功耗，采用磁保持繼電器在航電啟動(dòng)板斷電的情況下能夠保持原狀態(tài)，提高了其可靠性。

Improved Design of the Avionics Starting Board based on the Keyboard Scan and Relay Utilization

Zhang Yang
（Luoyang Institute of Electro Optical Equipment，Aviation Industry Corporation of China，Luoyang Henan 471000）

This paper introduces the working principle of avionics starting board，based on the using weaknesses of keyboard scanning method and relay utilization intraditional avionics starting board，the improved design methodis proposed，which improves the work performance of avionics starting board.

avionics starting board；keyboard scan；magnetic holding relay

V243

A

1003-5168（2015）10-0014-3

2015-9-25

張洋（1983-），男，本科，工程師，研究方向：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電路硬件設(shè)計(jì)。

［1］黃遵熹.單片機(jī)原理接口與應(yīng)用［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2000.