一種通用按鍵模塊自動檢測工裝設計

摘要：為替代目前手工使用通斷測試儀來判定按鍵模塊加工質量的品檢模式，提升檢驗有效性和工作效率，本設計以單片機為核心的自動檢測工裝，實現對多型通信產品中按鍵模塊的功能檢測。整個工裝采用51單片機最小系統，以行列掃描特征庫模式實現對按鍵質量檢測，用LED及數碼管作為人機界面，以適配電纜的方式實現靈活對及誒多型模塊，以串口對接上位機實現功能擴充，最大支持12*12（144個按鍵）。可滿足對常見各型按鍵模塊快速準確篩查的需要，顯著節約用于質量測試的人力、物力和時間，提高故障判定的快捷性和準確性，為生產調試和產品檢驗提供一種便捷可靠的檢測手段。

關鍵詞：單片機;按鍵模塊;檢測;通用;有限狀態機

1.引言

國產多型通信裝備產品中，采用“按鍵+液晶顯示”作為人機操作界面，設置系統參數、選擇啟動終止某項功能。這種方式具有可靠性高、適應性好的特點，得到了較為廣泛的應用。

此類按鍵模塊的生產裝配，通常采用PCB預制交叉引線作為底座，采用穹頂型彈簧鋼片作為按鍵壓片，整體使用透明薄膜密封的生產裝配工藝。傳統檢驗方式是由人工使用通斷測試儀，對按鍵模塊逐位進行通斷測試。檢驗過程通常需要兩人配合，通過聽取蜂鳴器是否發聲、及聲音的變化來判斷按鍵壓片的接觸及是否存在雜質等異常情況。操作不便、單件檢測耗時較長，實際易出現漏檢、錯檢，整體上降低了產品質量的可控程度。

為此，設計引入智能檢測工裝極為必要。

2.系統框圖

3.系統原理

1.按鍵質量異常檢測

本設計由單片機程序，執行按鍵掃描動作，通過對PCB連接線之間的連通狀態、通斷時間的測試，識別標準的按鍵操作及異常，包括：按鍵狀態、雜質接觸等，從而達到判定模塊質量的目的，通過聲光顯示方式，提升檢驗員判定速度。

2.行列掃描算法

矩陣式按鍵模塊設計原理通常如圖2。

智能軟件通過逐位控制檢測單片機IO引腳狀態和電平關系，讀取PCB連線狀態，判定按鍵關系，通常稱為行列檢測算法。在軟件層面通過行列編組設置，PCB行列引線。在具體實現中可以采用掃描法、反轉法。

結合當今主流的單片機引腳可以設置為輸入、輸出、出入、高阻態的特性，采用反轉法的按鍵檢測具有較高效率。以圖1為例，采用反轉法實現原理如下：

1）使用單片機P0口（8位）連接b0-b5，P1口（8位）連接a0-a5。

2）第一步：設置P0為輸入態、P1為輸出態，在P1口輸出0x00（B000000），然后讀取P0口。（如讀回的數據為0xff，全1，表明無按鍵按下，否則有鍵按下，可以判明按鍵所在行）。

3）第二步：設置P0為輸出態、P1為輸入態，在P0口輸出0x00（B000000），然后讀取P1口。（如讀回的數據為0xff，全1，表明無按鍵按下，否則有鍵按下，可以判明按鍵所在列）。

4）通過兩次讀回的數據，可以判明按鍵行列位置。

3.按鍵狀態判別

機械式按鍵，在按下和松開的瞬間，電氣連接狀態不穩定，表現的形式為可能出現多次的脈沖式通斷狀態。如果按鍵掃描在出現脈沖的瞬間恰好進行數據讀取，極可能出現誤判按鍵狀態。因此，在軟件中必須進行消顫處理，對無效脈沖進行過濾，以達到正確識別按鍵狀態的目的。結合實踐經驗，對消顫的周期取值在10-15ms較好。

在本設計需求中，與常規按鍵檢測要求不同，還需要判別是否存在雜質等異常導致的按鍵通斷狀態。通常由裝配過程中的雜質導致的按鍵通斷，在特性上與人工正常的按鍵操作有所不同，如：在連接的確定性、通斷時間、連續連通之間的狀態不定等。這些質量異常可以在軟件中，作為異常特征庫的方式進行統計和判定。

