CN203825411U - 具有usb接口的红外防爆手操器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种具有USB接口的红外防爆手操器，包括单片机、数据存储器、USB接口与供电电路、Modbus/IrPHY通信电路以及用于实现人机界面的电容触摸按键电路和LCD显示电路，所述USB接口与供电电路、Modbus/IrPHY通信电路、电容触摸按键电路和LCD显示电路分别与单片机相连，所述单片机、数据存储器及外围电路组成单片机与数据存储模块。本实用新型手操器可以消除机械按键在按键过程中产生火花的可能性，采用IrPHY物理层和Modbus应用层相结合的通信协议实现与自动化仪表的通信，简化了红外通信协议，通过USB接口可以与PC机进行通信，并对锂电池充电，而且内部电路均为低功耗和本质安全设计。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种手操器，尤其是一种具有USB接口的红外防爆手操器，属于自动化仪表的手操技术领域。
背景技术
手操器是自动化仪表的一个手动操作单元，主要用于与不带手动参数设置的仪表配合使用，实现仪表数据的读取和功能参数的配置。手操器与自动化仪表的通信方式有有线方式和无线方式，工业仪表最常用的有线手操器是HART手操器，但是它不仅需要线缆连接，而且价格较贵；无线通信方式有红外和RF方式，红外通信虽然硬件成本低，但是IrDA通信协议复杂，占用单片机资源较多。
对于易燃易爆环境中下使用的手操器来说，需要进行防爆设计，现有手操器虽然进行了防爆处理，但是还存在传统按键在操作时易产生火花等安全隐患。随着USB通信接口的普及和流行，要求手操器具有USB接口，并具有充电功能；还要求手操器具有友好的人机界面、与自动化仪表连接能采用可靠和廉价的红外通信方式。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种结构简单、通信方式可靠和廉价，而且安全性高的具有USB接口的红外防爆手操器。
本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到：
具有USB接口的红外防爆手操器，其特征在于：包括单片机、数据存储器、USB接口与供电电路、Modbus/IrPHY通信电路以及用于实现人机界面的电容触摸按键电路和LCD显示电路，所述Modbus/IrPHY通信电路、电容触摸按键电路和LCD显示电路分别与单片机相连，所述单片机、数据存储器及外围电路组成单片机与数据存储模块；所述USB接口与供电电路包括USB接口插座、ESD保护电路、电压转换与充电控制电路、LED充电指示电路以及锂电池，所述USB接口插座的USB导线经过ESD保护电路后，该USB导线的信号线通过匹配电阻连接单片机的USB_DM引脚和USB_DP引脚，该USB导线的电源线连接电压转换与充电控制电路，所述电压转换与充电控制电路分为两路，一路为DC/DC转换电路，另一路为充电控制电路，所述充电控制电路的输出作为锂电池的充电电压，所述DC/DC转换电路的输出与锂电池的输出通过二极管连接VDD，所述LED充电指示电路连接电压转换与充电控制电路。
作为一种优选方案，所述电压转换与充电控制电路采用LTC4098-3.6芯片。
作为一种优选方案，所述锂电池采用磷酸铁锂电池，其电池容量为200mAh，电池包中有NTC温敏电阻，电池的输出端设有自恢复保险丝。
作为一种优选方案，所述Modbus/IrPHY通信电路由单片机片上外设UART、IrDA收发器及相关电路组成，所述UART与IrDA收发器连接。
作为一种优选方案，所述IrDA收发器采用TFDU4101收发器。
作为一种优选方案，所述电容触摸按键电路包括10个电容触摸按键，所述每个电容触摸按键分别与单片机的I/O端口连接。
作为一种优选方案，所述每个电容触摸按键采用PCB板上10mm直径的圆形焊盘，表面涂覆0.5mm厚的有机薄膜，所述圆形焊盘的外围间隔分布有0.5mm屏蔽层。
作为一种优选方案，所述LCD显示电路由128×64黑白LCD显示屏LM6059BCW及相关电路组成，该LCD显示屏带有LED背光，与单片机的I/O端口连接。
