一種通用按鍵模塊自動檢測工裝設(shè)計(jì)

摘要：為替代目前手工使用通斷測試儀來判定按鍵模塊加工質(zhì)量的品檢模式，提升檢驗(yàn)有效性和工作效率，本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心的自動檢測工裝，實(shí)現(xiàn)對多型通信產(chǎn)品中按鍵模塊的功能檢測。整個工裝采用51單片機(jī)最小系統(tǒng)，以行列掃描特征庫模式實(shí)現(xiàn)對按鍵質(zhì)量檢測，用LED及數(shù)碼管作為人機(jī)界面，以適配電纜的方式實(shí)現(xiàn)靈活對及誒多型模塊，以串口對接上位機(jī)實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)充，最大支持12*12（144個按鍵）?？蓾M足對常見各型按鍵模塊快速準(zhǔn)確篩查的需要，顯著節(jié)約用于質(zhì)量測試的人力、物力和時間，提高故障判定的快捷性和準(zhǔn)確性，為生產(chǎn)調(diào)試和產(chǎn)品檢驗(yàn)提供一種便捷可靠的檢測手段。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);按鍵模塊;檢測;通用;有限狀態(tài)機(jī)

1.引言

國產(chǎn)多型通信裝備產(chǎn)品中，采用“按鍵+液晶顯示”作為人機(jī)操作界面，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)、選擇啟動終止某項(xiàng)功能。這種方式具有可靠性高、適應(yīng)性好的特點(diǎn)，得到了較為廣泛的應(yīng)用。

此類按鍵模塊的生產(chǎn)裝配，通常采用PCB預(yù)制交叉引線作為底座，采用穹頂型彈簧鋼片作為按鍵壓片，整體使用透明薄膜密封的生產(chǎn)裝配工藝。傳統(tǒng)檢驗(yàn)方式是由人工使用通斷測試儀，對按鍵模塊逐位進(jìn)行通斷測試。檢驗(yàn)過程通常需要兩人配合，通過聽取蜂鳴器是否發(fā)聲、及聲音的變化來判斷按鍵壓片的接觸及是否存在雜質(zhì)等異常情況。操作不便、單件檢測耗時較長，實(shí)際易出現(xiàn)漏檢、錯檢，整體上降低了產(chǎn)品質(zhì)量的可控程度。

為此，設(shè)計(jì)引入智能檢測工裝極為必要。

2.系統(tǒng)框圖

3.系統(tǒng)原理

1.按鍵質(zhì)量異常檢測

本設(shè)計(jì)由單片機(jī)程序，執(zhí)行按鍵掃描動作，通過對PCB連接線之間的連通狀態(tài)、通斷時間的測試，識別標(biāo)準(zhǔn)的按鍵操作及異常，包括：按鍵狀態(tài)、雜質(zhì)接觸等，從而達(dá)到判定模塊質(zhì)量的目的，通過聲光顯示方式，提升檢驗(yàn)員判定速度。

2.行列掃描算法

矩陣式按鍵模塊設(shè)計(jì)原理通常如圖2。

智能軟件通過逐位控制檢測單片機(jī)IO引腳狀態(tài)和電平關(guān)系，讀取PCB連線狀態(tài)，判定按鍵關(guān)系，通常稱為行列檢測算法。在軟件層面通過行列編組設(shè)置，PCB行列引線。在具體實(shí)現(xiàn)中可以采用掃描法、反轉(zhuǎn)法。

結(jié)合當(dāng)今主流的單片機(jī)引腳可以設(shè)置為輸入、輸出、出入、高阻態(tài)的特性，采用反轉(zhuǎn)法的按鍵檢測具有較高效率。以圖1為例，采用反轉(zhuǎn)法實(shí)現(xiàn)原理如下：

1）使用單片機(jī)P0口（8位）連接b0-b5，P1口（8位）連接a0-a5。

2）第一步：設(shè)置P0為輸入態(tài)、P1為輸出態(tài)，在P1口輸出0x00（B000000），然后讀取P0口。（如讀回的數(shù)據(jù)為0xff，全1，表明無按鍵按下，否則有鍵按下，可以判明按鍵所在行）。

3）第二步：設(shè)置P0為輸出態(tài)、P1為輸入態(tài)，在P0口輸出0x00（B000000），然后讀取P1口。（如讀回的數(shù)據(jù)為0xff，全1，表明無按鍵按下，否則有鍵按下，可以判明按鍵所在列）。

4）通過兩次讀回的數(shù)據(jù)，可以判明按鍵行列位置。

3.按鍵狀態(tài)判別

機(jī)械式按鍵，在按下和松開的瞬間，電氣連接狀態(tài)不穩(wěn)定，表現(xiàn)的形式為可能出現(xiàn)多次的脈沖式通斷狀態(tài)。如果按鍵掃描在出現(xiàn)脈沖的瞬間恰好進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，極可能出現(xiàn)誤判按鍵狀態(tài)。因此，在軟件中必須進(jìn)行消顫處理，對無效脈沖進(jìn)行過濾，以達(dá)到正確識別按鍵狀態(tài)的目的。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對消顫的周期取值在10-15ms較好。

在本設(shè)計(jì)需求中，與常規(guī)按鍵檢測要求不同，還需要判別是否存在雜質(zhì)等異常導(dǎo)致的按鍵通斷狀態(tài)。通常由裝配過程中的雜質(zhì)導(dǎo)致的按鍵通斷，在特性上與人工正常的按鍵操作有所不同，如：在連接的確定性、通斷時間、連續(xù)連通之間的狀態(tài)不定等。這些質(zhì)量異常可以在軟件中，作為異常特征庫的方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和判定。

