第6章接口技术.ppt
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1、第第6章接口技术章接口技术 6.1接口技术概述接口技术概述 6.2人机交互接口技术人机交互接口技术 6.3模拟量输入模拟量输入/输出通道接口技术输出通道接口技术 6.4总线接口技术总线接口技术 6.1接口技术概述接口技术概述6.1.1接口的定义接口的定义 机电一体化产品或系统由机械本体、检测传感系统、电子控制单机电一体化产品或系统由机械本体、检测传感系统、电子控制单元、执行器和动力源等部分组成,各子系统又分别由若干要素构成。元、执行器和动力源等部分组成,各子系统又分别由若干要素构成。若要将各要素、各子系统有机地结合起来,构成一个完整的机电一体若要将各要素、各子系统有机地结合起来,构成一个完整的
2、机电一体化系统,各要素、各子系统之间需要进行物质、能量和信息的传递与化系统,各要素、各子系统之间需要进行物质、能量和信息的传递与交换,如交换,如图图6-1所示。为此,各要素和子系统的相接处必须具备一定的所示。为此,各要素和子系统的相接处必须具备一定的联系条件,这个联系条件通常被称为接口,简单地说,接口就是各子联系条件,这个联系条件通常被称为接口,简单地说,接口就是各子系统之间以及子系统内各模块之间相互连接的硬件及相关协议软件。系统之间以及子系统内各模块之间相互连接的硬件及相关协议软件。下一页返回6.1接口技术概述接口技术概述6.1.2接口的分类接口的分类 从不同的角度及工作特点出发,机电一体化
3、系统的接口有多种分从不同的角度及工作特点出发,机电一体化系统的接口有多种分类方法。根据接口的变换和调整功能,可将接口分为零接口、被动接类方法。根据接口的变换和调整功能,可将接口分为零接口、被动接口、主动接口和智能接口口、主动接口和智能接口;根据接口的输入根据接口的输入/输出对象,可将接口分为输出对象,可将接口分为机械接口、物理接口、信息接口与环境接口等机械接口、物理接口、信息接口与环境接口等;根据接口的输入根据接口的输入/输出输出类型,可将接口分为数字接口、开关接口、模拟接口和脉冲接口。类型,可将接口分为数字接口、开关接口、模拟接口和脉冲接口。下一页上一页返回6.1接口技术概述接口技术概述 本
4、章根据接口所联系的子系统不同,以信息处理系统本章根据接口所联系的子系统不同,以信息处理系统(微电子系统微电子系统)为出发点,将接口分为人机交互接口、模拟量输入输出通道接口和为出发点,将接口分为人机交互接口、模拟量输入输出通道接口和总线接口三大类,进行了系统的阐述。总线接口三大类,进行了系统的阐述。人机接口实现人与机电一体化系统的信息交流、信息反馈,保证人机接口实现人与机电一体化系统的信息交流、信息反馈,保证对机电一体化系统的实时监测、有效控制。由于机械与电子系统工作对机电一体化系统的实时监测、有效控制。由于机械与电子系统工作形式、速率等存在极大的差异,机电接口还起着调整、匹配、缓冲的形式、速率
5、等存在极大的差异,机电接口还起着调整、匹配、缓冲的作用。人机接口又包括输入接口与输出接口两类。通过输入接口,操作用。人机接口又包括输入接口与输出接口两类。通过输入接口,操作者向系统输入各种命令及控制参数,对系统运行进行控制作者向系统输入各种命令及控制参数,对系统运行进行控制;通过输通过输出接口,操作者对系统的运行状态、各种参数进行监测。出接口,操作者对系统的运行状态、各种参数进行监测。下一页上一页返回6.1接口技术概述接口技术概述 按照信息和能量的传递方向,机电接口又可分为信息采集接口按照信息和能量的传递方向,机电接口又可分为信息采集接口(传感器接口传感器接口)与控制输出接口。信息处理系统通过
6、信息采集接口接收与控制输出接口。信息处理系统通过信息采集接口接收传感器输出的信号,检测机械系统运行参数,经过运算处理后,发出传感器输出的信号,检测机械系统运行参数,经过运算处理后,发出有关控制信号,经过控制输出接口的匹配、转换、功率放大,驱动执有关控制信号,经过控制输出接口的匹配、转换、功率放大,驱动执行元件,以调节机械系统的运行状态,使其按要求动作。行元件,以调节机械系统的运行状态,使其按要求动作。上一页返回6.2人机交互接口技术人机交互接口技术6.2.1人机接口类型及特点人机接口类型及特点 所谓人机交互接口,是指人与计算机之间建立联系、交换信息所谓人机交互接口,是指人与计算机之间建立联系、