作为一种优选方案，所述单片机采用STM32系列的STM32L151VBT6芯片，所述数据存储器采用Flash存储器AT25DF041A。
本实用新型相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本实用新型手操器采用与手机相似的人机界面，人机界面上有电容触摸按键和LCD显示屏，便于用户操作，其中电容触摸按键可以消除普通机械按键在按键过程中产生火花的可能性，同时由于电容触摸按键在PCB板上制作完成，不需要机械按键的活动空间，可以实现电路的完全浇封。
2、本实用新型手操器中的Modbus/IrPHY通信电路采用IrPHY物理层和Modbus应用层相结合的通信协议，以实现与自动化仪表(如变送器等)的通信，简化了红外通信协议。
3、本实用新型手操器具有USB接口，既可以通过USB接口与PC机之间进行通信，也可以通过USB接口对锂电池充电，同时由于锂电池采用磷酸铁锂电池，可以实现温度过高或过低的充电保护以及过流保护。
4、本实用新型手操器的内部电路均为低功耗和本质安全设计，具有防爆(本质安全+隔爆)功能，提高了安全性和待机时间。
附图说明
图1为本实用新型手操器的结构原理图。
图2为本实用新型手操器采用的通信协议栈示意图。
图3为本实用新型手操器的人机界面示意图。
图4为本实用新型手操器的USB接口与供电电路结构原理图。
图5a为本实用新型手操器的主流程示意图。
图5b为本实用新型手操器的RTC中断流程示意图。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，本实施例的手操器包括单片机与数据存储模块M101、USB接口与供电电路M102、电容触摸按键电路M103、LCD显示电路104和Modbus/IrPHY通信电路105；所述单片机与数据存储模块M101由低功耗单片机STM32L151VBT6、Flash存储器AT25DF04IA及外围电路组成，所述单片机内部4KB的EEPROM用于存储手操器和对应的自动化仪表工作参数数据，外部Flash存储器AT25DB041A的512KB空间分成两部分，低地址的272KB用于存储16点阵中文字库，高地址的240KB用于存储从自动化仪表读入的数据。
如图1和图2所示，所述Modbus/IrPHY通信电路105由单片机片上外设UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器)、IrDA收发器TFDU4101及相关电路组成，所述UART与IrDA收发器连接，实现与自动化仪表的通信，为了简化红外通信协议，采用Modbus作为应用层M201和IrPHY作为物理层M202的通信协议，Modbus采用Modbus-ASCII方式通信，以简化数据包起始字节的同步。
如图1和图3所示，为所述电容触摸按键电路M103和LCD显示电路M104实现的人机界面，人机界面的操作与手机相似，所述电容触摸按键电路M103包括10个电容触摸按键，分别与单片机的I/O端口连接，每个电容触摸按键采用PCB板上10mm直径的圆形焊盘，表面涂覆0.5mm厚的有机薄膜，所述圆形焊盘的外围间隔分布有0.5mm屏蔽层；所述LCD显示电路M104由128×64黑白LCD显示屏LM6059BCW及相关电路组成，该LCD显示屏带有LED背光，与单片机的I/O端口连接，LED背光的亮度通过单片机采用PWM方式调节；所有电容触摸按键均采用电荷转移方式工作，为了提高按键扫描速度，把10个电容触摸按键分成4组，分别是Group1为“On/Off”键，Group2为“BackLight-”键、“IrCom”键和“Enter”键，Group3为“BackLight+”键、“Down”键和“Left”键，Group4为“Up”键、“Right”键和“Return”键，4组按键同时并行扫描，为了防止电容长期漂移对按键识别灵敏度的影响，在每次手操器进行USB充电时，若电容校正时间间隔超过1天，则进行非触摸时电容值自动校正，并在LCD显示屏上进行提示，此时不要触摸按键；LCD显示屏为128×64黑白显示，采用16×16点阵的汉字和16×8点阵的数字和字母显示，共有4行，第1行分成4个域，分别显示日期、时间、USB通信状态和Ir红外通信状态；第2行分成3个域，分 