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1、知识回顾,机电一体化系统各组成要素之间要遵循的原则接口耦合、能量传递信息控制运动传递接口主要完成信息变换、放大和耦合功能,知识回顾,单片机,单片机系统构成,第一篇:微机及接口技术,概述 接口电路的设计原则 地址译码器、I/O口与CPU的接口 人机接口 机电接口,一、接口电路的类型及特点 为构成完整的并有一定控制和运算功能的系统而将一个部件与另外的部件通过一组导线或者标准连接件连接起来，这种导线或标准连接件就称微处理器系统的接口。,概述,机电一体化产品基本组成及接口,人机对话输入和输出设备没有和 CPU 直接连接，而是通过 I/O 口与 CPU 连接在一起 外设和 CPU 不能直接连接的原因有下
2、面两个：人机对话设备和 CPU 的阻抗不匹配；CPU 不能直接控制人机对话设备（键盘、LED等）的接通和关闭。CPU 通过地址译码器、RD和WR等控制 I/O 口的接通和关闭，从而控制外设的接通和关闭。,接口电路的设计原则(一)接口设计的一般原则,接口电路的设计过程就是建立和形成微处理器系统的过程。其一般步骤为：根据实际要求，选择合适的微处理器；确定存储器的类型和容量；选择外部输入、输出设备的类型；为各类接口选择合适的接口芯片、接口总线或设计具体的接口电路。,1微处理器CPU的选择 1)字长 即数据总线并行的线数。CPU字长愈长，则运算精度越高；指令的位数愈多，功能就愈强，但相应整个系统变得更
3、复杂。一般指CPU数据总线的位数。2)寻址方式 即取出指令中操作数的方法。寻址方式愈多，指令功能就愈强，能更有效地处理各种数据。3)指令系统 指令系统应与寻址方式结合起来考虑其功能和数量。当具体应用侧重于控制时，应特别注意指令系统中的输入输出指令、条件转移指令等；而如果侧重于数据处理与运算时，则应注意数据操作指令。4)指令执行速度 应当比较指令执行同样功能任务所需的时间，而不应单纯比一条指令的执行速度或时钟频率。,5)最大寻址能力 与地址总线及输入输出设备的寻址方式有关。独立编址：对设有专门输入输出通道的CPU，其存储器容量就是最大寻址能力。如有N根地址线，则最大寻址能力为2N。统一编址：对存
4、储器编址输入输出的CPU，如果输入输出设备的最大寻址能力为n时，则最大寻址能力为2Nn（N根地址总线）6)内存数目 内存数目越多，供用户使用的存储器就愈多，CPU处理与控制功能越方便灵活，速度愈快。7)中断结构及直接存储器存取 当CPU用于复杂的实时控制时，要求CPU具有多级的中断结构，以便实现处理紧急情况的非屏蔽中断及处理正常信息输入输出传送的可屏蔽中断。当CPU使用软磁盘作为外存时，为了加速相互传送数据的速率，必须用直接存储器存取(DMA)。8)电源电压等级 CPU若采用单一电源，则使用方便。但也有些CPU采用多个电源，选用时应注意。,9)硬件供应情况 注意CPU建立系统的各个器件应通用易
5、购。10)软件供应情况 注意所选CPU的软件是否丰富，这有助于对应用程序的研制。11)成本 要从整个系统建立来估计成本，而不能仅从单片CPU的成本来估算。,2存储器选择 选好CPU也就是确定了存储器的最大容量。为了选择存储器，要求掌握每种CPU所给出的存储器空间分配图。对存储容量要求较小的系统，可采用双极型 RAM。需要调试和经常修改的程序，建议采用EPROM(紫外线擦除)或EEPPROM(电擦除)。,3接口电路设计时注意的几个问题 1)电源的分布 首先应当合理地选择整个系统是共用一个中央稳压电源还是每一块印制电路板各用单独的电源。采用中央电源的优点是较省电，并且由于各块印制电 路板无单独电源
