1 引言
與其它工業(yè)控制系統(tǒng)相比，PLC控制系統(tǒng)具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。對(duì)于那些不必采用上位機(jī)監(jiān)控＋PLC現(xiàn)場(chǎng)控制的簡(jiǎn)易控制系統(tǒng)，操作面板的完善與否直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的智能化程度高低。對(duì)小型控制系統(tǒng)而言，在滿足功能的前提下，高性?xún)r(jià)比一直是設(shè)計(jì)人員追求的目標(biāo)，若采用觸摸屏(如SIEMENS的TP270)＋組態(tài)軟件(如PROTOOL)的方式組成人機(jī)界面，勢(shì)必使整個(gè)系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比大為降低，因此，提出基于PLC的矩陣式鍵盤(pán)設(shè)計(jì)方案具有較大的實(shí)際意義。
2 矩陣式鍵盤(pán)工作原理
矩陣式鍵盤(pán)是相對(duì)于獨(dú)立式鍵盤(pán)而言的，也叫行列式鍵盤(pán)，是當(dāng)鍵數(shù)較多時(shí)為節(jié)省I/O點(diǎn)而采取的一種結(jié)構(gòu)。在微機(jī)系統(tǒng)中，矩陣式鍵盤(pán)的構(gòu)成方式如圖1所示。

圖1 矩陣式鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)圖

首先，判斷整個(gè)鍵盤(pán)上有無(wú)鍵按下。方法是:將列全輸出為0，然后讀入行的狀態(tài)，如果行讀入的狀態(tài)全為1，則無(wú)鍵按下，不全為1則有鍵按下。
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(duì)應(yīng)行線的狀態(tài);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(gè)鍵。最后，確定鍵值，并進(jìn)入鍵處理程序。
3 矩陣式鍵盤(pán)硬件設(shè)計(jì)
在PLC系統(tǒng)中設(shè)計(jì)矩陣式鍵盤(pán)不僅要用到輸入口，而且也要用到輸出口，因此，了解PLC I/O口內(nèi)部電路的結(jié)構(gòu)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(jiǎn)要說(shuō)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(kāi)關(guān);M-公共端;I0.0-輸入點(diǎn);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(kāi)關(guān)K1閉合，則輸入信號(hào)經(jīng)RC濾波和光電隔離后，轉(zhuǎn)換為PLC的CPU所需的電平(一般為5V)，再經(jīng)過(guò)輸入選擇器與CPU的總線相連，從而將外部輸入開(kāi)關(guān)的“ON”狀態(tài)輸入到PLC內(nèi)部，此時(shí)輸入指示燈亮，且與該輸入點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入映像寄存器為“1”。若輸入開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，則信號(hào)沒(méi)有形成通路，此時(shí)輸入指示燈不亮，表示為“OFF”狀態(tài)。
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(diǎn)。

圖3 直流輸出模塊電路圖

工作原理:若用戶程序?qū)⑤敵鲋脼椤癘N”狀態(tài)，則在刷新輸出階段CPU將“ON”信號(hào)送給輸出鎖存器，再經(jīng)過(guò)光電耦合送給場(chǎng)效應(yīng)管，使之飽和導(dǎo)通，此時(shí)輸出指示燈亮，且通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管將DC24V和負(fù)載連通，從而使得負(fù)載獲得工作電流。反之，若用戶程序?qū)⑤敵鲋脼椤癘FF”狀態(tài)，則輸出指示燈不亮，情況與上述相反。

3.3 鍵盤(pán)的硬件設(shè)計(jì)
由以上分析可知:PLC的I/O口內(nèi)部電路與一般的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(如單片機(jī)系統(tǒng))有較大的不同，這就決定了在PLC系統(tǒng)中設(shè)計(jì)矩陣式鍵盤(pán)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(shí)間可以通過(guò)編程軟件設(shè)置，即其本身存在硬件消抖動(dòng)的功能，因此不再需要軟件延時(shí)消抖動(dòng);其次，由于用到了PLC的輸出口，它本身可以輸出對(duì)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(zhǎng)I/O口的使用壽命，一般按照輸入模塊的技術(shù)指標(biāo)來(lái)配置限流電阻，經(jīng)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(pán)的結(jié)構(gòu)圖。