7、交换信息的输入的输入/输出设备的接口。这些输入输出设备的接口。这些输入/输出设备主要有键盘、显示器和输出设备主要有键盘、显示器和打印机等。它们是计算机应用系统中必不可少的输入、输出设备,是打印机等。它们是计算机应用系统中必不可少的输入、输出设备,是控制系统与操作人员之间交互信息的窗口。一个安全可靠的控制系统控制系统与操作人员之间交互信息的窗口。一个安全可靠的控制系统必须具有方便的交互功能。操作人员可以通过系统显示的内容,及时必须具有方便的交互功能。操作人员可以通过系统显示的内容,及时掌握生产情况,并可通过键盘输入数据,传递命令,对计算机应用系掌握生产情况,并可通过键盘输入数据,传递命令,对计算
8、机应用系统进行人工干预,使其随时能按照操作人员的意图工作。统进行人工干预,使其随时能按照操作人员的意图工作。下一页返回6.2人机交互接口技术人机交互接口技术 按照信息的传递方向,人机接口可以分为两大类按照信息的传递方向,人机接口可以分为两大类:输入接口与输输入接口与输出接口。机电系统通过输出接口向操作者显示系统的各种状态、运行出接口。机电系统通过输出接口向操作者显示系统的各种状态、运行参数及结果等信息,另一方面,操作者通过输入接口向机电系统输入参数及结果等信息,另一方面,操作者通过输入接口向机电系统输入各种控制命令,干预系统的运行状态,以实现所要求完成的任务。各种控制命令,干预系统的运行状态,
9、以实现所要求完成的任务。下一页上一页返回6.2人机交互接口技术人机交互接口技术 人机接口作为人机之间进行信息传递的通道,具有以下一些特点。人机接口作为人机之间进行信息传递的通道,具有以下一些特点。1.专用性专用性 每种机电一体化产品都有其自身特定的功能,对人机接口有着每种机电一体化产品都有其自身特定的功能,对人机接口有着不同的要求,所以在制定人机接口的设计方案时,要根据产品的要求不同的要求,所以在制定人机接口的设计方案时,要根据产品的要求而定。例如,对于简单的二值型控制参数,可以考虑采用控制开关,而定。例如,对于简单的二值型控制参数,可以考虑采用控制开关,对于少量的数值型参数输入,可以考虑使用
10、对于少量的数值型参数输入,可以考虑使用BCD码拨盘,而当系统要码拨盘,而当系统要求输入的控制命令和参数比较多时,则应考虑使用行列式键盘。求输入的控制命令和参数比较多时,则应考虑使用行列式键盘。2.低速性低速性 与控制机的工作速度相比,大多数人机接口设备的工作速度很低,与控制机的工作速度相比,大多数人机接口设备的工作速度很低,在进行人机接口设计时,要考虑控制机与接口设备间的速度匹配,以在进行人机接口设计时,要考虑控制机与接口设备间的速度匹配,以提高系统的工作效率。提高系统的工作效率。3.高性价比高性价比 在满足功能要求的前提下,输入、输出设备配置以小型、微型、在满足功能要求的前提下,输入、输出设
11、备配置以小型、微型、廉价型为原则。廉价型为原则。下一页上一页返回6.2人机交互接口技术人机交互接口技术6.2.2输入接口输入接口1.按键的确认按键的确认 键盘实际上是一组按键开关的集合,其中每一个按键就是一个开键盘实际上是一组按键开关的集合,其中每一个按键就是一个开关量输入装置。键的闭合与否,取决于机械弹性开关的通、断状态。关量输入装置。键的闭合与否,取决于机械弹性开关的通、断状态。反应在电压上就是呈现出高电平或低电平,例如高电平表示断开,低反应在电压上就是呈现出高电平或低电平,例如高电平表示断开,低电平表示闭合。所以,通过检测电平状态电平表示闭合。所以,通过检测电平状态(高或低高或低),便可
12、确定按键是,便可确定按键是否己被按下。否己被按下。下一页上一页返回6.2人机交互接口技术人机交互接口技术 2.重键与连击的处理重键与连击的处理 实际按键操作中,若无意中同时或先后按下两个以上的键,系统实际按键操作中,若无意中同时或先后按下两个以上的键,系统确认哪个键操作是有效。有时,完全由设计者的意志决定。如视按下确认哪个键操作是有效。有时,完全由设计者的意志决定。如视按下时间最长者为有效键,或认为最先按下的键为当前按键,也可以将最时间最长者为有效键,或认为最先按下的键为当前按键,也可以将最后释放的键看成是输入键。不过微型计算机控制系统毕竟资源有限,后释放的键看成是输入键。不过微型计算机控制系
13、统毕竟资源有限,交互能力不强,通常采用单键按下有效,多键同时按下无效的原则交互能力不强,通常采用单键按下有效,多键同时按下无效的原则(若系统设有复合键,当然应该另当别沦若系统设有复合键,当然应该另当别沦)。下一页上一页返回6.2人机交互接口技术人机交互接口技术 3.按键防抖动技术按键防抖动技术 多数键盘的按键均采用机械弹性开关。一个电信号通过机械触点多数键盘的按键均采用机械弹性开关。一个电信号通过机械触点的断开、闭合过程,完成高、低电平的切换。由于机械触点的弹性作的断开、闭合过程,完成高、低电平的切换。由于机械触点的弹性作用,一个按键开关在闭合及断开的瞬间必然伴随有一连串的抖动。如用,一个按键
