1、 第四章 接口設(shè)計(jì)概述系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)的基本概念機(jī)電一體化系統(tǒng)常用總線人機(jī)接口和機(jī)電接口設(shè)計(jì)123 本章導(dǎo)讀隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，內(nèi)部系統(tǒng)和外圍設(shè)備也在不斷發(fā)展和復(fù)雜化，使接口技術(shù)也成為了現(xiàn)代工業(yè)中一門關(guān)鍵的技術(shù)，目前，不僅出現(xiàn)了可以執(zhí)行不同的接口功能的接口芯片，另外，一些接口芯片還自帶處理器，可執(zhí)行接口內(nèi)部的固化程序，形成智能接口，這些技術(shù)使機(jī)電一體化系統(tǒng)更加安全和高效。 4.1 接口設(shè)計(jì)概述n 接口的基本概念機(jī)電一體化系統(tǒng)通常都由許多要素和子系統(tǒng)構(gòu)成，為了確保各個要素與系統(tǒng)之間能夠順利的進(jìn)行信息，物質(zhì)能量的傳輸和轉(zhuǎn)換，在它們之間必須具備有一定的聯(lián)系條件，這些聯(lián)系條件都統(tǒng)稱為接口。 4.1 接

2、口設(shè)計(jì)概述n 接口設(shè)計(jì)的任務(wù)及主要類型在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，在外設(shè)與系統(tǒng)之間，常常會出現(xiàn)信號不能匹配的問題，這些問題都需要用接口來解決。例如：（1）信號電平（2）數(shù)據(jù)傳輸（3）信號類型（4）數(shù)據(jù)格式 4.1 接口設(shè)計(jì)概述傳感器信息采集接口人機(jī)對話設(shè)備機(jī)械分系統(tǒng)人機(jī)接口控制微機(jī)執(zhí)行元件控制輸出接口機(jī)電接口圖4-1 人機(jī)接口與機(jī)電接口 4.1 接口設(shè)計(jì)概述n 接口設(shè)計(jì)的基本原則及要求 Ø機(jī)電一體化系統(tǒng)中的接口通常是由接口電路與之配套的驅(qū)動程序組成，就是我們通常說的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。Ø接口電路是接口的骨架，用來實(shí)現(xiàn)在被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、信息在電氣上、時間上的匹配；接口程序是接口的中樞，

3、完成接口數(shù)據(jù)的輸入輸出，傳送可編程接口器件的方式設(shè)定、中斷設(shè)定等控制信息。 4.1 接口設(shè)計(jì)概述n 接口設(shè)計(jì)需要滿足信息傳輸和轉(zhuǎn)換的要求l信息采集（信號輸入）l驅(qū)動控制（信號輸出）l變送單元 4.2 常用總線n 任何一個微處理器都要與一定數(shù)量的部件和外圍設(shè)備連接，但如果將各部件和每一種外圍設(shè)備都分別用一組線路與CPU直接連接，連線將會錯綜復(fù)雜，甚至難以實(shí)現(xiàn)。n 為了簡化硬件電路設(shè)計(jì)、簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，常用一組線路，配置以適當(dāng)?shù)慕涌陔娐罚c各部件和外圍設(shè)備連接，這組共用的連接線路被稱為總線。 4.2 常用總線n 微機(jī)系統(tǒng)中總線的分類：Ø內(nèi)部總線：是微機(jī)內(nèi)部外圍芯片與處理器之間的總線，用于芯

4、片一級的互聯(lián)；Ø系統(tǒng)總線：是微機(jī)中各個功能部件之間相互聯(lián)結(jié)的總線，也叫板級總線；Ø外部總線：是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間互聯(lián)的通信總線。 4.2 常用總線n 微機(jī)系統(tǒng)中總線Ø總線的主要功能是傳送數(shù)據(jù)；總線的數(shù)據(jù)傳送能力可以用以下3個主要指標(biāo)來衡量：（1）總線寬度：指總線能同時傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)。（2）總線頻率：總線每秒鐘傳輸?shù)臄?shù)據(jù)次數(shù)。（3）總線帶寬：指單位時間內(nèi)總線上可傳送的數(shù)據(jù)量；總線寬度越寬，頻率越高，帶寬就越大。Ø總線帶寬=總線位寬/8×總線工作頻率（B/s） 4.2 常用總線n ISA總線ØISA（industrial standard a

