一、產(chǎn)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(biāo)對象定位于中型火電站、軌道交通等工業(yè)領(lǐng)域，目前已經(jīng)取得了項目并在現(xiàn)場應(yīng)用。在硬件上采用WKS型操作員鍵盤進(jìn)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(jìn)一步減少誤操作的可能，從而提高整個生產(chǎn)線的自動化能力。另外WKS型操作員鍵盤配合系統(tǒng)需要，設(shè)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?shù)?span>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(zhuǎn)換為對應(yīng)的HID鍵碼值，發(fā)送給上位機(jī)。操作員鍵盤還利用了Cypress的USB集線器芯片另外擴(kuò)展了一個USB2.0的接插口，可以記掛一個標(biāo)準(zhǔn)鍵盤或者是低功耗的USB2.0設(shè)備，比如U盤等。

操作員鍵盤作為系統(tǒng)的配件，根據(jù)不同的使用環(huán)境會有細(xì)微的功能差比。因此我們也參照了國內(nèi)外同類產(chǎn)品的功能做比較，具體功能性和性能特點(diǎn)如下表所列：

可以從上表中得出，在各類別產(chǎn)品的比較中，我們制作的SUPMAX2000專用操作員鍵盤均達(dá)到了國內(nèi)外同類水平。

二、基本技術(shù)參數(shù)及正常工作條件

1、基本技術(shù)參數(shù)

常規(guī)的技術(shù)指標(biāo)：

外部尺寸

（長×寬×高）：360mm x180mm×25mm

按鍵數(shù)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(jié)露）

大氣壓力：( 86-106)kPa

上位機(jī)供電電壓：5VDC+10%

上位機(jī)供電電流：≥500mA

鍵碼包含了64個通用標(biāo)準(zhǔn)鍵和14個組合的特殊功能鍵，具體就不一一詳細(xì)列出了。

三、工藝特點(diǎn)

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(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)象．其他電子元器件均采用貼片機(jī)自動焊接，并人工復(fù)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(nèi)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(chǎn)品電子部分主要有一塊電子線路板，安裝在機(jī)殼內(nèi)部。于電路板上方采用金屬防塵罩，保護(hù)電子線路板不進(jìn)塵。防塵罩上面覆鍵盤薄膜面罩，保證按鍵手感和防水．機(jī)殼外部噴漆，內(nèi)部金屬面與USB連接線的屏蔽層相連，和電腦主機(jī)大地連接．內(nèi)部預(yù)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(jié)合部，采用防水乳膠灌入密閉數(shù)據(jù)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(nèi)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(diào)試以及驗(yàn)收等過程都嚴(yán)格執(zhí)行IS09001標(biāo)準(zhǔn)，每個步驟都有相應(yīng)的程序文件。綜上所述，本產(chǎn)品電子生產(chǎn)焊接方便，不需要特殊工藝：裝配簡易，加工零件少。生產(chǎn)完畢外形美觀，功能完整。

四、經(jīng)濟(jì)效益

對SUPMAX2000專用操作員鍵盤的性能、質(zhì)量及成本費(fèi)用有重大影響的主要零部件有：

-STM32F103R8T6 Cortex核單片機(jī)芯片采用意法半導(dǎo)體STM32系列。

-CY7C65621 USB集線器芯片  采用賽普拉斯半導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(chǎn)加工過程無特殊加工工藝，加工費(fèi)用不高。所以對于操作員鍵盤而言都是理想的經(jīng)濟(jì)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(xiàn)：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(nèi)售價為17000元。考慮到對應(yīng)不同的DCS功能、不同的操作員鍵盤功能的獨(dú)有性，簡單的比較價格意義不大。操作員鍵盤由于其獨(dú)特的運(yùn)用環(huán)境和對象，其價格和對應(yīng)的DCS具有一致性。

本產(chǎn)品為SUPMAX2000DCS對應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(jīng)取得了項目并在現(xiàn)場應(yīng)用．每套SUPMAX2000系統(tǒng)根據(jù)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(chǎn)元器件普通，加工零件簡易。配套生產(chǎn)搭售操作員鍵盤很具經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)同類產(chǎn)品的價格范圍以及實(shí)際起到的功能作用，建議售價：7000元

