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1、第四章 接口设计概述,知识点：机电一体化系统接口设计的基本概念机电一体化系统常用ISA、VESA、AGP、STD总线设计机电一体化系统的人机接口和机电接口设计,本章导读,随着电子技术的迅速发展，内部系统和外围设备也在不断发展和复杂化，使接口技术也成为了现代工业中一门关键的技术，目前，不仅出现了可以执行不同的接口功能的接口芯片，另外，一些接口芯片还自带处理器，可执行接口内部的固化程序，形成智能接口，这些技术使机电一体化系统更加安全和高效。,4.1 接口设计概述,接口的基本概念机电一体化系统通常都由许多要素和子系统构成，为了确保各个要素与系统之间能够顺利的进行信息，物质能量的传输和转换，在它们之间
2、必须具备有一定的联系条件，这些联系条件都统称为接口。,接口设计的任务及主要类型在机电一体化系统中，在外设与系统之间，常常会出现信号不能匹配的问题，这些问题都需要用接口来解决。例如：（1）信号电平（2）数据传输（3）信号类型（4）数据格式,图4-1 人机接口与机电接口,接口设计的基本原则及要求 机电一体化系统中的接口通常是由接口电路与之配套的驱动程序组成，就是我们通常说的硬件设计和软件设计。接口电路是接口的骨架，用来实现在被传输的数据，信息在电气上，时间上的匹配的电路，接口程序是接口的中枢,4.2 常用总线,任何一个微处理器都要与一定数量的部件和外围设备连接，但如果将各部件和每一种外围设备都分别
3、用一组线路与CPU直接连接。为了简化硬件电路设计、简化系统结构，常用一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，这组共用的连接线路被称为总线。,总线的主要功能是传送数据，总线的数据传送能力如何，可以用以下3个主要指标来衡量：（1）总线宽度（2）总线频率（3）总线带宽,4.2.1 ISA总线 ISA（industrial standard architecture）总线标准是IBM 公司1984年为推出PC/AT机而建立的系统总线标准，所以也叫AT总线。它是对XT总线的扩展，以适应8/16位数据总线要求。,4.2.2 VESA 总线VESA（video electronics sta
4、ndard association）总线是 1992年由60家附件卡制造商联合推出的一种基于80486CPU的32位局部总线，简称为VL(VESA local bus)总线。,图4-2 VESA总线系统结构,4.2.3 PCI总线 PCI（peripheral component interconnect）总线是当前最流行的总线之一。它支持33MHZ的时钟频率，定义了32位数据总线，且可扩展为64位。PCI总线主板插槽的体积比原ISA总线插槽还小，其功能比VESA、ISA有极大的改善，支持突发读写操作，最大传输速率为132MB/s，可同时支持多组外围设备。,图4-3 PCI总线系统结构,4.1
5、.4 AGP标准随着90年代Pentium系列微处理器的出现，要求的总线频率都在66MHz或者66MHz以上，由于PCI总线的频率只有33MHz，这样就成了超高速系统的一个传送瓶颈，为了解决这个问题，而推出了AGP（Accelerated Graphics Port）标准。,4.1.5 STD总线STD总线是美国PRO-LOG公司1978年推出的一种工业控制微型机的标准系统总线。STD总线采用小板结构，高度模块化，是一种以小尺寸插板结合LSI技术建立了一种以功能模块的方法来进行面向控制的系统设计。STD它被国际标准化会议定名为IEEE961。,4.3 人机接口,人机接口是检测与仪器系统不可缺少