6、，从而使其,温度不 致太高，缺点是可靠性差，电源一旦出故障，整个系统就不能工作。采用分散的一块电路板配一个稳压电源，其优点是可靠性显著提高，缺点是各板工作温升较高，稳压电源元件较多。为了消除输入与输出端可能出现的寄生振荡，还要求并联容量大小不一的钽电容。图是这两种电源方案的示意图。,中央稳压电源,一板一稳压电源,为了减少数字电路噪声的干扰，通常要求每四个TTL集成电路的电源与地并接有去耦电容。电源的地线应短而粗，接触可靠。在电路板上，地线要有尽可能大的面积。此外，对电源电压质量要求较高的电路，还希望将电源的“地”与“信号地”分开，如图所示。,电源地与信号地分开,2)时钟线路的具体布置 为减少时
7、钟对其信号线的干扰，时钟线路要与地址总线、数据总线分开。如果用地线隔离，可在地线的一侧安排时钟线，另侧安排地址总线及数据总线。在容量较大且采用高速时钟 的微处理器系统中，要求用绞合线或屏蔽电缆与时钟接口。3)MOS器件的使用 使用MOS器件时，特别要注意将不用的输入端接到固定的高电平或低电平，切勿悬空，以防静电感应而损坏。,138 和 139的引脚名称,地址译码器、I/O口与CPU的接口,一、地址译码器的结构和工作原理,对于任何一个机电一体化产品，都连接多个输入及输出设备，CPU在工作时，由地址译码器分时选中不同的外设工作,139 的功能表,1A、1B地址信号线,1G控制信号线,1Y0-1Y3
8、输出信号线,138 的 功 能 表,地址译码器与 CPU 的接口,地址译码器使CPU在每一瞬时只选中一个外设，它解决了 CPU 如何带多个外设的问题。,273 的引脚名称及与CPU 的接口,二、简单输出口与CPU的接口,图3-4 273 的引脚名称及功能表,图3-5 273 的引脚名称及与CPU 的接口,+,245（总线收发器）的功能表,三、简单输入口与CPU的接口,245 的引脚名称及与CPU的接口,8255A的引脚名称及接口电路,四、可编程并行口与CPU的接口,8255A各端口的地址范围,可编程的含义1,（1）8255的端口基本工作方式可选择 8255 有三种工作方式，在这三种工作方式中各
9、条端口线的功能如下表3-7所示。工作方式0 适用于无条件传输数据的设备。作为输出口时，类似于前面讲过的74xx273,作为输入口时，类似于74xx245。设计键盘接口、LED接口可以采用这种方式。工作方式1和工作方式2为特殊的工作方式 如选通工作方式。,表3-7 8255A不同工作方式下端口线的功能,（2）PA、PB、PC用作输入和输出的功能可选择方式选择控制字决定,可编程的含义2,(3)8255的三个输出端口可选择 A1、A0 接到CPU的地址总线上，A1、A0是芯片内部寻址信号线，寻址的方法是：A1 A0=0 0，对应于 PA 口；A1 A0=0 1，对应于 PB 口；A1 A0=1 0，
10、对应于 PC 口；A1 A0=1 1，对应于控制口。,可编程的含义3,控制微机8031、地址译码器、接口芯片与输入、输出设备的连线总图,例一：,五、地址译码器、I/O口与CPU的接口总图,010001,0,0,0,0,0,按键的数据,100001,0,0,001001,0,0,+5V,11,11,00000001,D7=1特征位为1,D6D5=00A组工作方式为0,D4=0PA口作输出,D3=0PC口高四位作输出,D2=0B组工作方式为0,D1=0PB口作输出,D3=0PC口高四位作输出,0,0,对8255进行预定义,001001,0,0,+5V,00,00,00000001,0,0,数据,0
11、01001,0,0,+5V,10,10,00000001,0,0,数据,001001,0,0,+5V,01,01,00000001,0,0,数据,人机接口,人机接口作用输入:操作者通过输入设备向CPU发出指令，干预系统的运行状态输出:在CPU的控制下，用显示设备来显示机器工作状态的各种信息。输入设备：开关、BCD二十进制码拨盘、键盘等；输出设备：指示灯、LED（发光二极管）、液晶显示器、微型打印机、CRT（阴极射线管）、扬声器等。人机接口：输入接口和输出接口。人机接口特点：专用性。不同的产品有不同的人机接口。低速性。外设的工作速度较低，设计时要考虑微机与外设的速度配合，提高微机的工作效率。,一