有限狀態(tài)機(jī)

有限狀態(tài)機(jī)（finite-state machine，縮寫：FSM）又稱有限狀態(tài)自動機(jī)，簡稱狀態(tài)機(jī)，是表示有限個狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動作等行為的數(shù)學(xué)模型。

狀態(tài)存儲關(guān)于過去的信息，就是說：它反映從系統(tǒng)開始到現(xiàn)在時刻的輸入變化。轉(zhuǎn)移指示狀態(tài)變更，并且用必須滿足確使轉(zhuǎn)移發(fā)生的條件來描述它。動作是在給定時刻要進(jìn)行的活動的描述。有多種類型的動作：

進(jìn)入動作：在進(jìn)入狀態(tài)時進(jìn)行

退出動作：在退出狀態(tài)時進(jìn)行

輸入動作：依賴于當(dāng)前狀態(tài)和輸入條件進(jìn)行

轉(zhuǎn)移動作：在進(jìn)行特定轉(zhuǎn)移時進(jìn)行

FSM（有限狀態(tài)機(jī)）可以使用上面圖3那樣的狀態(tài)圖（或狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖）來表示。此外可以使用多種類型的狀態(tài)轉(zhuǎn)移表。下面展示最常見的表示：當(dāng)前狀態(tài)（B）和條件（Y）的組合指示出下一個狀態(tài)（C）。完整的動作信息可以只使用腳注來增加。包括完整動作信息的FSM定義可以使用狀態(tài)表。

4.模塊設(shè)計(jì)及測試結(jié)果

MCU核心控制單元

核心控制單元采用常見的51單片機(jī)，STC12C5A60S2。主要特性如下：

高速：1個時鐘/機(jī)器周期，增強(qiáng)型8051內(nèi)核，速度快6-12倍。

寬電壓：5.5-4.0V，工作頻率：0-35MHz，60KFlash程序存儲，1280字節(jié)內(nèi)RAM，4路可編程定時器，雙串口（UART），最多44個雙向輸入輸出引腳。

本工裝選擇該型號單片機(jī)作為控制核心，可以極大的減少硬件設(shè)計(jì)工作，獲得良好的擴(kuò)展能力。

顯示及輸出模塊

本工裝模型本身提供4組數(shù)碼管，用作按鍵編號及異常代碼的顯示。

提供喇叭發(fā)聲，便于檢測人員快速識別待檢模塊質(zhì)量狀態(tài)。

提供標(biāo)準(zhǔn)的9芯插座，提供異步串行通信能力（9600bps），可以與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，從而實(shí)現(xiàn)批量檢測工藝參數(shù)下載、產(chǎn)品批次識別、自動生產(chǎn)批次檢測報(bào)告等擴(kuò)展功能。

行列總線接入單元

本測試工裝自身提供2個20Pin排線插座，分別對應(yīng)行、列線組，作為通用的檢測接口。

適配電纜

在針對具體的按鍵模塊型號的不同，可以壓制不同數(shù)量的排線，在對端配置與實(shí)際按鍵模塊相應(yīng)的接插件，即可方便的適應(yīng)多種按鍵模塊規(guī)格要求。

這樣的接口連接方式，易于獲得配件和線材，利于快速獲得和定制需要的適配電纜。

主要技術(shù)指標(biāo)

檢測設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1）被測按鍵模塊按鍵數(shù)最大支持12行X12列，共計(jì)144個按鍵。

2）具有通用性：

檢測設(shè)備可以通過配置不同的適配電纜，在144個最大按鍵數(shù)下，幾乎可以適配現(xiàn)行裝備中各型按鍵模塊。

3）實(shí)現(xiàn)即插即測功能。

4）檢測時間僅與按鍵操作相關(guān)，常規(guī)12-24按鍵模塊，全檢時間小于30秒。

5）測試結(jié)果可選擇多種輸出方式：LED數(shù)碼管顯示、蜂鳴、通過串口輸出至上位機(jī)。

為了保證檢測設(shè)備達(dá)到主要技術(shù)指標(biāo)要求，采用了模塊化設(shè)計(jì)，主機(jī)與轉(zhuǎn)接盒設(shè)計(jì)均為獨(dú)立的軟件或硬件模塊，便于升級換代;檢測儀與計(jì)算機(jī)之間以同步固定速率、按照協(xié)議通信;具有測試/學(xué)習(xí)兩種檢測模式;具有友好的人機(jī)界面，能顯示當(dāng)前工作狀態(tài)，通過上層虛擬操作界面實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制測試，操作使用簡便。

5.結(jié)語

從產(chǎn)品在生產(chǎn)制造過程中的實(shí)際需求出發(fā)，采用智能化的控制芯片，盡可能將人工操作轉(zhuǎn)換成設(shè)備工裝的自動化操作，是一種可以提升制造效率、提升質(zhì)量可控程度的有效方式。本測試工裝的研制，正式這種方式的實(shí)踐，具有操作簡單、接口靈活的特點(diǎn)，技術(shù)上采用標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化的思路，便于推廣普及。

參考文獻(xiàn)：

[1]STC12C5A60S2系列單片機(jī)數(shù)據(jù)手冊，www.stcmcu.com

作者簡介：

程學(xué)武（1973—），男，工程師，學(xué)士，主要研究方向?yàn)橥ㄐ偶夹g(shù)、自動化測試及產(chǎn)品化設(shè)計(jì)。

（作者單位：中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所）