圖4 3×3鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)圖

4 矩陣式鍵盤(pán)軟件設(shè)計(jì)
4.1 PLC的掃描工作方式
當(dāng)PLC處于“RUN”工作模式下時(shí)，除上電初始化外，其它程序都采取周而復(fù)始的循環(huán)掃描方式，稱(chēng)之為“PLC的掃描工作方式”，其執(zhí)行流程如圖5所示:

圖5 PLC的掃描工作流程

在設(shè)計(jì)鍵盤(pán)時(shí)可暫不考慮通信和自診斷，則在一個(gè)掃描周期內(nèi)剩下以下三個(gè)主要階段:
(1) 輸入采樣階段，CPU將所有物理輸入點(diǎn)的狀態(tài)存入對(duì)應(yīng)的過(guò)程映像寄存器中，到下次輸入采樣前，過(guò)程映像寄存器的內(nèi)容均保持不變;
(2) 程序執(zhí)行階段，CPU按照從左到右、從上到下的順序執(zhí)行程序，將運(yùn)算結(jié)果寫(xiě)到輸出映像寄存器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)內(nèi);
(3) 輸出刷新階段，在程序執(zhí)行完后，CPU將過(guò)程輸出映像寄存器的狀態(tài)幾乎同時(shí)的更新到物理輸出點(diǎn)。
4.2 鍵盤(pán)的軟件設(shè)計(jì)
矩陣式鍵盤(pán)的軟件設(shè)計(jì)相對(duì)較為復(fù)雜，但無(wú)非是實(shí)現(xiàn)微機(jī)系統(tǒng)中所描述的鍵盤(pán)掃描程序的四個(gè)功能:
(1) 判斷有無(wú)鍵按下;
(2) 去機(jī)械抖動(dòng);
(3) 求按下的鍵號(hào);
(4) 鍵閉合一次僅進(jìn)行一次鍵功能操作。
4.3 鍵盤(pán)設(shè)定及程序設(shè)計(jì)
再結(jié)合微機(jī)系統(tǒng)中矩陣鍵盤(pán)的原理，設(shè)計(jì)3×3矩陣式鍵盤(pán)，特做如下設(shè)定:
(1) 設(shè)定0～8號(hào)鍵分別與M0.0～M1.0對(duì)應(yīng)，鍵按下，對(duì)應(yīng)的位存儲(chǔ)點(diǎn)為“1”，鍵松開(kāi)則為“0”;
(2) 設(shè)定I0.0、I0.1、I0.2對(duì)應(yīng)鍵盤(pán)的第0列、第1列、第2列，Q0.0、Q0.1、Q0.2對(duì)應(yīng)鍵盤(pán)的第0行、第1行、第2行，M1.1為“有鍵按下”標(biāo)志位;
(3) 按圖4所示的方式構(gòu)成3行3列矩陣式鍵盤(pán)，流程圖如圖6。