五、技術(shù)特點(diǎn)

我們在設(shè)計操作員鍵盤之初參考了各種同類產(chǎn)品，比較它們的功能及性能。考慮到鍵盤的通用性，我們保留了大部分普通鍵盤的鍵碼。又為了增強(qiáng)鍵盤的一般功能，我們增加了USB2.0接口的擴(kuò)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(shè)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(shí)際功耗小，價格低廉，十分適合此款操作員鍵盤的設(shè)計。而鍵盤所用的按鈕為歐姆的4055F系列按鍵重復(fù)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(shè)在鍵盤矩陣當(dāng)中，當(dāng)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(yīng)的鍵盤碼值，通過USB通訊協(xié)議送到上位機(jī)：反之則說明此鍵未被按下，不做處理。

隨后我們又考慮到實(shí)際現(xiàn)場操作中，可能需要用到的鼠標(biāo)功能，一并集成到了鍵盤當(dāng)中。但是由于操作員鍵盤的尺寸和功耗限制，集成一個鼠標(biāo)不現(xiàn)實(shí)，因此我們增加了6個特殊功能鍵（上移，下移，左移，右移，鼠標(biāo)左鍵，鼠標(biāo)右鍵）來實(shí)現(xiàn)這個功能，通過和上位機(jī)軟件相結(jié)合，約定特殊鍵值實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)的移動和點(diǎn)擊功能，這個方法經(jīng)濟(jì)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(shí)現(xiàn)長按連發(fā)功能和作為組合鍵（上檔鍵）實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)組合鍵時的等待階段．由于實(shí)現(xiàn)機(jī)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(shè)計方案中狀態(tài)轉(zhuǎn)移分析法和定時器每10ms中斷的設(shè)計，針對以上難點(diǎn)，我們設(shè)計了區(qū)別于其他單鍵、多鍵和組合鍵及特殊功能鍵經(jīng)過按鍵掃描、消抖處理、按鍵確認(rèn)、釋放處理4個狀態(tài)轉(zhuǎn)移處理的實(shí)現(xiàn)原理。而將Shift單鍵形式在經(jīng)過第一次掃描并消抖確認(rèn)后，返回全按鍵掃描階段，單獨(dú)處理發(fā)送且狀態(tài)不轉(zhuǎn)移。由于主程序每l0ms的中斷調(diào)用，則實(shí)現(xiàn)長按連發(fā)功能。又由于處在掃描狀態(tài)中，兼順實(shí)現(xiàn)了處于實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)需要的功能。

在現(xiàn)場DCS的調(diào)試過程中，需要多臺工程師站同時調(diào)試，而實(shí)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(shè)計中增加了USB、HUB轉(zhuǎn)接口，可以外接標(biāo)準(zhǔn)104鍵盤，鍵盤利用USB HUB芯片轉(zhuǎn)接一路標(biāo)準(zhǔn)USB1.1接口的數(shù)據(jù)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(jī)的USB供電，因此在一些商用機(jī)USB口輸出功率不是很標(biāo)準(zhǔn)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(yán)格規(guī)定輸出線的長度，最終解決了功耗的問題。

在實(shí)現(xiàn)鍵盤的USB2．()擴(kuò)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(shù)據(jù)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(jī)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(biāo)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(jī)殼牢蚓堅實(shí)。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(jìn)行了包括EMC試驗(yàn)在內(nèi)的測試，具體包括的項目如下：

1、基本功能

2、與影響量有關(guān)的試驗(yàn)

3、靜電放電抗擾度試驗(yàn)

4、USB輸出電壓、電流

5、抗運(yùn)輸環(huán)境

6、外觀

7、外殼防護(hù)

按照上海自動化儀表股份有限公司W(wǎng)KS型操作員鍵盤企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的WKS型操作員鍵盤的基本參數(shù)、技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則、標(biāo)志、包裝及貯存，已在本公司測試中心以及上海電器設(shè)備檢測所進(jìn)行型式試驗(yàn)，全部通過。