1、基于S7-200PLC的矩陣式鍵盤設計 1、引言與其它工業控制系統相比，PLC控制系統具有可靠性高、抗干擾能力強等突出優點，因而廣泛應用于工業控制領域。對于那些不必采用上位機監控PLC現場控制的簡易控制系統，操作面板的完善與否直接影響到整個系統的智能化程度高低。對小型控制系統而言，在滿足功能的前提下，高性價比一直是設計人員追求的目標，若采用觸摸屏(如SIEMENS的TP270)組態軟件(如PROTOOL)的方式組成人機界面，勢必使整個系統的性價比大為降低，因此，提出基于PLC的矩陣式鍵盤設計方案具有較大的實際意義。2、矩陣式鍵盤工作原理矩陣式鍵盤是相對于獨立式鍵盤而言的，也叫行列式鍵

2、盤，是當鍵數較多時為節省I/O點而采取的一種結構。在微機系統中，矩陣式鍵盤的構成方式如圖1所示。圖1矩陣式鍵盤結構圖首先，判斷整個鍵盤上有無鍵按下。方法是:將列全輸出為0，然后讀入行的狀態，如果行讀入的狀態全為1，則無鍵按下，不全為1則有鍵按下。<BR>&nbsp; 其次，若有鍵按下則逐列掃描。方法是:依次將列線送低電平0，檢查對應行線的狀態;若行線全為1，則按鍵不在此列;若不全為1，則按鍵必在此列，且是與0電平行線相交的那個鍵。最后，確定鍵值，并進入鍵處理程序。3、矩陣式鍵盤硬件設計在PLC系統中設計矩陣式鍵盤不僅要用到輸入口，而且也要用到輸出口，因此，了解PLC I/O

3、口內部電路的結構以及工作原理是十分重要的。下面以S7-200的DC輸入、輸出模塊為例，簡要說明其工作原理。3.1 輸入模塊 如圖2所示，為PLC的DC輸入模塊，其中，K1-輸入開關;M-公共端;I0.0-輸入點;R1、R2的典型值為5.6K、1K。圖2 直流輸入模塊電路圖工作原理:若輸入開關K1閉合，則輸入信號經RC濾波和光電隔離后，轉換為PLC的CPU所需的電平(一般為5V)，再經過輸入選擇器與CPU的總線相連，從而將外部輸入開關的“ON”狀態輸入到PLC內部，此時輸入指示燈亮，且與該輸入點對應的輸入映像寄存器為“1”。若輸入開關斷開，則信號沒有形成通路，此時輸入指示燈不亮，表示為

4、“OFF”狀態。3.2 輸出模塊如圖3所示，為PLC的DC輸出模塊，其中，L+接DC24V;Q0.0-輸出點。圖3直流輸出模塊電路圖 工作原理:若用戶程序將輸出置為“ON”狀態，則在刷新輸出階段CPU將“ON”信號送給輸出鎖存器，再經過光電耦合送給場效應管，使之飽和導通，此時輸出指示燈亮，且通過場效應管將DC24V和負載連通，從而使得負載獲得工作電流。反之，若用戶程序將輸出置為“OFF”狀態，則輸出指示燈不亮，情況與上述相反。3.3  鍵盤的硬件設計由以上分析可知:PLC的I/O口內部電路與一般的計算機系統(如單片機系統)有較大的不同，這就決定了在PLC系統中設計矩陣式鍵盤

5、也有其特殊性。首先，由于輸入模塊中有RC濾波電路，其濾波延遲時間可以通過編程軟件設置，即其本身存在硬件消抖動的功能，因此不再需要軟件延時消抖動;其次，由于用到了PLC的輸出口，它本身可以輸出對M端有DC24V的電壓，因此不再需要外接電源;最后，由于PLC的輸入口有6K左右的輸入電阻，因此可以將DC24V的電壓直接加上，若為了延長I/O口的使用壽命，一般按照輸入模塊的技術指標來配置限流電阻，經查閱輸入電流的典型值為4mA，一般取R1=R2=R3=0.5K即可。如圖4所示為3行3列矩陣式鍵盤的結構圖。圖4 3×3鍵盤結構圖4、矩陣式鍵盤軟件設計4.1 PLC的掃描工作方式當PLC處于“R