12、、人机接口特点,二、人机输入接口设计,(1)独立开关设计方法开关接口设计。,图3-10 开关的表示符号与接口电路SH是按钮开关，SC是转换开关,图3-11 按钮开关通断时的电压抖动,可用于开关个数N不大于8的情况,硬件去抖动,消除抖动不良后果的方法：,其中RC滤波电路去抖动电路简单实用，效果较好。,软件去抖动（常用）检测到按键按下后，执行延时10ms子程序后再确认该键是否确实按下，消除抖动影响。,在只有一、二个开关时，可以采用硬件去抖动，若多于二个开关，则应采用软件去抖动。,(2)拨盘输入接口设计,若系统需要输入少量的参数，采用拨盘较为可靠方便。具有保持性,十进制输入、BCD码输出BCD码拨盘
13、的结构简图,BCD码拨盘通断状态表（0:与A线不通，1:与A线接通）,对比的主要方面有：元件价格和是否容易买到；占用印刷板面积如何；元件是否先进；编程复杂程度如何。,与CPU之间的数据传输属无条件传输,采用8031做控制微机，通过简单输入口74LS245设计出四位十进制输入、BCD码输出的拨盘，若输入1357这个数,试画出接口电路.,例二:拨盘与微机接口电路图,输入“1”则 B1 B2 B3 B4分别对应为 0 0 0 1,输入“3”则 B5 B6 B7 B8分别对应为 0 0 1 1,输入“5”则 B1 B2 B3 B4分别对应为 0 1 0 1,输入“7”则 B5 B6 B7 B8分别对应
14、为 0 1 1 1,(3)键盘接口设计矩阵排列设计方法,在机电系统的人机接口中，当需要操作者输入的指令或参数比较多时，可以选择键盘作为输入设备。键盘的形式有独立式键盘和矩阵式键盘。,矩阵式键盘的结构、与I/O的接口电路,矩阵式键盘的结构及接口电路,键名和键值,行线权值 列线权值=键号。,行线号4+列线号=键号。,人为定义，与电路无关。,行扫描式矩阵式键盘工作过程,第一步，判断键盘上有无键闭合。,第二步，判别闭合键的键号。,图3-14 行扫描法中8255的方式控制字设定,键盘控制字设定,键盘和CPU之间的数据传输属于无条件传输,读键值有行扫描和行反转二个方案。,LED显示器的接口设计 发光二极管
15、的接口方法发光二极管具有体积小、亮度高、寿命长、价格低、接口电路简单可靠等优点。下图是二个实际接口电路。,三、人机对话输出接口的设计,（1）发光二极管的接口电路,选用驱动发光二极管的元件时应考虑到元件的负载能力,三极管驱动，一般都可以满足要求。,（2）八段LED的接口设计,八段LED的结构及与I/O的接口电路,八段LED显示器的显示,表3-10 七段LED的段选码,四、几种典型的接口电路,采用8031做控制微机，要求通过74LS164串行通讯芯片控制八位LED静态显示器,试画出接口电路。,(1)串行通讯、多位静态显示LED接口电路,共阳极,串行输入移位并行输出芯片,GP16与CPU的接口电路,（2）与GP16微型打印机接口,GP16的接口信号,蜂鸣器电路,(3).扬声器接口设计,蜂鸣器音量较小，在噪声较大的环境中通常采用扬声器做声音输出，扬声器要求以音频信号驱动。以集成电路产生音频信号，经放大后驱动扬声器工作。,机电接口,指机电一体化产品中的机械装置与控制微机间的接口。按照信息的传递方向分信息采集接口（传感器CPU）控制量输出接口（CPU执行机构）注意进行抗干扰设计,END,小结,接口电路的设计原则地址译码器，IO口与CPU的接口8255A与CPU的接口人机接口键盘接口电路7段数码管的接口电路,
