總線式智能按鈕開關(guān)設(shè)計(jì)

張　莉，潘愛瓊

(鄭州科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450064)

0　引言

按鈕開關(guān)是構(gòu)成電氣控制系統(tǒng)的基本元件。傳統(tǒng)的按鈕開關(guān)是機(jī)械式的，結(jié)構(gòu)上有一個(gè)或若干個(gè)機(jī)械觸點(diǎn)，通過通斷電流來輸出開關(guān)信息，接口為接線端子。在科技迅速發(fā)展的今天，電氣控制系統(tǒng)逐漸以PLC、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)為主。按鈕開關(guān)、行程開關(guān)作為控制系統(tǒng)的末端器件，依然沒有太多變化。當(dāng)系統(tǒng)需要使用較多數(shù)量的開關(guān)元件時(shí)，將占用大量的PLC或計(jì)算機(jī)接口卡資源；當(dāng)開關(guān)元件相距較遠(yuǎn)、較為分散時(shí)，將使用大量冗余分布的導(dǎo)線,浪費(fèi)資源。若利用現(xiàn)代電子技術(shù)，通過包含微控制器的電子線路實(shí)現(xiàn)按鈕開關(guān)的基本功能，并以輸出數(shù)據(jù)信息的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)按鈕開關(guān)輸出電流通斷信息的方式，同時(shí)采用總線技術(shù)使眾多按鈕開關(guān)利用同一數(shù)據(jù)通路工作，將有效地解決PLC、計(jì)算機(jī)端口占用過多和導(dǎo)線使用量過大的問題[1-2]。

總線技術(shù)是現(xiàn)代分布式控制系統(tǒng)常用的控制方式，用于分散安裝的現(xiàn)場(chǎng)傳感器、執(zhí)行器和后臺(tái)控制器之間的信息通信[3]。當(dāng)按鈕開關(guān)或行程開關(guān)作為控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)元件時(shí)，需使用現(xiàn)場(chǎng)總線。通過以微控制單元(microcontroller unit，MCU)為核心的電子線路，不但能實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)采集和總線通信功能，還能顯示可編程信息和按鈕開關(guān)的功能信息，起到部分人機(jī)界面的作用。

1　功能設(shè)計(jì)

智能按鈕開關(guān)的閉合、斷開狀態(tài)通過發(fā)送字符串?dāng)?shù)據(jù)的形式輸出，并通過總線形式互聯(lián)，使眾多按鈕開關(guān)占用單一主控制器接口。在避免總線沖突的前提下，總線上的智能按鈕開關(guān)應(yīng)具有較高的實(shí)時(shí)性。為滿足該要求，智能按鈕開關(guān)設(shè)計(jì)了兩個(gè)總線接口，在此定義為A口和B口。總線接口采用RS-422形式，每個(gè)總線接口含有輸入/輸出兩組差分信號(hào)，可以輸入/輸出字符串。智能按鈕開關(guān)A口可以通過兩組平行的雙絞線與其他智能按鈕開關(guān)的B口相連，從而實(shí)現(xiàn)眾多智能按鈕開關(guān)的同時(shí)使用[4-5]。由于智能按鈕開關(guān)由有源電路構(gòu)成，其總線中還應(yīng)包含電源線，以實(shí)現(xiàn)對(duì)掛載在總線上的按鈕開關(guān)供電。另外,為顯示該按鈕開關(guān)的功能信息，智能按鈕開關(guān)還具有小型LCD顯示屏，可以通過設(shè)置，顯示該按鈕開關(guān)的功能文字。智能按鈕開關(guān)接口通過與帶有RS-422的主控制器相連，實(shí)現(xiàn)主控制器對(duì)智能按鈕開關(guān)輸出開關(guān)狀態(tài)的接收和顯示，并可結(jié)合主控制器軟件實(shí)現(xiàn)部分控制功能。

1.1　基本功能

當(dāng)按下按鈕時(shí)，智能開關(guān)可以向控制器輸出開關(guān)處于閉合狀態(tài)的信息，并在LCD屏上顯示；當(dāng)按鈕彈起時(shí)，智能開關(guān)可以向控制器輸出開關(guān)處于斷開狀態(tài)的信息，并在LCD屏上顯示；在控制器輸入信息時(shí)，總線接口接收該信息并在LCD屏顯示。LCD屏不僅可以顯示開關(guān)的狀態(tài)信息，還可顯示控制器輸入的相應(yīng)信息。在開關(guān)數(shù)量眾多時(shí)，每個(gè)開關(guān)的狀態(tài)均會(huì)清楚地顯示，更加便于操作和控制。