6、的重要组成部分，它是操作者与机电一体化系统之间进行信息交换的接口，按照信息的传递方向，可以分为两大类：输入接口和输出接口。,4.3.1 输入接口在机电一体化系统中，常见的输入设备有控制开关，按键，键盘等，它们共同的特点就是在CPU允许输入接口进行数据输入的时候，将外设的数据传送到数据总线上。,4-4 简单的开关输入电路,4-5 开关输入电路波形,图4-6 硬件去抖电路及工作原理,（2）软件去抖 通过程序对输入的开关信号进行处理也能够去除如图4-5所示中因开关抖动引起的读取错误，这种方法称为软件去抖。软件去抖办法是在检测到开关状态后，延时一段时间行进行检测，若两次检测到的开关状态相同则认为有效，
7、否则按键抖动处理。延时时间应大于抖动时间。,二、键盘输入接口设计（1）键码识别键码识别就是判断闭合键的代码，通常有2种方法，一种是通过硬件电路来识别称为编码键盘；另一种是通过软件方法来识别成为非编码键盘。,图4-7 非编码键盘,4.3.2 输出接口从计算机输出的数据，要经过输出口传输给输出设备，输出接口是操作者对机电一体化系统进行检测和控制的接口，通过输出接口，系统向操作者显示自身的运行状态，参数和运行结果等，并进行故障报警。,1 LED显示器的结构与原理,图4-9 七段LED显示块,2 LED显示器的显示方式,图4-10三位静态显示接口,动态显示：当位数很多时，用静态显示所需的占用的I/O口
8、太多。动态显示是位一位地轮流点亮各位显示器(扫描)对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次：显示器的亮度既与导通电流有关。,图4-11 通过8155扩展口控制8位LED动态显示接口,4.4机电接口,机电接口，是指机电一体化产品中的机械装置与控制微机间的接口。同人机接口一样。按照信息的传递方向可以将机电接口分为信息采集接口(传感器接口)与控制量输出接口。,4.4.1 输入接口在机电一体化产品常用的传感器中，有很多是以模拟量形式输出信号的，如位置检测用的差动变压器、温度检测用的热电偶、温敏电阻、转速检测用的测速发电机等，而控制微机却是一个数字系统(有些型号单片机内部集成了模/数转换器件，如MCS
9、-96系列单片机等)。,4-12 传感器与微机连接,4.4.2 输出接口 在机电一体化产品中，很多被控对象要求模拟量作控制信号，如交流电动机变频调速器、直流电动机调速器、滑差电动机调速器等，而计算机系统是数字系统。,（1）D/A转换器的主要参数1)分辨率：D/A转换器所能分辨的最小电压增量，或者说D/A转换器能够转换的二进制位数，位数多，分辨率就高。2)转换时间：指数字量从输入到完成转换，输出达到最终值并稳定为止所需的时间。3)精度：D/A转换器实际输出电压与理论值之间的误差。4)线性度：当数字量变化时，D/A转换器模拟量按比例关系变化的程度。,(2)D/A转换器的输入/输出特性DAC是系统或
10、设备中的一个功能学元，当把它接人系统或设备中与其他器件发生关系时，对不同用途的场合，它的输入/输出端有不同的要求。表示一个D/A转换器输入/输出特性的有以下几个方面：输入/输出缓冲能力、输入码制、输入数据的宽度、是电流型还是电压型、是单极性输出还是多极性输出等。,(3)D/A转换器选择要点在选用D/A芯片时，首先根据用户需要，合理选择转换速度、精度及分辨率以满足设计任务所要求的技术指标。但要注意到，一般情况下，位数愈多精度愈高，其转换的时间愈长；如果要求高速度又高精度，则芯片价格也就愈昂贵。其次是看芯片内部是否带有数据输入缓冲器，这点在设计接口电路时特别重要。,本章小结,机电一体化系统由许多要素及其子系统构成，各要素或者子系统之间必须能够顺利进行物质、能量和信息的传递和交换，为此，各要素或各子系统相接处必须具备一定的联系条件，这些联系条件就可称为接口。从系统外部看，机电一体化系统的输入/输出是与人、自然、以及其他系统之间的接口；从系统内部看，机电一体化系统是由许多接口将系统构成要素的输入/输出联系为一体的系统。,思考练习,1、举例说明接口技术解决的主要问题。2、阐述总线的分类，说明衡量总线能力的指标。3、比较ISA，VESA，PCI总线的特点，说明PCI总线的优势。4、说明STD总线的主要特点。5、阐述人机接口与机电接口的区别。6、人机接口与机电接口各有那些分类？并举例说明。,