有限狀態機

有限狀態機（finite-state machine，縮寫：FSM）又稱有限狀態自動機，簡稱狀態機，是表示有限個狀態以及在這些狀態之間的轉移和動作等行為的數學模型。

狀態存儲關于過去的信息，就是說：它反映從系統開始到現在時刻的輸入變化。轉移指示狀態變更，并且用必須滿足確使轉移發生的條件來描述它。動作是在給定時刻要進行的活動的描述。有多種類型的動作：

進入動作：在進入狀態時進行

退出動作：在退出狀態時進行

輸入動作：依賴于當前狀態和輸入條件進行

轉移動作：在進行特定轉移時進行

FSM（有限狀態機）可以使用上面圖3那樣的狀態圖（或狀態轉移圖）來表示。此外可以使用多種類型的狀態轉移表。下面展示最常見的表示：當前狀態（B）和條件（Y）的組合指示出下一個狀態（C）。完整的動作信息可以只使用腳注來增加。包括完整動作信息的FSM定義可以使用狀態表。

4.模塊設計及測試結果

MCU核心控制單元

核心控制單元采用常見的51單片機，STC12C5A60S2。主要特性如下：

高速：1個時鐘/機器周期，增強型8051內核，速度快6-12倍。

寬電壓：5.5-4.0V，工作頻率：0-35MHz，60KFlash程序存儲，1280字節內RAM，4路可編程定時器，雙串口（UART），最多44個雙向輸入輸出引腳。

本工裝選擇該型號單片機作為控制核心，可以極大的減少硬件設計工作，獲得良好的擴展能力。

顯示及輸出模塊

本工裝模型本身提供4組數碼管，用作按鍵編號及異常代碼的顯示。

提供喇叭發聲，便于檢測人員快速識別待檢模塊質量狀態。

提供標準的9芯插座，提供異步串行通信能力（9600bps），可以與上位機進行數據通訊，從而實現批量檢測工藝參數下載、產品批次識別、自動生產批次檢測報告等擴展功能。

行列總線接入單元

本測試工裝自身提供2個20Pin排線插座，分別對應行、列線組，作為通用的檢測接口。

適配電纜

在針對具體的按鍵模塊型號的不同，可以壓制不同數量的排線，在對端配置與實際按鍵模塊相應的接插件，即可方便的適應多種按鍵模塊規格要求。

這樣的接口連接方式，易于獲得配件和線材，利于快速獲得和定制需要的適配電纜。

主要技術指標

檢測設備的主要技術指標如下：

1）被測按鍵模塊按鍵數最大支持12行X12列，共計144個按鍵。

2）具有通用性：

檢測設備可以通過配置不同的適配電纜，在144個最大按鍵數下，幾乎可以適配現行裝備中各型按鍵模塊。

3）實現即插即測功能。

4）檢測時間僅與按鍵操作相關，常規12-24按鍵模塊，全檢時間小于30秒。

5）測試結果可選擇多種輸出方式：LED數碼管顯示、蜂鳴、通過串口輸出至上位機。

為了保證檢測設備達到主要技術指標要求，采用了模塊化設計，主機與轉接盒設計均為獨立的軟件或硬件模塊，便于升級換代;檢測儀與計算機之間以同步固定速率、按照協議通信;具有測試/學習兩種檢測模式;具有友好的人機界面，能顯示當前工作狀態，通過上層虛擬操作界面實現計算機控制測試，操作使用簡便。

5.結語

從產品在生產制造過程中的實際需求出發，采用智能化的控制芯片，盡可能將人工操作轉換成設備工裝的自動化操作，是一種可以提升制造效率、提升質量可控程度的有效方式。本測試工裝的研制，正式這種方式的實踐，具有操作簡單、接口靈活的特點，技術上采用標準化、通用化、模塊化的思路，便于推廣普及。

參考文獻：

[1]STC12C5A60S2系列單片機數據手冊，www.stcmcu.com

作者簡介：

程學武（1973—），男，工程師，學士，主要研究方向為通信技術、自動化測試及產品化設計。

（作者單位：中國電子科技集團公司第三十研究所）