5、rchitecture）總線標(biāo)準(zhǔn)是IBM 公司1984年為推出PC/AT機(jī)而建立的系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)，所以也叫AT總線。它是對XT總線的擴(kuò)展，以適應(yīng)8/16位數(shù)據(jù)總線要求。ØISA總線采用獨(dú)立于CPU的總線時鐘，因此CPU可采用比總線頻率更高的時鐘，有利于CPU性能的提高。但I(xiàn)SA總線沒有支持總線仲裁的硬件邏輯，因此不支持多臺主設(shè)備系統(tǒng)，且ISA上的所有數(shù)據(jù)的傳送必須通過CPU或DMA接口來管理，因此使CPU花費(fèi)了大量時間來控制與外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)。ISA總線時鐘頻率為8MHz，最大傳輸率為16MB/s。 4.2 常用總線n ISA總線插槽：（黑色） 4.2 常用總線n ISA總線Ø

6、;ISA總線擴(kuò)展槽的62根信號線分為五類：地址線、數(shù)據(jù)線、控制線、狀態(tài)線、輔助線和電源線。AEN A0A19ALEIOR *IOW *地址線/數(shù)據(jù)線 D0D7MEMR *MEMW *T/C DMA控制信號狀態(tài)線ISA總線I/O-CHRDY IRQ2IRQ7 DRQ1DRQ3OSCCLKVCCGND輔助線電源線 DACK0DACK3*RESET DRV 4.2 常用總線n EISA總線ØEISA(Extended Industrial StandardArchitecture)總線是一種在ISA基礎(chǔ)上擴(kuò)充開放的總線標(biāo)準(zhǔn)， 它與ISA完全兼容，它從CPU中分離出了總線控制權(quán)，是一種智能化

7、的總線，能支持多總線主控和突發(fā)方式的傳輸。 EISA總線的時鐘頻率為8MHz， 最大傳輸率可達(dá)33MB/s，數(shù)據(jù)總線為32位，地址總線為32位，擴(kuò)充DMA訪問。 4.2 常用總線n VESA 總線ØVESA（video electronics standard association）總線是 1992年由60家附件卡制造商聯(lián)合推出的一種基于80486CPU的32位局部總線，簡稱為VL(VESA local bus) 總線。Ø所謂局部總線是指在系統(tǒng)外，為兩個以上模塊提供的高速傳輸信息通道。 VL-Bus是由CPU總線演化而來的，采用CPU的時鐘，頻率達(dá)33MHz、數(shù)據(jù)線為32

8、位，配有局部控制器。通過局部控制的判斷，將高速I/O直接掛在CPU的總線上，實(shí)現(xiàn)CPU與高速外設(shè)之間的高速數(shù)據(jù)交換。 4.2 常用總線n VESA 總線CPU CacheRAMVESA總線高速設(shè)備RAM傳統(tǒng)總線控制器傳統(tǒng)總線（ISA、EISA、MCA、.）設(shè)備.設(shè)備VESA總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 4.2 常用總線n PCI總線ØPCI(peripheral component interconnect)總線是當(dāng)前最流行的總線之一。Ø與CPU時鐘頻率無關(guān)，自身采用33MHz的時鐘頻率，定義了32位數(shù)據(jù)總線，且可擴(kuò)展為64位，數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)132246MB/s。ØPCI總線主板插

