[發(fā)明專利]用于防爆場(chǎng)合批控器的本質(zhì)安全型鍵盤電路

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911012261.4
• 申請(qǐng)日: 2019-10-23
• 公開（公告）號(hào): CN110908521B
• 公開（公告）日: 2022-02-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周鑫華;胡旭杰;朱人杰;陳睿;顧曙光;徐華;姚貴昌;閆樂;王潤澤;宋新偉;呂沖
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 連云港杰瑞自動(dòng)化有限公司
• 主分類號(hào): G06F3/02
• 分類號(hào): G06F3/02;G06F21/83
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 馬魯晉

本發(fā)明公開了一種用于防爆場(chǎng)合批控器的本質(zhì)安全型鍵盤電路，屬于安全柵電路技術(shù)領(lǐng)域，該電路包括矩陣鍵盤、矩陣鍵盤編碼電路、隔離電源電路、光耦隔離電路、單片機(jī)解碼電路以及HMI應(yīng)用電路。本發(fā)明通過隔離電路將本安區(qū)和非本安區(qū)徹底分開，以此將信號(hào)電流限定于安全范圍值以內(nèi)，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)鍵盤信號(hào)的傳遞，滿足批控器HMI的人機(jī)交互，克服了現(xiàn)有齊納式安全柵電路原理的不足，且避免了傳統(tǒng)安全柵電路的不可靠因素，整體電路可靠性高，可用于油站庫區(qū)等需要使用批控器鍵盤輸入的場(chǎng)所。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及安全柵電路技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于防爆場(chǎng)合批控器的本質(zhì)安全型鍵盤電路。

背景技術(shù)

鍵盤是批控器人機(jī)系統(tǒng)HMI與用戶進(jìn)行交互和信息交換的媒介，在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減少I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式。行掃描法，或稱逐行(或列)掃描查詢法，是一種最常用的矩陣按鍵識(shí)別方法。以現(xiàn)有的4×6矩陣鍵盤電路為例(如圖1所示)，包含4行6列排列的4×6個(gè)按鍵K1～K24，6+4個(gè)單片機(jī)IO口P1.0～P2.3。以此類推，M×N矩陣鍵盤電路，需要M×N個(gè)按鍵以及M+N個(gè)IO口，按鍵的兩端分別與單片機(jī)IO口所對(duì)應(yīng)的行線和列線相連，首先設(shè)置N根列線IO口為高電平輸入口，再依次分別設(shè)置行線IO口為低電平輸出口(假設(shè)m行)，只要檢測(cè)到某列(假設(shè)n列)的電平為低，則表示鍵盤中有按鍵被按下，且閉合的鍵位一定為K(m,n)；若檢測(cè)所有列線均為高電平，則表示鍵盤中無按鍵按下。

然而隨著嵌入式設(shè)備應(yīng)用的普及，用于油站庫區(qū)等防爆場(chǎng)合的批控器設(shè)備越來越多，因此在很多情況下，需要在防爆危險(xiǎn)區(qū)通過鍵盤操作來控制油氣裝卸設(shè)備的程序。假如鍵盤電路不做隔離保護(hù)，在出現(xiàn)摩擦打火、高壓靜電、設(shè)備短路的故障情況下，會(huì)對(duì)庫區(qū)造成一定的安全隱患。

市面上常用的防爆方案多為齊納式安全柵，通過齊納二極管控制輸出電壓，用限流電阻限制輸出電流，從而將能量控制在安全范圍內(nèi)。如圖2所示，在正常工作時(shí)，非本安段P1.0和GND之間所加電壓一般低于齊納二極管D1的反向擊穿電壓，此時(shí)D1處于不導(dǎo)通狀態(tài)，除了有微小的漏電流外，D1呈現(xiàn)開路狀態(tài)，安全柵電路等效于將電阻R1串聯(lián)在矩陣電路中，只要漏電流小于規(guī)定值，安全柵電路就不會(huì)影響矩陣電路工作；當(dāng)非本安段發(fā)生故障，例如在P1.0和GND串入高電壓，此時(shí)D1被反向擊穿，呈現(xiàn)通路狀態(tài)，串入的高電壓將全部限制在D1兩端，不會(huì)將高電壓繼續(xù)傳遞至矩陣電路。而齊納二極管D1一旦導(dǎo)通，其電流會(huì)急劇上升，此時(shí)串聯(lián)在安全柵電路中的熔斷器F1將瞬時(shí)熔斷，切斷系統(tǒng)回路，防止危險(xiǎn)能量串入本安區(qū)，從而保證了油站庫區(qū)設(shè)備和人員的安全。

齊納式安全柵電路簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但是自身原理存在如下缺陷：①所在電路必須有非?？煽康慕拥叵到y(tǒng)，且該齊納式安全柵接地電阻必須小于1Ω，否則將失去安全性能；②齊納式安全柵受電源影響較大，容易因電源波動(dòng)造成器件損壞；③齊納式安全柵電路原理是依靠吸收輸入端能量，因此對(duì)于輸出會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定因素。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種能克服現(xiàn)有齊納式安全柵電路原理的不足，且避免傳統(tǒng)安全柵電路不可靠因素的本質(zhì)安全型鍵盤電路，通過隔離電路將本安區(qū)和非本安區(qū)徹底分開，同時(shí)實(shí)現(xiàn)鍵盤信號(hào)的傳遞，滿足批控器HMI的人機(jī)交互。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種用于防爆場(chǎng)合批控器的本質(zhì)安全型鍵盤電路，包括矩陣鍵盤，還包括矩陣鍵盤編碼電路、隔離電源電路、光耦隔離電路、單片機(jī)解碼電路以及HMI應(yīng)用電路；

所述矩陣鍵盤編碼電路，連接矩陣鍵盤，用于將矩陣鍵盤按鍵以行列交叉矩陣的形式輸出至光耦隔離電路；

所述光耦隔離電路，用于在批控器系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)將本安區(qū)能量限制于安全等級(jí)，并將矩陣鍵盤傳遞的數(shù)字信號(hào)傳送至單片機(jī)解碼電路；

所述隔離電源電路，用于為矩陣鍵盤編碼電路、光耦隔離電路、單片機(jī)解碼電路提供所需電壓；

所述單片機(jī)解碼電路，用于將矩陣鍵盤傳遞的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)譯為按鍵碼值，供HMI應(yīng)用電路使用；