智能按鈕開關(guān)通過總線接口A、B來輸入/輸出信息，其基本功能如圖1所示。

圖1　基本功能示意圖Fig.1　Schematic diagram of basic functions

如：當(dāng)按鈕帽按下時(shí)，總線接口A、B可同時(shí)向主控制器輸出“KEY_ADDR_ON”，并在LCD屏上顯示；當(dāng)按鈕開關(guān)彈起時(shí)，總線接口A、B可以同時(shí)向主控制器輸出“KEY_ ADDR _OFF”，并在LCD屏上顯示；若通過控制器輸入信息，總線接口A或B接收主控制器輸入的信息，如“KEY_ADDR_DIS_啟動(dòng)”，按鈕開關(guān)LCD屏上會(huì)顯示漢字“啟動(dòng)”。該功能可用于指示或更改該按鈕的功能。

1.2　聯(lián)機(jī)功能

總線接口A、B可實(shí)現(xiàn)多個(gè)按鈕開關(guān)的平行連接，從而構(gòu)成開關(guān)組。開關(guān)組的一端與主控制器的串行接口連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)開關(guān)組的讀寫控制。只有解決了現(xiàn)有開關(guān)的接口電路轉(zhuǎn)換問題，開關(guān)組才能與計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，使安裝和控制更加方便。開關(guān)組的另一端連接24 V直流電源，通過總線中的電源線為開關(guān)組的每一個(gè)智能按鈕開關(guān)供電。

在聯(lián)機(jī)方式下，智能按鈕開關(guān)通過單片機(jī)或計(jì)算機(jī)上的控制軟件進(jìn)行控制。該智能按鈕開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)下列功能。

①自動(dòng)生成地址。當(dāng)總線連接完畢后，按從左至右、相鄰按鈕開關(guān) B口接A口的方式，生成從1開始的地址。例如，由4個(gè)按鈕開關(guān)連成總線時(shí)，按鈕開關(guān)從左至右的地址分別為1～4。當(dāng)3號(hào)按鈕開關(guān)按下時(shí)，總線兩端輸出“KEY_3_ON”；當(dāng)向總線左端或右端輸入“KEY_2_DIS_啟動(dòng)”時(shí)，2號(hào)按鈕開關(guān)顯示相應(yīng)漢字“啟動(dòng)”。

②防總線沖突。聯(lián)機(jī)防沖突功能如圖2所示。

圖2　聯(lián)機(jī)防沖突功能示意圖Fig.2　Schematic diagram of online anti-collision functions

當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上按鈕開關(guān)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，通過相鄰按鈕開關(guān)的字符串緩存功能，總線左端或右端會(huì)依次輸出按鈕開關(guān)的動(dòng)作信息，以免造成信息丟失。例如，當(dāng)按鈕開關(guān)2和開關(guān)3同時(shí)按下時(shí)，按鈕開關(guān)2向左右同時(shí)輸出“KEY_2_ON”，向左輸出的字符串從總線左端直接輸出，向右輸出的字符串先緩存在按鈕開關(guān)3內(nèi)；按鈕開關(guān)3向左右同時(shí)輸出“KEY_3_ON”，向右輸出的字符串從總線右端直接輸出，向左輸出的字符串先緩存在按鈕開關(guān)2內(nèi)。待按鈕開關(guān)2和3各自的信息分別向左右輸出完畢后，再分別向左右輸出各自緩存的字符串，故總線的兩端都能得到所有的按鈕開關(guān)的操作信息。

③具有斷線報(bào)警功能。當(dāng)總線上一個(gè)或多個(gè)按鈕開關(guān)意外斷線或移除時(shí)，經(jīng)過短暫的延遲后，剩余部分的總線兩端會(huì)依次輸出所移除的按鈕開關(guān)的報(bào)警信息。例如，當(dāng)按鈕開關(guān)4斷開時(shí)，總線兩端同時(shí)輸出“KEY_4_BREAK”。

2　硬件設(shè)計(jì)