9、槽的體積比原ISA總線插槽還小，其功能比VESA、ISA有極大的改善，支持突發(fā)讀寫操作，最大傳輸速率為132MB/s，可同時支持多組外圍設(shè)備。ØPCI控制器有多級緩沖，可把一批數(shù)據(jù)快速寫入緩沖器中。在這些數(shù)據(jù)不斷寫入PCI設(shè)備過程中；CPU可以執(zhí)行其他操作，即PCI總線上的外設(shè)與CPU可以并行工作。 4.2 常用總線n PCI總線的主要特點(diǎn)l運(yùn)行速度快，可擴(kuò)展性好；l兼容性好，穩(wěn)定可靠；l使用方便，自動配置；l規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格；l價格低、高效益。 4.2 常用總線n PCI總線的結(jié)構(gòu)CPU CacheRAMCPU總線PCI控制器PCI總線傳統(tǒng)總線控制器PCI設(shè)備PCI設(shè)備 . PCI設(shè)備

10、傳統(tǒng)總線（ISA、EISA、MCA、.）設(shè)備.設(shè)備 4.2 常用總線n PCI Express ØPCI Express采用了目前業(yè)內(nèi)流行的點(diǎn)對點(diǎn)串行連接，比起PCI以及更早期的計(jì)算機(jī)總線的共享并行架構(gòu)，每個設(shè)備都有自己的專用連接，不需要向整個總線請求帶寬，而且可以把數(shù)據(jù)傳輸率提高到一個很高的頻率，達(dá)到PCI所不能提供的高帶寬。ØPCI Express的接口根據(jù)總線位寬不同而有所差異，包括X1、X4、X8以及X16（X2模式將用于內(nèi)部接口而非插槽模式）。較短的PCI Express卡可以插入較長的PCI Express插槽中使用。 4.2 常用總線n PCI Express

11、 ØPCI Express接口能夠支持熱拔插，這也是個不小的飛躍。Ø用于取代AGP接口的PCI Express接口位寬為X16，將能夠提供5GB/s的帶寬，即便有編碼上的損耗但仍能夠提4GB/s左右的實(shí)際帶寬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過AGP 8X的2.1GB/s的帶寬。 4.2 常用總線n PCI Express PCI Express插槽（黃色和綠色） 4.2 常用總線n AGP標(biāo)準(zhǔn)Ø隨著20世紀(jì)90年代Pentium系列微處理器的出現(xiàn)，要求的總線頻率都在66MHz或者66MHz以上，由于PCI總線的頻率只有33MHz，這樣就成了超高速系統(tǒng)的一個傳送瓶頸，為了解決這個問題，而推

12、出了AGP（Accelerated Graphics Port）標(biāo)準(zhǔn)。Ø通過在主內(nèi)存與顯示卡之間提供一條直接的通道，使3D圖形數(shù)據(jù)越過PCI總線直接進(jìn)入顯示子系統(tǒng)。 4.2 常用總線n STD總線ØISA、VESA、PCI總線都是一種局部總線，不支持多CPU并行處理，不存在多CPU資源共享；ØSTD總線是美國PRO-LOG公司1978年推出的一種工業(yè)控制微型機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)總線，可以在一個計(jì)算機(jī)機(jī)箱內(nèi)共存多塊CPU，互不相干又相互支持、功能強(qiáng)大的系統(tǒng)總線。ØSTD總線采用小板結(jié)構(gòu)，高度模塊化，是一種以小尺寸插板結(jié)合LSI技術(shù)建立的一種以功能模塊的方法來進(jìn)行面

13、向控制的系統(tǒng)總線。STD被國際標(biāo)準(zhǔn)化會議定名為IEEE961。 4.3 人機(jī)接口n 人機(jī)接口是檢測與儀器系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分，它是操作者與機(jī)電一體化系統(tǒng)之間進(jìn)行信息交換的接口。n 按照信息的傳遞方向，可以分為兩大類：輸入接口和輸出接口。 4.3 人機(jī)接口n 人機(jī)接口設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的因素：l不同的機(jī)電一體化產(chǎn)品有其自身的特點(diǎn)功能，對接口有不同的要求，要根據(jù)具體情況而定；l微機(jī)與接口設(shè)備的速度匹配問題；l軟硬件相結(jié)合，二者缺一不可；l盡量利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)成熟的人機(jī)接口；l要逐漸實(shí)現(xiàn)智能化；l在滿足系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)時以小型、廉價為原則，提高整個機(jī)電一體化系統(tǒng)的性價比。 4.3 人機(jī)接口n 輸

