
SUPMAX2000專用操作員鍵盤介紹
一、產品介紹
SUMAX2000系統(tǒng)是我公司力推的新型分散控制系統(tǒng),其目標對象定位于中型火電站、軌道交通等工業(yè)領域,目前已經取得了項目并在現場應用。在硬件上采用WKS型操作員鍵盤進行控制,使得操作員能對系統(tǒng)的操作更加直觀,操作方法更加簡捷,降低對操作員的操作技能要求,進一步減少誤操作的可能,從而提高整個生產線的自動化能力。另外WKS型操作員鍵盤配合系統(tǒng)需要,設置了專門配合2000系統(tǒng)組態(tài)和監(jiān)控軟件的特殊功能鍵,制作了這款SUPMAX2000專用的操作員鍵盤。
SUPMAX2000專用操作員鍵盤中,鍵盤區(qū)采集到按鍵信息,傳輸到cor-tex-m3芯片,由該芯片識別是否為特殊功能鍵或普通鍵,然后將其轉換為對應的HID鍵碼值,發(fā)送給上位機。操作員鍵盤還利用了Cypress的USB集線器芯片另外擴展了一個USB2.0的接插口,可以記掛一個標準鍵盤或者是低功耗的USB2.0設備,比如U盤等。
操作員鍵盤作為系統(tǒng)的配件,根據不同的使用環(huán)境會有細微的功能差比。因此我們也參照了國內外同類產品的功能做比較,具體功能性和性能特點如下表所列:

可以從上表中得出,在各類別產品的比較中,我們制作的SUPMAX2000專用操作員鍵盤均達到了國內外同類水平。
二、基本技術參數及正常工作條件
1、基本技術參數
常規(guī)的技術指標:
外部尺寸
(長×寬×高):360mm x180mm×25mm
按鍵數量:88個
USB接口輸出電壓:5V DC+5%
USB接口輸出電流:最大輸出電流280mA
USB連接線:<1.5m
2、正常
工作條件
溫度:5℃-40℃
相對濕度:20%~85%(無結露)
大氣壓力:( 86-106)kPa
上位機供電電壓:5VDC+10%
上位機供電電流:≥500mA
鍵碼包含了64個通用標準鍵和14個組合的特殊功能鍵,具體就不一一詳細列出了。
三、工藝特點
1電子線路
操作員鍵盤另外增加一個USB2.0外接接口,以供標準PC鍵盤記掛。此用到的USB集線器芯片采用波峰焊工藝,確保BGA封裝的芯片每個引腳焊接可 靠,不存在虛焊和短路現象.其他電子元器件均采用貼片機自動焊接,并人工復檢,確保電子線路正確。

電路板采用了無鉛化化金工藝制作的兩層板,內添加了阻燃基布,中間絕緣材料為環(huán)氧樹脂,絕緣性能良好。

2組裝工藝
該產品電子部分主要有一塊電子線路板,安裝在機殼內部。于電路板上方采用金屬防塵罩,保護電子線路板不進塵。防塵罩上面覆鍵盤薄膜面罩,保證按鍵手感和防水.機殼外部噴漆,內部金屬面與USB連接線的屏蔽層相連,和電腦主機大地連接.內部預留銅柱接地端,必要時可以直接外部接地線路板大地與系統(tǒng)地之間連接3000V直流高壓電容,確保2000V左右的靜電干擾無效。
面板和外殼、后蓋板之間的組裝用普通螺絲即可裝牢,后蓋板上亦裝有防靜電放水塑料膜。
針對面板和外殼的縫隙結合部,采用防水乳膠灌入密閉數據連接線采用塑模外層,確保防水線和外殼的連接處加入橡皮環(huán)塞,同時用乳膠在內部密封。保證防水防塵的前提下外觀美觀。

在整個的開發(fā)、調試以及驗收等過程都嚴格執(zhí)行IS09001標準,每個步驟都有相應的程序文件。綜上所述,本產品電子生產焊接方便,不需要特殊工藝:裝配簡易,加工零件少。生產完畢外形美觀,功能完整。
四、經濟效益
對SUPMAX2000專用操作員鍵盤的性能、質量及成本費用有重大影響的主要零部件有:
-STM32F103R8T6 Cortex核單片機芯片采用意法半導體STM32系列。
-CY7C65621 USB集線器芯片 采用賽普拉斯半導體。
-外殼:采用不銹鋼壓住外殼,外表噴漆。
-防水防塵面板:采用防水塑料薄膜覆在鏤空的不銹鋼上板面罩上組成。
-防靜電高壓電容
這些元器件或結構配件均是市面上普遍供有、方便采購的一般性元器件。其本身的價格也處于較低的水平。生產加工過程無特殊加工工藝,加工費用不高。所以對于操作員鍵盤而言都是理想的經濟性器件。
再來比一下同類型的操作員鍵盤的售價,我們發(fā)現:MAX1000DCS操作員鍵盤售價在1000美元左右。美困??怂共_的P0903CW操作員鍵盤的國內售價為17000元??紤]到對應不同的DCS功能、不同的操作員鍵盤功能的獨有性,簡單的比較價格意義不大。操作員鍵盤由于其獨特的運用環(huán)境和對象,其價格和對應的DCS具有一致性。
本產品為SUPMAX2000DCS對應的操作員鍵盤,同先前的SUPMAX800系列的操作員鍵盤相比,用STM32芯片取代了標準鍵盤芯片和FPGA兩塊芯片,大大的降低了成本。
從市場角度來分析,SUPMAX2000分散控制系統(tǒng),目前已經取得了項目并在現場應用.每套SUPMAX2000系統(tǒng)根據不同的需求將搭配5-10塊操作員鍵盤以每年銷售20SUPMAX2000DCS系統(tǒng)估算,將有l00~200塊操作員鍵盤的需求量.操作員鍵盤生產元器件普通,加工零件簡易。配套生產搭售操作員鍵盤很具經濟效益。
根據同類產品的價格范圍以及實際起到的功能作用,建議售價:7000元
五、技術特點
我們在設計操作員鍵盤之初參考了各種同類產品,比較它們的功能及性能??紤]到鍵盤的通用性,我們保留了大部分普通鍵盤的鍵碼。又為了增強鍵盤的一般功能,我們增加了USB2.0接口的擴展。對于配合控制系統(tǒng)組態(tài)和監(jiān)控的特殊功能鍵,則是我們設計中最主要的部分.這里硬件主控制體采用了STM32系列的cortex芯片。Cortex芯片可靠性高,實際功耗小,價格低廉,十分適合此款操作員鍵盤的設計。而鍵盤所用的按鈕為歐姆的4055F系列按鍵重復可敲打超過10萬次,保證了鍵盤按鈕的牢固和使用壽命。

