专利名称：智能操作盘的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可用于现场控制的单片机控制操作盘，特别适合于选用了遵循MODBUS协议(美国MODICON公司公开的一种通讯协议，下同)的可编程逻辑控制器(简称PLC)系列产品的自动化控制系统，尤其适用于较恶劣的工业环境。
在自动化控制系统中，现场设备的运行由安装在控制室里的按钮或开关信号通过PLC的输入模块将命令送入计算机，再通过输出模块传给现场的设备，同时将执行情况返送回控制室控制相应的指示灯。要求信号可靠，电缆接线方便。现有的开关、按钮体积大、防水防尘性能差、可靠性低，电缆接线量大，占用大量输入输出模块，成本较高。
本发明的目的是提供一种智能化操作设备，以较低的成本、可靠的性能、简单的接线方式完成现场操作控制。
本发明的结构如图1所示，包括薄膜轻触开关面板1、控制电路板2、电源3、外壳4和通讯电缆5及电源线6。控制电路板2和电源3安装在外壳4内，通讯电缆5和电源线6可通过外壳4上的电缆开口与现场连接。
本发明所采用的技术方案的控制电路原理框图如图2所示。
智能操作盘的控制电路包括单片机、地址锁存器、程序存储器、可编程扩展并行I/O芯片、按键矩阵、发光二极管阵列、译码电路、复位电路和电平调整电路。下面分别进行说明(1)单片机是把微型计算机的主要部分集成在一块芯片上，包括微处理器、数据存储器、程序存储器、I/O口、串行口、定时器、中断系统及特殊功能寄存器。
(2)地址锁存器完成数据总线和地址低8位总线的分时复用功能。
(3)程序存储器存储所有的程序。
(4)可编程扩展并行I/O芯片可提供三组8位的并行I/O口，以解决单片机的I/O口线有限的矛盾。
(5)按键矩阵为本操作盘单片机识别按键所采用的方式，即操作盘的控制采用行列式编程扫描方式，用I/O口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上，例如8＊8的矩阵可提供64个按键。编程扫描方式是利用CPU调用键扫描子程序，来响应键输入要求。其行线、列线分别连接于扩展的2个并行口上，由程序控制给列线送入全扫描字、行线读入行状态来判断操作盘中有无键按下。方法是给列线的8根I/O口线均置成低电平，然后将行线电平状态读入累加器A中。如果有键按下，相应的一根行线电平被拉至低电平，从而使行输入不全为1。将行、列线按二进制顺序排列，由行列数据组合成键值。
(6)发光二极管阵列为每个按键操作提供灯指示。
(7)译码电路利用若干个3-8译码器选通相应的发光二极管。
(8)复位电路为单片机和可编程扩展并行I/O芯片的RESET引脚提供不小于10ms的高电平复位信号。
(9)电平调整电路完成RS-232C与TTL的电平转换。
本发明的实施例为64键智能操作盘。现结合实施例说明如下我们用intel公司的51系列单片机和8255可编程扩展I/O芯片设计了64键智能操作盘样机，图4、图5、图6为其电原理图。图4中，U1为8031单片机，U2为74LS373地址锁存器，U3为EPROM程序存贮器27××，U4为可编程扩展并行I/O芯片8255，U5为行线缓冲器，U6为反相器，U7、U8为RS-232收发器，图5中，U9～U17为译码器。
8031的P0口线用作数据总线，通过地址锁存后作低8位地址总线，P2口的P2.0～P2.5作高位地址线，P2.7线选通8255，P1口的P1.0～P1.6参与发光二极管阵列的译码，P1.7经反相器后控制蜂鸣器，当有键按下时，蜂鸣器响，键释放则蜂鸣器停;RXD和TXD通过电平调整与其它设备作RS-232C串行通讯;8255的PA口作按键阵列的行线输入，PB口作列线输出;在译码电路中，采用了3-8线译码器74LS138;在电平调整电路中，选用了MC1488和MC1489作RS-232C收发器;在复位电路中;提供上电和按键组合复位;利用上电或按键的瞬间;RC电路充电;使RESET端出现大于10ms的高电平，保证单片机有效的复位。
图3为主程序流程图，下面结合此图详细说明此操作盘的工作过程首先将操作与PLC设备联好，然后上电。操作盘完成一次按键需以下几个步骤，顺序介绍如下(1)系统进行初始化，包括设置单片机定时器参数使单片机能够按9600波特率进行串行通讯，设置并行扩展口方式控制字寄存器使之按方式0工作，置键值缓冲区字节各位全“1”，指示灯状态缓冲区字节各位全“0”。