14、入接口Ø在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，常見的輸入設(shè)備有控制開關(guān)，按鍵，鍵盤等，它們共同的特點(diǎn)就是在CPU允許輸入接口進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入的時候，將外設(shè)的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)總線上。 4.3 人機(jī)接口n 簡單開關(guān)輸入接口設(shè)計(jì)輸入波形R:上拉電阻輸入口OFF:高電平ON: 低電平 4.3 人機(jī)接口n 簡單開關(guān)輸入接口設(shè)計(jì)無抖動開關(guān)：OFF開關(guān)：ON高電平低電平時間有抖動開關(guān)：OFF開關(guān)：ON發(fā)生抖動的時間10ms以下 4.3 人機(jī)接口n 簡單開關(guān)輸入接口設(shè)計(jì)Ø硬件去抖開關(guān)：OFF開關(guān)：ONR積分后的輸出SW史密斯觸發(fā)器C史密斯觸發(fā)器的輸出積分電路（a）硬件去抖電路（b）信號波形 4.3 人機(jī)接口n 簡

15、單開關(guān)輸入接口設(shè)計(jì)Ø軟件去抖通過程序?qū)斎氲拈_關(guān)信號進(jìn)行處理也能夠去除因開關(guān)抖動引起的讀取錯誤，這種方法稱為軟件去抖。軟件去抖辦法是在檢測到開關(guān)狀態(tài)后，延時一段時間再進(jìn)行檢測，若兩次檢測到的開關(guān)狀態(tài)相同則認(rèn)為有效，否則按鍵抖動處理。延時時間應(yīng)大于抖動時間。 4.3 人機(jī)接口n 鍵盤輸入接口設(shè)計(jì)（1）鍵碼識別鍵碼識別就是判斷閉合鍵的代碼，通常有兩種方法：l通過硬件電路來識別稱為編碼鍵盤；l通過軟件方法來識別稱為非編碼鍵盤。（2）消除按鍵抖動 4.3 人機(jī)接口n 鍵盤輸入接口設(shè)計(jì)非編碼鍵盤按鍵識別：l 確定是否有鍵按下；l 確定按鍵的行列位置；VcPC5PC4PC3PC2PC1PC054

16、l 確定是否有多個鍵同時按下。321815500 1 2 3 4PB4PB3PB2PB1PB0 4.3 人機(jī)接口n 輸出接口Ø從計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)據(jù)，要經(jīng)過輸出口傳輸給輸出設(shè)備，輸出接口是操作者對機(jī)電一體化系統(tǒng)進(jìn)行檢測和控制的接口，通過輸出接口，系統(tǒng)向操作者顯示自身的運(yùn)行狀態(tài)，參數(shù)和運(yùn)行結(jié)果等，并進(jìn)行故障報(bào)警。Ø機(jī)電一體化系統(tǒng)中常見的輸出接口有LED數(shù)碼管、LCD顯示器、打印機(jī)等。 4.3 人機(jī)接口n LED顯示器的結(jié)構(gòu)與原理+5VRx8Rx8g fGNDa b10 9 8 7 6ababccafddbgeeecffd1 2 3 4 5ggdpdpe dGNDc dp(a)共陰

17、極(b)共陽極(c)管腳配置七段LED顯示塊 4.3 人機(jī)接口n LED顯示器的結(jié)構(gòu)與原理Ø靜態(tài)顯示8255PC0 PC7 PB0 PB7 PA0 PA7三位靜態(tài)顯示接口 4.3 人機(jī)接口n LED顯示器的結(jié)構(gòu)與原理Ø動態(tài)顯示當(dāng)位數(shù)很多時，用靜態(tài)顯示所需的占用的I/O口太多。動態(tài)顯示是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器(掃描)。對于每一位顯示器來說，每隔一段時間點(diǎn)亮一次。顯示器的亮度與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時間的比例有關(guān)。 4.3 人機(jī)接口n LED顯示器的結(jié)構(gòu)與原理Ø動態(tài)顯示+5V80318155BIC8718x21YPB0PB1PB2PB3PB4PB5PB