從原理圖上可以看出核心器件Cortex輸出了11組掃描信號,并且接收反饋的8組信號。這些掃描反饋信號線交織鋪設在鍵盤矩陣當中,當按鍵按下時掃描線發(fā)出的脈沖將與反饋回來的脈沖完全吻合,由此cortex得知該鍵被按下,并送出相應的鍵盤碼值,通過USB通訊協(xié)議送到上位機:反之則說明此鍵未被按下,不做處理。

隨后我們又考慮到實際現場操作中,可能需要用到的鼠標功能,一并集成到了鍵盤當中。但是由于操作員鍵盤的尺寸和功耗限制,集成一個鼠標不現實,因此我們增加了6個特殊功能鍵(上移,下移,左移,右移,鼠標左鍵,鼠標右鍵)來實現這個功能,通過和上位機軟件相結合,約定特殊鍵值實現鼠標的移動和點擊功能,這個方法經濟有效,在原有的框架下通過簡單的修改軟件就完成了這個功能。
程序編寫中,我們遇到了Shift鍵作為單鍵實現長按連發(fā)功能和作為組合鍵(上檔鍵)實現中的特殊問題。Shift鍵單按時有兩種含義,或是單鍵形式,或是處于實現組合鍵時的等待階段.由于實現機理不同,有別于一般單鍵形式以及兩個普通單鍵(非Shift)同時按下或先后按下的情況.基于我們整體設計方案中狀態(tài)轉移分析法和定時器每10ms中斷的設計,針對以上難點,我們設計了區(qū)別于其他單鍵、多鍵和組合鍵及特殊功能鍵經過按鍵掃描、消抖處理、按鍵確認、釋放處理4個狀態(tài)轉移處理的實現原理。而將Shift單鍵形式在經過第一次掃描并消抖確認后,返回全按鍵掃描階段,單獨處理發(fā)送且狀態(tài)不轉移。由于主程序每l0ms的中斷調用,則實現長按連發(fā)功能。又由于處在掃描狀態(tài)中,兼順實現了處于實現組合鍵時的等待階段.該思路很好的解決了難題。最后程序完好實現需要的功能。

在現場DCS的調試過程中,需要多臺工程師站同時調試,而實際項目一般只有1-2臺工程師站,其他的操作員使用操作員鍵盤不能完成上程師站的所有功能,因此我們在設計中增加了USB、HUB轉接口,可以外接標準104鍵盤,鍵盤利用USB HUB芯片轉接一路標準USB1.1接口的數據差分線出來,作為外接鍵盤的接口。但是USB HUB功能的增加同時增加了鍵盤本身的功耗,由于鍵盤全部需要計算機的USB供電,因此在一些商用機USB口輸出功率不是很標準的情況下,鍵盤的功能受到了影響,為此我們盡量選用低功耗的芯片、去除FPGA、嚴格規(guī)定輸出線的長度,最終解決了功耗的問題。
在實現鍵盤的USB2.()擴展接口的時候我們選取了cypress的USB集線器芯片.如上圖,它有效的將單端輸入輸出的USB數據線線分成了2路,一路被上拉到USB1.1,符合鍵盤的通訊要求;另一路則符合USB2.0,作為一個外接接口對外通訊。
六、樣機照片


由正面視圖可見SUPMAX2000專用操作員鍵盤為外殼黑色噴漆、帶彩色薄膜標識的普通鍵盤樣式。外形大方雅觀。由背面可以見操作員鍵盤配以螺釘裝配,機殼牢蚓堅實。配有橡皮墊腳,安放輕巧,不易損壞和被損壞外表面。
七、檢測報告

我們對SUPMAX2000專用操作員鍵盤進行了包括EMC試驗在內的測試,具體包括的項目如下:
1、基本功能
2、與影響量有關的試驗
3、靜電放電抗擾度試驗
4、USB輸出電壓、電流
5、抗運輸環(huán)境
6、外觀
7、外殼防護
按照上海自動化儀表股份有限公司WKS型操作員鍵盤企業(yè)標準規(guī)定的WKS型操作員鍵盤的基本參數、技術要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標志、包裝及貯存,已在本公司測試中心以及上海電器設備檢測所進行型式試驗,全部通過。