别为小于号(表示左边还有菜单功能项)、菜单功能、大于号(表示右边还有菜单功能项)，通过“Left”键和“Right”键进行浏览，通过“Enter”键进行确认；第3行与第2行一样成3个域，分别为小于号(表示左边还有工作变量项)、工作变量、大于号(表示右边还有工作变量项)，通过“Left”键和“Right”键进行浏览，通过“Enter”键进行确认，通过“Return”键返回第2行操作；第4行只有1个域，用于显示工作变量值，通过“Up”键和“Down”键进行修改，通过“Enter”键进行确认，通过“Return”键返回第3行操作，若需要对相应参数进行从自动化仪表进行读和写，则按“IrCom”键，LCD背光的调节通过“BackLight+”键和BackLight-”键完成。
如图1和图4所示，所述USB接口与供电电路M102包括USB接口插座M401、ESD(Electro-Static discharge，静电释放)保护电路M402、电压转换与充电控制电路M403、LED充电指示电路M404以及磷酸铁锂电池M405，当USB接口插座M401通过USB数据线与PC机连接时，手操器并不在易燃易爆环境中，USB接口插座M401的USB导线经过ESD保护电路M402后，该USB导线的信号线经过22Ω的匹配电阻连接单片机的USB_DM引脚和USB_DP引脚，该USB导线的电源线连接电压转换和充电控制电路M403后分成两路，一路通过DC/DC转换电路变为Vbat+0.4V的电压后经二极管连接VDD，作为单片机等其余部分的工作电压，其中Vbat为充电电池的电压，另一路通过充电控制电路后作为磷酸铁锂电池M405的充电电压；所述电压转换与充电控制电路M403采用LTC4098-3.6芯片，具有输入电压过压保护和芯片超温保护；所述磷酸铁锂电池M405的容量为200mAh，电池包中有NTC温敏电阻，实现电池温度过高和过低的充电保护，同时电池的输出端设有自恢复保险丝，实现过流保护；所述磷酸铁锂电池M405的输出与LTC4098-3.6的DC/DC转换电路的输出通过二极管“线或”后向VDD供电；所述LED充电指示电路M404连接LTC4098-3.6，以提示用户；除了USB接口插座M401的金属外接部分外，其余电路全部与PCB板被浇封在一起。
如图5a所示，为本实施例的手操器主流程，具体如下：
Step500：手操器上电，单片机启动，进入Step501；
Step501：初始化I/O端口、缓冲内存和片上外设，包括USB、UART、连接电容触摸按键的I/O端口和连接LCD显示屏的I/O端口等的初始化，然后设置MainState为1，表示此时处于Active模式，最后进行RTC初始化和1秒计时中断，进入循环；
Step502：进行MainState状态判断，若MainState状态为0，则表示此时为低功耗Sleep模式，进入Step508；若MainState状态为1，则进入Step503；
Step503：扫描全部按键，进入Step504；
Step504：判断是否长时间(该时间可设，缺省为20秒)无按键，若是，则进入Step507；若否，则进入Step505；
Step505：判断是否长按On/Off键，若是，则进入Step507；若否，则进入Step506；
Step506：完成其它按键的处理，包括显示、USB通信和Modbus/IrPHY通信等；
Step507：设置MainState＝0，关掉LED背光和LCD，并进入Step508；
Step508：暂停程序运行，进入低功耗Sleep模式，并等待RTC中断程序的唤醒。
由于本实施例的手操器具有防爆功能，没有像手机那样采用I/O中断唤醒功能的按键，需要采用单片机片上RTC中断唤醒，如图5b所示，为本实施例的手操器RTC中断流程，具体如下：
Step511：通过RTC中断进入该步骤，同时RTC硬件自动计时，进入Step512；
Step512：进行时间和日期LCD显示缓冲区更新，进入Step513；