(2)CPU通过串行口发送“读取输出状态”报文查询当前线圈的工作状态，报文格式如下站址 功能码 数据起始 数据起始 数据线圈数据线圈 CRC校验结果地址高位 地址低位 数高位 数低位01 05 00 00 00 3F根据应答报文中指示灯状态字节各位的值设置指示灯状态“1”表示亮，“0”表示灭。
(3)读并行扩展口A的值判断是否有键按下，若为零表示无键按下，返回步骤2;若非零表示有键按下，循环扫描行、列线，计算出键值送键值缓冲区，并按MODBUS协议格式形成“强置单线圈”置“ON”状态的报文，报文格式如下站址 功能码 线圈高位 线圈低位 线圈状态 CRC校验结果01 05 00 00～3f FF00(4)将此报文通过串行口发送出去，并接收应答报文。通过比较接收到的应答报文和发送的报文是否一致来判断是否有通讯错误，若有错误，返回步骤4重新发送;若无错误则发送报文查询当前线圈的状态，并根据应答报文通过译码电路设置指示灯状态，进行盘扫描，判断此键是否已抬起(释放)，若释放则按MODBUS协议格式形成“强置单线圈”置“OFF”状态的报文，报文格式如下站址 功能码 线圈高位 线圈低位 线圈状态 CRC校验结果01 05 00 00～3f 0000(5)将此报文通过串行口发送出去，并接收应答报文。通过比较接收到的应答报文和发送的报文是否一致来判断是否有通讯错误，若有错误，返回本步骤开始重新发送;若无错误则完成一次键操作的全过程，清空键值缓冲区准备接受下一次按键，返回步骤2执行。
与传统的控制开关、按钮方式相比，本发明具有以下几方面的优点1.采用了薄膜轻触开关面板新型材料，具有防尘、防水、防腐蚀、可靠性高等优点，按键寿命大于一百万次;
2.将大量信号电缆简化为一根三芯电缆，以64键操作盘为例，使用本发明后，可由至少130根信号电缆减少为1根三芯电缆，既大大地减少了施工接线的工作量，又提高了信号的可靠性;
3.通过网络线通讯把主控室对现场的控制信号传送给PLC，节省了大量输入/输出模块，降低了工程成本。
图1智能操作盘结构图，图中，1为薄膜轻触开关面板，2为控制电路板，3为电源，4为外壳，5为通讯电缆，6为电源线;
图2智能操作盘原理框图;
图3智能操作盘主程序流程图;
图464键智能操作盘的单片机控制电路;
图5发光二极管阵列;
图6为按键矩阵。
权利要求
1.一种智能操作盘，特别适用于采用遵循MODBUS协议的PLC产品的自动化控制系统，包括薄膜轻触开关面板、控制电路板、电源、外壳和通讯电缆及电源线。控制电路板和电源安装在外壳内，通讯电缆和电源线可通过外壳上的电缆开口与现场连接，其特征在于a.按键设置在按键矩阵的行列交点上，b.按键矩阵的行线、列线分别连接于2个并行口上，c.单片机调用按键扫描程序识别按键的状态，d.译码电路按单片机识别的线圈状态选通指示线圈状态的发光二极管阵列中相应的发光二极管。
2.按照权利1所述的智能操作盘，其特征在于操作盘的描述程序为a.初始化单片机按9600波特率进行串行通讯，并行扩展口按方式0工作，键值缓冲区字节各位全“1”，指示灯状态缓冲区字节各位全“0”，b.发送“读取输出状态”报文，根据应答报文设置指示灯状态，c.读并行扩展口的值判断是否有键按下，无键按下则返回，有键按下，循环扫描行、列线，计算出键值并按MODBUS协议格式形成“强置单线圈”置“ON”状态的报文并发出，比较应答报文和发送的报文是否一致，若有错误，返回重新发送;无错误则查询当前线圈的状态，并根据应答报文通过译码电路设置指示灯状态，d.进行键盘扫描，判断此键是否抬起，若抬起则发送“强置单线圈”置“OFF”状态的报文，判断应答报文和发送的报文是否一致，有错误则返回重新发送;无错误则完成一次键操作的全过程。
全文摘要
本发明是一种能控制工业现场操作的键盘式单片机控制设备，可通过通讯电缆将主控室的操作命令传送给PLC，并将现场的执行情况返回主控室点亮或熄灭操作盘上相应的指示灯。与传统控制方式相比，可减少大量施工接线时间，提高可靠性，节省PLC的输入、输出模块费用，降低工程成本。
文档编号G05B15/02GK1104780SQ9312124
公开日1995年7月5日 申请日期1993年12月30日 优先权日1993年12月30日
发明者张林吼, 邵燕, 于涛, 谢军 申请人:首钢总公司