18、6PB71A2YAD0AD72A3Y3A4Y5Y6Y6A 7Y8YP04A5AALEP27P20WRALECEIO/MWR7A8Adp g f e d c b aRDRD. . . . . . . .PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA71A 1Y2A 2Y3A 3Y4A 4Y5A 5Y6A 6Y7A 7Y8A 8YRESETVccRESETVssVcc+5V通過8155擴(kuò)展口控制8位LED動態(tài)顯示接口 4.4機(jī)電接口n 機(jī)電接口Ø是指機(jī)電一體化產(chǎn)品中的機(jī)械裝置與控制微機(jī)間的接口。同人機(jī)接口一樣。按照信息的傳遞方向可以將機(jī)電接口分為信息采集接口(傳感器接口)與控制量輸出接口

19、。 4.4機(jī)電接口n 輸入接口Ø在機(jī)電一體化產(chǎn)品常用的傳感器中，有很多是以模擬量形式輸出信號的，如位置檢測用的差動變壓器、溫度檢測用的熱電偶、溫敏電阻、轉(zhuǎn)速檢測用的測速發(fā)電機(jī)等，而控制微機(jī)卻是一個數(shù)字系統(tǒng)，需要模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換接口ADC。 4.4機(jī)電接口n A/D轉(zhuǎn)換器的簡介lA是模擬，D是數(shù)字，A/D轉(zhuǎn)換。完成模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路被稱為 A/D 轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，簡稱ADC(Analog to Digital Converter)，通常是指一個將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號的電子元件。lA/D轉(zhuǎn)換器最重要的參數(shù)是轉(zhuǎn)換的精度，通常用輸出的數(shù)字信號的位數(shù)的多少表示。轉(zhuǎn)換器能夠準(zhǔn)確輸

20、出的數(shù)字信號的位數(shù)越多，表示轉(zhuǎn)換器能夠分辨輸入信號的能力越強(qiáng)，轉(zhuǎn)換器的性能也就越好。故任何一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器都需要一個參考模擬量作為轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)，比較常見的參考標(biāo)準(zhǔn)為最大的可轉(zhuǎn)換信號大小。而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號相對于參考信號的大小。 4.4機(jī)電接口n 輸入接口50kHz CP CLK D0D1D0D1EOC微機(jī)接口直流放大器TN AD D70809D7+5V Vref+Vref-IORPSRIOWOE >=ALEST傳感器ABC+5V>= 4.4機(jī)電接口n 輸出接口 Ø在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，很多被控對象要求模擬量作控制信號，如交流電動機(jī)變頻調(diào)速器、直流電動機(jī)調(diào)速器、滑差電動機(jī)調(diào)速器等，而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是數(shù)字系統(tǒng)，需要數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換接口DAC 。 4.4機(jī)電接口n 輸出接口 ØD/A轉(zhuǎn)換器的種類及特點(diǎn)名稱 加權(quán)電 T型脈沖調(diào)頻率調(diào)加權(quán)恒阻型制型 制型 流型轉(zhuǎn)換時間 中 短 長分辨率 低 中 中長短短高結(jié)構(gòu) 簡單 簡單較復(fù)雜較復(fù)雜較復(fù)雜 4.4機(jī)電接口n 輸出接口 ØD/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)1)分辨率：D/A轉(zhuǎn)換器所能分辨的最小電壓增量，或者說D/A轉(zhuǎn)換器能夠轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制位數(shù)，位數(shù)多，分辨率就高。2)轉(zhuǎn)換時間：指數(shù)字量從輸入到完成轉(zhuǎn)換，輸出達(dá)到最終值并穩(wěn)定為止所需的時間。3)精度：D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出電壓與理論值之間的誤差。4)線性度