Step513：进行MainState判断，若MainState状态为0，则进入Step514；若MainState 状态为1，则进入Step517；
Step514：进行On/Off键扫描，得到本次扫描结果，进入Step515；
Step515：进行连续两次按键比较，若连续两次键值都为On/Off键值(相同)，则判断为长按On/Off键，进入Step516；若连续两次键值不同，则进入Step517；
Step516：实现单片机状态转移，包括设置MainState为1、开LED背光和LCD、清除On/Off缓冲器键值等；
Step517：完成RTC中断返回。
通过上述流程，本实施例的手操器在主流程和中断流程之间实现工作状态在Active模式和低功耗Sleep模式之间的转移。
综上所述，本实用新型手操器可以消除机械按键在按键过程中产生火花的可能性，简化了红外通信协议，通过USB接口可以与PC机进行通信，并对锂电池充电，而且内部电路均为低功耗和本质安全设计。
以上所述，仅为本实用新型专利较佳的实施例，但本实用新型专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型专利所公开的范围内，根据本实用新型专利的技术方案及其实用新型专利构思加以等同替换或改变，都属于本实用新型专利的保护范围。
Claims (9)
1.具有USB接口的红外防爆手操器，其特征在于：包括单片机、数据存储器、USB接口与供电电路、Modbus/IrPHY通信电路以及用于实现人机界面的电容触摸按键电路和LCD显示电路，所述Modbus/IrPHY通信电路、电容触摸按键电路和LCD显示电路分别与单片机相连，所述单片机、数据存储器及外围电路组成单片机与数据存储模块；所述USB接口与供电电路包括USB接口插座、ESD保护电路、电压转换与充电控制电路、LED充电指示电路以及锂电池，所述USB接口插座的USB导线经过ESD保护电路后，该USB导线的信号线通过匹配电阻连接单片机的USB_DM引脚和USB_DP引脚，该USB导线的电源线连接电压转换与充电控制电路，所述电压转换与充电控制电路分为两路，一路为DC/DC转换电路，另一路为充电控制电路，所述充电控制电路的输出作为锂电池的充电电压，所述DC/DC转换电路的输出与锂电池的输出通过二极管连接VDD，所述LED充电指示电路连接电压转换与充电控制电路。
2.根据权利要求1所述的具有USB接口的红外防爆手操器，其特征在于：所述电压转换与充电控制电路采用LTC4098-3.6芯片。
3.根据权利要求1所述的具有USB接口的红外防爆手操器，其特征在于：所述锂电池采用磷酸铁锂电池，其电池容量为200mAh，电池包中有NTC温敏电阻，电池的输出端设有自恢复保险丝。
4.根据权利要求1所述的具有USB接口的红外防爆手操器，其特征在于：所述Modbus/IrPHY通信电路由单片机片上外设UART、IrDA收发器及相关电路组成，所述UART与IrDA收发器连接。
5.根据权利要求4所述的具有USB接口的红外防爆手操器，其特征在于：所述IrDA收发器采用TFDU4101收发器。
6.根据权利要求1所述的具有USB接口的红外防爆手操器，其特征在于：所述电容触摸按键电路包括10个电容触摸按键，所述每个电容触摸按键分别与单片机的I/O端口连接。
7.根据权利要求6所述的具有USB接口的红外防爆手操器，其特征在于：所述每个电容触摸按键采用PCB板上10mm直径的圆形焊盘，表面涂覆0.5mm厚的有机薄膜，所述圆形焊盘的外围间隔分布有0.5mm屏蔽层。
8.根据权利要求1所述的具有USB接口的红外防爆手操器，其特征在于：所述LCD显示电路由128×64黑白LCD显示屏LM6059BCW及相关电路组成，该LCD显示屏带有LED背光，与单片机的I/O端口连接。
9.根据权利要求1所述的具有USB接口的红外防爆手操器，其特征在于：所述单片机采用STM32系列的STM32L151VBT6芯片，所述数据存储器采用Flash存储器AT25DF041A。
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