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1、引言
与其它工业控制系统相比，PLC控制系统具有可靠性高、抗干扰能力强等突出优点，因而广泛应用于工业控制领域。对于那些不必采用上位机监控＋PLC现场控制的简易控制系统，操作面板的完善与否直接影响到整个系统的智能化程度高低。对小型控制系统而言，在满足功能的前提下，高性价比一直是设计人员追求的目标，若采用触摸屏(如SIEMENS的TP270)＋组态软件(如PROTOOL)的方式组成人机界面，势必使整个系统的性价比大为降低，因此，提出基于PLC的矩阵式键盘设计方案具有较大的实际意义。
2、矩阵式键盘工作原理
矩阵式键盘是相对于独立式键盘而言的，也叫行列式键盘，是当键数较多时为节省I/O点而采取的一种结构。在微机系统中，矩阵式键盘的构成方式如图1所示。
图1矩阵式键盘结构图
首先，判断整个键盘上有无键按下。方法是:将列全输出为0，然后读入行的状态，如果行读入的状态全为1，则无键按下，不全为1则有键按下。
其次，若有键按下则逐列扫描。方法是:依次将列线送低电平0，检查对应行线的状态;若行线全为1，则按键不在此列;若不全为1，则按键必在此列，且是与0电平行线相交的那个键。最后，确定键值，并进入键处理程序。
3、矩阵式键盘硬件设计
在PLC系统中设计矩阵式键盘不仅要用到输入口，而且也要用到输出口，因此，了解PLC I/O口内部电路的结构以及工作原理是十分重要的。下面以S7-200的DC输入、输出模块为例，简要说明其工作原理。
3.1 输入模块
如图2所示，为PLC的DC输入模块，其中，K1-输入开关;M-公共端;I0.0-输入点;R1、R2的典型值为5.6K、1K。
图2 直流输入模块电路图
工作原理:若输入开关K1闭合，则输入信号经RC滤波和光电隔离后，转换为PLC的CPU所需的电平(一般为5V)，再经过输入选择器与CPU的总线相连，从而将外部输入开关的“ON”状态输入到PLC内部，此时输入指示灯亮，且与该输入点对应的输入映像寄存器为“1”。若输入开关断开，则信号没有形成通路，此时输入指示灯不亮，表示为“OFF”状态。
3.2 输出模块
如图3所示，为PLC的DC输出模块，其中，L+接DC24V;Q0.0-输出点。
图3直流输出模块电路图
工作原理:若用户程序将输出置为“ON”状态，则在刷新输出阶段CPU将“ON”信号送给输出锁存器，再经过光电耦合送给场效应管，使之饱和导通，此时输出指示灯亮，且通过场效应管将DC24V和负载连通，从而使得负载获得工作电流。反之，若用户程序将输出置为“OFF”状态，则输出指示灯不亮，情况与上述相反。
3.3 键盘的硬件设计
由以上分析可知:PLC的I/O口内部电路与一般的计算机系统(如单片机系统)有较大的不同，这就决定了在PLC系统中设计矩阵式键盘也有其特殊性。首先，由于输入模块中有RC滤波电路，其滤波延迟时间可以通过编程软件设置，即其本身存在硬件消抖动的功能，因此不再需要软件延时消抖动;其次，由于用到了PLC的输出口，它本身可以输出对M端有DC24V的电压，因此不再需要外接电源;最后，由于PLC的输入口有6K左右的输入电阻，因此可以将DC24V的电压直接加上，若为了延长I/O口的使用寿命，一般按照输入模块的技术指标来配置限流电阻，经查阅输入电流的典型值为4mA，一般取R1=R2=R3=0.5K即可。如图4所示为3行3列矩阵式键盘的结构图。
图4 3×3键盘结构图
4、矩阵式键盘软件设计
4.1 PLC的扫描工作方式
当PLC处于“RUN”工作模式下时，除上电初始化外，其它程序都采取周而复始的循环扫描方式，称之为“PLC的扫描工作方式”，其执行流程如图5所示:
图5 PLC的扫描工作流程
在设计键盘时可暂不考虑通信和自诊断，则在一个扫描周期内剩下以下三个主要阶段:
(1) 输入采样阶段，CPU将所有物理输入点的状态存入对应的过程映像寄存器中，到下次输入采样前，过程映像寄存器的内容均保持不变;
(2) 程序执行阶段，CPU按照从左到右、从上到下的顺序执行程序，将运算结果写到输出映像寄存器或数据存储区内;
(3) 输出刷新阶段，在程序执行完后，CPU将过程输出映像寄存器的状态几乎同时的更新到物理输出点。
4.2 键盘的软件设计
矩阵式键盘的软件设计相对较为复杂，但无非是实现微机系统中所描述的键盘扫描程序的四个功能:
(1) 判断有无键按下;
(2) 去机械抖动
(3) 求按下的键号;
(4) 键闭合一次仅进行一次键功能操作。
4.3 键盘设定及程序设计
再结合微机系统中矩阵键盘的原理，设计3×3矩阵式键盘，特做如下设定:
(1) 设定0～8号键分别与M0.0～M1.0对应，键按下，对应的位存储点为“1”，键松开则为“0”;
(2) 设定I0.0、I0.1、I0.2对应键盘的第0列、第1列、第2列，Q0.0、Q0.1、Q0.2对应键盘的第0行、第1行、第2行，M1.1为“有键按下”标志位;
(3) 按图4所示的方式构成3行3列矩阵式键盘，流程图如图6。
图6 键盘程序流程图
为增强程序的可读性，利用STEP7-Micro/WIN V4.0编程软件，用符号地址替代绝对地址，编制3×3键盘的STL程序如下所示。
4.4 程序的说明
(1) 程序采用了立即置位、复位指令SI和RI，是为了更及时的置位复位输出点，使程序的执行不受扫描周期的影响，也可用字节立即写指令MOV_BIW来实现，但应该考虑对其它未用点的影响。
(2) 程序的最后采用了软件延时，是为了解决程序指令执行时间与输入输出滞后时间的不匹配。利用编程软件STEP7-Micro/WIN V4.0中的System Block下的Input Filters选项可以设置输入滤波时间，默认为6.4ms，减少滤波时间可以相应的减少软件延时次数，但若滤波时间太小又达不到消抖动的目的。
(3) 程序中没有考虑多键同时按下的问题，在现有的程序中，若不同行有多个键按下，均以最先按下的那个键为准进行响应，但若同一行上有多个键按下，则又分要几种情况，因此在应用时，应加强对按键的限制条件，避免由于误操作而造成生产设备的损坏。
(4) 程序中对每个按钮的响应均是按下该键，则对应的存储位为“1”，放开该键，则为“0”，没有其它较为智能的功能。若键盘中有“加速”、“减速”等类似键时，往往希望有连续加减的功能，即按下“加速”一定时间后(如500ms)，按照每规定时间(如100ms)增加一个单位的速度值，此时可以利用两个定时器实现，其STL程序如下。
5 结束语
本文提出了在PLC系统中设计矩阵式键盘的一般方法并给出了3×3键盘的硬件连线图和STL程序。在键数较多时，矩阵式键盘可以大大节省PLC的I/O点数，但程序设计的复杂度也随之增加，因此使用时应在系统的硬件成本和实时性之间加以均衡考虑。此外，本文的设计思路具有通用性，只需稍加变动，就可移植到其它品牌的PLC中。文中的STL程序均已通过S7-200的编程软件STEP7-Micro/WIN V4.0在CPU226 DC/DC/DC上调试通过，说明了本文设计方法的可行性。
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