基于键盘扫描和继电器使用的航电启动板改进设计

张洋

（中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，河南　洛阳　47711000000）

基于键盘扫描和继电器使用的航电启动板改进设计

张洋

（中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，河南洛阳47711000000）

本文介绍了航电启动板的工作原理，针对传统航电启动板中键盘扫描方法和继电器使用存在的不足，提出了改进设计方法，提高了航电启动板的工作性能。

航电启动板；键盘扫描；磁保持继电器

航电启动板是机载航电系统重要组成之一，航电启动板故障会严重影响其控制的机载航电设备工作。本文重点介绍提高航电启动板工作性能的改进设计方法。

1　工作原理

航电启动板工作原理：通过扫描航电启动板上导光板的按键，判断是否有按键被有效按下；如果有按键被有效按下，记录按键值；根据按键值接通或断开相应继电器，使相应的机载航电设备上电或者下电，同时点亮导光板上相应的按键指示灯；并通过RS422数据把机载航电设备上下电情况发送给任务管理计算机。

2　改进设计

航电启动板设计核心是键盘扫描和继电器使用。

2.1传统航电启动板设计方法

2.1.1传统航电启动板键盘扫描方法

因为航电启动板控制设备比较多，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。在矩阵式中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，8个端口就可以构成4*4=16个按键，比直接将端口线用于键盘多出一倍，并且设备越多，优势越明显。由此可见，在需要控制的设备比较多时，采用矩阵法来做键盘是正确的。

传统航电启动板键盘扫描方法为：单片机周期执行键盘扫描程序，采用逐行扫描法，并通过延时防抖，获取按键键值。此方法中单片机必须每周期不停地进行扫描，降低了单片机的工作效率，且连续工作增加航电启动板功耗［1］。

2.1.2传统航电启动板继电器使用

继电器是一种电子控制器件，具有控制系统和被控制系统，通常应用于自动控制电路中，它是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。继电器按工作原理分为固态继电器、磁保持继电器、温度继电器和极化继电器等。

传统航电启动板使用的继电器为固态继电器，固态继电器是两个接线端为输入端，另外两个接线端为输出端的四端器件，中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离。

使用此种继电器有以下缺点：

①当航电启动板断电时，继电器输出断开，航电启动板控制的机载设备会因此断电，对飞机在空中飞行时不能断电的机载设备（如惯导）带来很大的安全隐患；②固态继电器要一直处于导通状态，就必须一直处于通电状态，增加了产品的功率和发热量，从而减少产品的使用寿命。

2.2改进设计方法

2.2.1航电启动板键盘扫描改进设计方法

航电启动板键盘扫描采用CPLD硬件逻辑实现。因为航电启动板控制16个机载设备，所以键盘扫描设计为4*4键盘矩阵。

因为航电启动板上按键在实际操作中同一时刻只操作一个按键，所以如果同一时刻多个按键被按下逻辑程序中视为无效操作。

键盘扫描流程为：CPLD程序首先判断有无按键按下，在确认有有效按键按下后，再进行扫描键盘并计算键值。这样可以避免在没有按键按下的情况下，键盘扫描高速变化的键扫信号不仅会使航电启动板功耗增加，而且还会对其他敏感电路造成干扰。然后进行防抖处理，键盘扫描确定键值后产生中断请求，单片机通过中断方式读取按键键值。

VHDL语音具体实现如下：

2.2.1.1判断是否有按键按下

2.2.1.2键盘扫描计算键值

2.2.1.5产生按键中断

将CPLD中key_state对应管脚连接到单片机中断信号上，并把中断设置为上升沿触发；value连接到单片机数据线。单片机在有中断请求时可以通过数据线读取按键键值。

2.2.2继电器使用改进

2.2.2.1磁保持继电器工作原理

磁保持继电器和其他继电器一样，对电路起着接通和断开作用，不同之处为磁保持继电器触点接通、断开状态由永久磁铁所产生的磁力所保持［3］。

当需要继电器触点断开，只需对线圈施加一定宽度脉冲电压，该脉冲电压产生的磁通与磁钢产生的磁通方向相反，在磁极上就会产生与磁钢相同的极性，根据磁场同性相斥原理，在衔铁和轭铁磁极间会产生推力，当磁路产生的合成力矩大小簧片的反力矩，动簧朝后运动，衔铁部分绕转轴转动，继电器会呈现断开状态。如果要返回闭合状态，必须在线圈上施加一相反的脉冲，否则，继电器触点状态会永远保持下去。

通常触点处于保持状态时，线圈不需要继续通电，仅靠永久磁铁的磁力就能维持继电器的状态不变。

2.2.2.2磁保持继电器优点

①具有“记忆”功能，在磁保持继电器断电的情况下，能保持原状态；②不需要连续通电，只需要施加一定宽度脉冲电压，降低航电启动板功耗；③采用过激励，因而具有更快的动作速度。

2.2.2.3电路实现

（1）磁保持继电器芯片选取

本改进设计选取磁保持继电器芯片为JMW-270M。该芯片体积小，重量轻，结构紧凑，环境适应性强，符合国军标GJB/Z39-2和美军标MIL-R-39016系列型谱规定，适用于航空、航天等电子设备自动控制装置中传输信号和转接电路使用。

（2）磁保持继电器控制电路

磁保持继电器控制电路主要由单片机、光电耦合器和磁保持继电器组成。单片机接收到键盘扫描采集到按键值，根据实际需要通过2个IO口产生一定宽度脉冲电压，分别控制光电耦合器2路离散量输出。光电耦合器因为对输入、输出电信号起隔离作用，电信号传输具有单向性等特点，所以具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力；又因为光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，所以具有很强的共模抑制能力。光电耦合器2路脉冲电压按照单片机控制施加到磁保持继电器线圈上，从而接通或者断开磁保持继电器输出端。航电启动板通过接通或者断开磁保持继电器实现了对机载航电设备上下电的控制。

3　结论

本文的设计方案能够大大减轻单片机的运行负荷，降低航电启动板的功耗，采用磁保持继电器在航电启动板断电的情况下能够保持原状态，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

张洋（1983-），男，本科，工程师，研究方向：计算机系统设计、电路硬件设计。

［1］黄遵熹.单片机原理接口与应用［M］.西安：西北工业大学出版社，2000.