6、UN”工作模式下時，除上電初始化外，其它程序都采取周而復始的循環掃描方式，稱之為“PLC的掃描工作方式”，其執行流程如圖5所示:圖5 PLC的掃描工作流程在設計鍵盤時可暫不考慮通信和自診斷，則在一個掃描周期內剩下以下三個主要階段:(1) 輸入采樣階段，CPU將所有物理輸入點的狀態存入對應的過程映像寄存器中，到下次輸入采樣前，過程映像寄存器的內容均保持不變; (2) 程序執行階段，CPU按照從左到右、從上到下的順序執行程序，將運算結果寫到輸出映像寄存器或數據存儲區內; (3) 輸出刷新階段，在程序執行完后，CPU將過程輸出映像寄存器的狀態幾乎同時的更新到物理輸出點。4.2 鍵

7、盤的軟件設計矩陣式鍵盤的軟件設計相對較為復雜，但無非是實現微機系統中所描述的鍵盤掃描程序的四個功能: (1) 判斷有無鍵按下;(2) 去機械抖動(3) 求按下的鍵號; (4) 鍵閉合一次僅進行一次鍵功能操作。4.3 鍵盤設定及程序設計再結合微機系統中矩陣鍵盤的原理，設計3×3矩陣式鍵盤，特做如下設定: (1) 設定08號鍵分別與M0.0M1.0對應，鍵按下，對應的位存儲點為“1”，鍵松開則為“0”; (2) 設定I0.0、I0.1、I0.2對應鍵盤的第0列、第1列、第2列，Q0.0、Q0.1、Q0.2對應鍵盤的第0行、第1行、第2行，M1.1為

8、“有鍵按下”標志位; (3) 按圖4所示的方式構成3行3列矩陣式鍵盤，流程圖如圖6。圖6 鍵盤程序流程圖為增強程序的可讀性，利用STEP7-Micro/WIN V4.0編程軟件，用符號地址替代絕對地址，編制3×3鍵盤的STL程序如下所示。 4.4 程序的說明(1) 程序采用了立即置位、復位指令SI和RI，是為了更及時的置位復位輸出點，使程序的執行不受掃描周期的影響，也可用字節立即寫指令MOV_BIW來實現，但應該考慮對其它未用點的影響。 (2) 程序的最后采用了軟件延時，是為了解決程序指令執行時間與輸入輸出滯后時間的不匹配。利用編程軟件STEP7-Mic

9、ro/WIN V4.0中的System Block下的Input Filters選項可以設置輸入濾波時間，默認為6.4ms，減少濾波時間可以相應的減少軟件延時次數，但若濾波時間太小又達不到消抖動的目的。 (3) 程序中沒有考慮多鍵同時按下的問題，在現有的程序中，若不同行有多個鍵按下，均以最先按下的那個鍵為準進行響應，但若同一行上有多個鍵按下，則又分要幾種情況，因此在應用時，應加強對按鍵的限制條件，避免由于誤操作而造成生產設備的損壞。 (4) 程序中對每個按鈕的響應均是按下該鍵，則對應的存儲位為“1”，放開該鍵，則為“0”，沒有其它較為智能的功能。若鍵盤中有“加速”、“減速”等類似鍵時，往往希望有連續加減的功能，即按下“加速”一定時間后(如500ms)，按照每規定時間(如100ms)增加一個單位的速度值，此時可以利用兩個定時器實現，其STL程序如下。5 結束語本文提出了在PLC系統中設計矩陣式鍵盤的一般方法并給出了3×3鍵盤的硬件連線圖和STL程序。在鍵數較多時，矩陣式鍵盤可以大大節省PLC的I/O點數，但程序設計的復雜