圖6 鍵盤(pán)程序流程圖

為增強(qiáng)程序的可讀性，利用STEP7-Micro/WIN V4.0編程軟件，用符號(hào)地址替代絕對(duì)地址，編制3×3鍵盤(pán)的STL程序如下所示。
Network 1 判斷有無(wú)鍵按下
LDN 有鍵按下
S 第0行, 3 //全行掃描
LD 第0列
O 第1列
O 第2列 //全列讀入
AN 有鍵按下
S 有鍵按下, 1 //有鍵按下，置標(biāo)志位
JMP 0
LDN 有鍵按下
MOVW 0, MW0 //無(wú)鍵按下，清零跳出
JMP 9
Network 2 散轉(zhuǎn)程序
LD 有鍵按下
A 第0行
JMP 10 //跳至第0行
LD 有鍵按下
A 第1行
JMP 11 //跳至第1行
LD 有鍵按下
A 第2行
JMP 12 //跳至第2行
Network 3 逐行掃描
LBL 0 //第0行處理
LD 有鍵按下
RI 第0行, 3
SI 第0行, 1 //立即置位Q0.0
JMP 9
LBL 10
LD 第0列
= KEY_0 //0鍵
JMP 9
LD 第1列
= KEY_1 //1鍵
JMP 9
LD 第2列
= KEY_2 //2鍵
JMP 9
LBL 1 //第1行處理
LD 有鍵按下
RI 第0行, 3
SI 第1行, 1 //立即置位Q0.1
JMP 9
LBL 11
LD 第0列
= KEY_3 //3鍵
JMP 9
LD 第1列
= KEY_4 //4鍵
JMP 9
LD 第2列
= KEY_5 //5鍵
JMP 9
LBL 2 //第2行處理
LD 有鍵按下
RI 第0行, 3
SI 第2行, 1 //立即置位Q0.2
JMP 9
LBL 12
LD 第0列
= KEY_6 //6鍵
JMP 9
LD 第1列
= KEY_7 //7鍵
JMP 9
LD 第2列
= KEY_8 //8鍵
JMP 9
LD 有鍵按下
R 有鍵按下, 1
//無(wú)鍵按下，清標(biāo)志位
Network 4 軟件延時(shí)
LBL 9
LD 有鍵按下 //有鍵按下才延時(shí)
FOR VW0, 1, 500
NOP 0
NEXT
4.4 程序的說(shuō)明
(1) 程序采用了立即置位、復(fù)位指令SI和RI，是為了更及時(shí)的置位復(fù)位輸出點(diǎn)，使程序的執(zhí)行不受掃描周期的影響，也可用字節(jié)立即寫(xiě)指令MOV_BIW來(lái)實(shí)現(xiàn)，但應(yīng)該考慮對(duì)其它未用點(diǎn)的影響。
(2) 程序的最后采用了軟件延時(shí)，是為了解決程序指令執(zhí)行時(shí)間與輸入輸出滯后時(shí)間的不匹配。利用編程軟件STEP7-Micro/WIN V4.0中的System Block下的Input Filters選項(xiàng)可以設(shè)置輸入濾波時(shí)間，默認(rèn)為6.4ms，減少濾波時(shí)間可以相應(yīng)的減少軟件延時(shí)次數(shù)，但若濾波時(shí)間太小又達(dá)不到消抖動(dòng)的目的。
(3) 程序中沒(méi)有考慮多鍵同時(shí)按下的問(wèn)題，在現(xiàn)有的程序中，若不同行有多個(gè)鍵按下，均以最先按下的那個(gè)鍵為準(zhǔn)進(jìn)行響應(yīng)，但若同一行上有多個(gè)鍵按下，則又分要幾種情況，因此在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)按鍵的限制條件，避免由于誤操作而造成生產(chǎn)設(shè)備的損壞。
(4) 程序中對(duì)每個(gè)按鈕的響應(yīng)均是按下該鍵，則對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)位為“1”，放開(kāi)該鍵，則為“0”，沒(méi)有其它較為智能的功能。若鍵盤(pán)中有“加速”、“減速”等類(lèi)似鍵時(shí)，往往希望有連續(xù)加減的功能，即按下“加速”一定時(shí)間后(如500ms)，按照每規(guī)定時(shí)間(如100ms)增加一個(gè)單位的速度值，此時(shí)可以利用兩個(gè)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，其STL程序如下。
LD 加速
TON T37, 5
LD 加速
EU
= 加速上升沿
LD T37
AN 每100MS通電一次
TON T38, 1
LD T38
= 每100MS通電一次
LD 每100MS通電一次
O 加速上升沿
EU
+I 1, 速度存儲(chǔ)值

5 結(jié)束語(yǔ)
本文提出了在PLC系統(tǒng)中設(shè)計(jì)矩陣式鍵盤(pán)的一般方法并給出了3×3鍵盤(pán)的硬件連線圖和STL程序。在鍵數(shù)較多時(shí)，矩陣式鍵盤(pán)可以大大節(jié)省PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，但程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜度也隨之增加，因此使用時(shí)應(yīng)在系統(tǒng)的硬件成本和實(shí)時(shí)性之間加以均衡考慮。此外，本文的設(shè)計(jì)思路具有通用性，只需稍加變動(dòng)，就可移植到其它品牌的PLC中。文中的STL程序均已通過(guò)S7-200的編程軟件STEP7-Micro/WIN V4.0在CPU226 DC/DC/DC上調(diào)試通過(guò)，說(shuō)明了本文設(shè)計(jì)方法的可行性。