智能按鈕開關(guān)的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。該智能按鈕開關(guān)主要由兩片MAX488構(gòu)成的雙RS-422接口、兩個(gè)三態(tài)門74HC1G125構(gòu)成的中繼電路、MCU芯片STM32F103CBT6、字庫(kù)芯片GT20L16S1Y、24 V轉(zhuǎn)5 V隔離電源模塊、LCD驅(qū)動(dòng)電路、背光驅(qū)動(dòng)電路、輕觸開關(guān)等構(gòu)成[6]。

圖3　電路結(jié)構(gòu)圖Fig.3　Diagram of circuit structure

為實(shí)現(xiàn)上述通信、自動(dòng)生成地址、防總線沖突等功能，總線上的智能按鈕開關(guān)并不是簡(jiǎn)單并聯(lián)的RS-422從機(jī)，而是帶有中繼透?jìng)鞴δ躘7]的兩個(gè)獨(dú)立的RS-422電路。雙RS-422的差分端構(gòu)成A口、B口內(nèi)的引腳；雙RS-422的TTL端通過兩個(gè)三態(tài)門相連構(gòu)成中繼透?jìng)鞴δ埽瑫r(shí)又分別與MCU兩個(gè)串口的收發(fā)端相連。三態(tài)門平時(shí)處于閉合狀態(tài)，其他按鈕開關(guān)或主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù),無論來自A口方向還是B口方向，都可以穿過該按鈕開關(guān)向下一級(jí)設(shè)備傳輸。MCU的兩個(gè)串口接收端處于接收狀態(tài)，可以接收并解析來自A口、B口的數(shù)據(jù)。若該數(shù)據(jù)與自身有關(guān)，則進(jìn)行解析執(zhí)行；若該按鈕開關(guān)有動(dòng)作，則需要向外輸出字符。首先，斷開三態(tài)門；然后，MCU兩個(gè)串口的發(fā)送端需要輸出的字符，通過A口、B口送入總線。在此期間，若有其他設(shè)備或主機(jī)也在發(fā)送數(shù)據(jù)，則MCU的兩個(gè)串口接收端會(huì)接收該數(shù)據(jù)并緩存在MCU內(nèi)部，待自身數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，再向另一方向發(fā)送在此期間緩存的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)防總線沖突等功能[8-9]。此外，還有微型12864LCD、字庫(kù)芯片GT20L16S1Y和微動(dòng)開關(guān)與MCU相連。微動(dòng)開關(guān)用于拾取開關(guān)動(dòng)作信號(hào)，微型LCD用于顯示設(shè)定的字符或漢字，顯示前可從字庫(kù)芯片GT20L16S1Y中取模。為了防止多個(gè)智能按鈕開關(guān)連接時(shí)的共模電壓干擾，每個(gè)智能按鈕開關(guān)中都含有隔離型電源模塊,將總線中提供的24 V直流電源轉(zhuǎn)換為內(nèi)部電子線路的電源。智能按鈕開關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　機(jī)械結(jié)構(gòu)圖Fig.4　Diagram of mechanical structure

智能按鈕開關(guān)采用面板穿孔螺母固定方式安裝。智能按鈕開關(guān)的殼體上半部分為矩形，安裝時(shí)露在面板外部；下半部分為帶螺紋的圓柱形，穿過面板通過塑料螺母固定在面板上。矩形上半部分內(nèi)含印刷電路板(printed circuit board,PCB)，并內(nèi)嵌透明的矩形按鈕帽。按鈕帽包含微型LCD屏。LCD屏通過排線與PCB板連接。PCB下部的總線接口A、B的連接器為兩個(gè)RJ45連接器，從殼體下半部分圓柱體端部外露。總線接口A、B用內(nèi)含三組雙絞線的RJ45水晶頭與其他智能按鈕開關(guān)或主控設(shè)備連接。

3　結(jié)束語

總線式智能按鈕開關(guān)的設(shè)計(jì)秉承高度的分布式控制理念，將原本簡(jiǎn)單的機(jī)械式按鈕開關(guān)與控制器的部分功能相結(jié)合，使之成為一個(gè)分布式控制終端；通過總

線與其他具有相同接口和協(xié)議的控制器、執(zhí)行器等相連，將一個(gè)以控制器為中心的放射型控制系統(tǒng)改造為總線型控制系統(tǒng)。與放射型控制系統(tǒng)相比，總線型控制系統(tǒng)更加節(jié)省導(dǎo)線、安裝更方便。通過合適的軟件，可使系統(tǒng)擴(kuò)展更靈活、通用性更好。

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