基于鍵盤掃描和繼電器使用的航電啟動板改進設計

張洋

（中國航空工業集團公司洛陽電光設備研究所，河南　洛陽　47711000000）

基于鍵盤掃描和繼電器使用的航電啟動板改進設計

張洋

（中國航空工業集團公司洛陽電光設備研究所，河南洛陽47711000000）

本文介紹了航電啟動板的工作原理，針對傳統航電啟動板中鍵盤掃描方法和繼電器使用存在的不足，提出了改進設計方法，提高了航電啟動板的工作性能。

航電啟動板；鍵盤掃描；磁保持繼電器

航電啟動板是機載航電系統重要組成之一，航電啟動板故障會嚴重影響其控制的機載航電設備工作。本文重點介紹提高航電啟動板工作性能的改進設計方法。

1　工作原理

航電啟動板工作原理：通過掃描航電啟動板上導光板的按鍵，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；根據按鍵值接通或斷開相應繼電器，使相應的機載航電設備上電或者下電，同時點亮導光板上相應的按鍵指示燈；并通過RS422數據把機載航電設備上下電情況發送給任務管理計算機。

2　改進設計

航電啟動板設計核心是鍵盤掃描和繼電器使用。

2.1傳統航電啟動板設計方法

2.1.1傳統航電啟動板鍵盤掃描方法

因為航電啟動板控制設備比較多，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，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，8個端口就可以構成4*4=16個按鍵，比直接將端口線用于鍵盤多出一倍，并且設備越多，優勢越明顯。由此可見，在需要控制的設備比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是正確的。

傳統航電啟動板鍵盤掃描方法為：單片機周期執行鍵盤掃描程序，采用逐行掃描法，并通過延時防抖，獲取按鍵鍵值。此方法中單片機必須每周期不停地進行掃描，降低了單片機的工作效率，且連續工作增加航電啟動板功耗［1］。

2.1.2傳統航電啟動板繼電器使用

繼電器是一種電子控制器件，具有控制系統和被控制系統，通常應用于自動控制電路中，它是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用。繼電器按工作原理分為固態繼電器、磁保持繼電器、溫度繼電器和極化繼電器等。

傳統航電啟動板使用的繼電器為固態繼電器，固態繼電器是兩個接線端為輸入端，另外兩個接線端為輸出端的四端器件，中間采用隔離器件實現輸入輸出的電隔離。

使用此種繼電器有以下缺點：

①當航電啟動板斷電時，繼電器輸出斷開，航電啟動板控制的機載設備會因此斷電，對飛機在空中飛行時不能斷電的機載設備（如慣導）帶來很大的安全隱患；②固態繼電器要一直處于導通狀態，就必須一直處于通電狀態，增加了產品的功率和發熱量，從而減少產品的使用壽命。

2.2改進設計方法

2.2.1航電啟動板鍵盤掃描改進設計方法

航電啟動板鍵盤掃描采用CPLD硬件邏輯實現。因為航電啟動板控制16個機載設備，所以鍵盤掃描設計為4*4鍵盤矩陣。

因為航電啟動板上按鍵在實際操作中同一時刻只操作一個按鍵，所以如果同一時刻多個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，在確認有有效按鍵按下后，再進行掃描鍵盤并計算鍵值。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不僅會使航電啟動板功耗增加，而且還會對其他敏感電路造成干擾。然后進行防抖處理，鍵盤掃描確定鍵值后產生中斷請求，單片機通過中斷方式讀取按鍵鍵值。

VHDL語音具體實現如下：

2.2.1.1判斷是否有按鍵按下

2.2.1.2鍵盤掃描計算鍵值

2.2.1.5產生按鍵中斷

將CPLD中key_state對應管腳連接到單片機中斷信號上，并把中斷設置為上升沿觸發；value連接到單片機數據線。單片機在有中斷請求時可以通過數據線讀取按鍵鍵值。

2.2.2繼電器使用改進

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，對電路起著接通和斷開作用，不同之處為磁保持繼電器觸點接通、斷開狀態由永久磁鐵所產生的磁力所保持［3］。

當需要繼電器觸點斷開，只需對線圈施加一定寬度脈沖電壓，該脈沖電壓產生的磁通與磁鋼產生的磁通方向相反，在磁極上就會產生與磁鋼相同的極性，根據磁場同性相斥原理，在銜鐵和軛鐵磁極間會產生推力，當磁路產生的合成力矩大小簧片的反力矩，動簧朝后運動，銜鐵部分繞轉軸轉動，繼電器會呈現斷開狀態。如果要返回閉合狀態，必須在線圈上施加一相反的脈沖，否則，繼電器觸點狀態會永遠保持下去。

通常觸點處于保持狀態時，線圈不需要繼續通電，僅靠永久磁鐵的磁力就能維持繼電器的狀態不變。

2.2.2.2磁保持繼電器優點

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；②不需要連續通電，只需要施加一定寬度脈沖電壓，降低航電啟動板功耗；③采用過激勵，因而具有更快的動作速度。

2.2.2.3電路實現

（1）磁保持繼電器芯片選取

本改進設計選取磁保持繼電器芯片為JMW-270M。該芯片體積小，重量輕，結構緊湊，環境適應性強，符合國軍標GJB/Z39-2和美軍標MIL-R-39016系列型譜規定，適用于航空、航天等電子設備自動控制裝置中傳輸信號和轉接電路使用。

（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、光電耦合器和磁保持繼電器組成。單片機接收到鍵盤掃描采集到按鍵值，根據實際需要通過2個IO口產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。光電耦合器因為對輸入、輸出電信號起隔離作用，電信號傳輸具有單向性等特點，所以具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力；又因為光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，所以具有很強的共模抑制能力。光電耦合器2路脈沖電壓按照單片機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。航電啟動板通過接通或者斷開磁保持繼電器實現了對機載航電設備上下電的控制。

3　結論

本文的設計方案能夠大大減輕單片機的運行負荷，降低航電啟動板的功耗，采用磁保持繼電器在航電啟動板斷電的情況下能夠保持原狀態，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：計算機系統設計、電路硬件設計。

［1］黃遵熹.單片機原理接口與應用［M］.西安：西北工業大學出版社，2000.