14、开关在闭合及断开的瞬间必然伴随有一连串的抖动。如图图6-2所示。所示。4.矩阵式键盘工作原理键盘接口电路矩阵式键盘工作原理键盘接口电路 矩阵式键盘由一组行线矩阵式键盘由一组行线(Xi)与一组列线与一组列线(Yi)交叉构成,按键位于交叉构成,按键位于交叉点上,为对各个键进行区别,可以按一定规律分别为各个键命名交叉点上,为对各个键进行区别,可以按一定规律分别为各个键命名键号,如键号,如图图6-4所示。所示。下一页上一页返回6.2人机交互接口技术人机交互接口技术5.键输入程序键输入程序键输入程序具有下面四项功能键输入程序具有下面四项功能:(1)判断键盘上有无键闭合。判断键盘上有无键闭合。(2)判别闭
15、合键的键号。判别闭合键的键号。(3)去除键的机械抖动。去除键的机械抖动。(4)使控制微机对键的一次闭合仅作一次处理,采用的方法是等待闭合键使控制微机对键的一次闭合仅作一次处理,采用的方法是等待闭合键释放后再做处理。释放后再做处理。下一页上一页返回6.2人机交互接口技术人机交互接口技术6.2.3输出接口输出接口 1.LED数码管的结构及显示原理数码管的结构及显示原理 LED(Light-emitting diode)发光数码管是微型计算机应用系统中发光数码管是微型计算机应用系统中的廉价输出设备,它由若干个发光二极管组成,能显示出各种字符或的廉价输出设备,它由若干个发光二极管组成,能显示出各种字符
16、或符号,常用的器件有符号,常用的器件有7段或段或“米米”字型数码管。字型数码管。LED数码管是由发光二极管组成的,由于制造材料的不同,可相数码管是由发光二极管组成的,由于制造材料的不同,可相应发出红、黄、蓝、紫等各种单色光。发光二极管可以有多种组成形应发出红、黄、蓝、紫等各种单色光。发光二极管可以有多种组成形式,其中式,其中7段数码管应用最多,其次为段数码管应用最多,其次为“米米”字形数码管。根据显示字形数码管。根据显示块内部发光二极管的连接方式不同,又有共阴极和共阳极两种形式,块内部发光二极管的连接方式不同,又有共阴极和共阳极两种形式,如如图图6-5所示。所示。下一页上一页返回6.2人机交互
17、接口技术人机交互接口技术 2.LED数码管的显示方法数码管的显示方法 在微型计算机控制系统中,常用的显示方法有两种在微型计算机控制系统中,常用的显示方法有两种:一种为动态一种为动态显示显示;一种为静态显示。一种为静态显示。动态显示,就是微型计算机定时地对显示器件扫描。在这种方法动态显示,就是微型计算机定时地对显示器件扫描。在这种方法中,显示器件分时工作,每次只能有一个器件显示。但由于人的视觉中,显示器件分时工作,每次只能有一个器件显示。但由于人的视觉有暂留现象,所以,只要扫描频率足够快,仍会感觉所有的器件都在有暂留现象,所以,只要扫描频率足够快,仍会感觉所有的器件都在显示,许多单片机的开发系统
18、及仿真器上的显示,许多单片机的开发系统及仿真器上的6位显示器即采用这类显位显示器即采用这类显示方法。此种显示的优点是使用硬件少,因而价格低,线路简单。但示方法。此种显示的优点是使用硬件少,因而价格低,线路简单。但它占用机时长,只要微型计算机不执行显示程序,就立刻停止显示。它占用机时长,只要微型计算机不执行显示程序,就立刻停止显示。由此可见,这种显示将使计算机的开销增大,所以,在以工业控制为由此可见,这种显示将使计算机的开销增大,所以,在以工业控制为主的控制系统中应用较少。主的控制系统中应用较少。下一页上一页返回6.2人机交互接口技术人机交互接口技术 静态显示,是由微型计算机一次输出显示模型后,
19、就能保持该显静态显示,是由微型计算机一次输出显示模型后,就能保持该显示结果,直到下次发送新的显示模型为止。这种显示占用机时少,显示结果,直到下次发送新的显示模型为止。这种显示占用机时少,显示可靠,因而在工业过程控制中得到了广泛的应用。这种显示方法的示可靠,因而在工业过程控制中得到了广泛的应用。这种显示方法的缺点是使用元件多,且线路比较复杂。但是,随着大规模集成电路的缺点是使用元件多,且线路比较复杂。但是,随着大规模集成电路的发展,目前已经研制出具有多种功能的显示器件,例如锁存器、泽码发展,目前已经研制出具有多种功能的显示器件,例如锁存器、泽码器、驱动器、显示器四位一体的显示器件,用起来比较方便
20、,价格也器、驱动器、显示器四位一体的显示器件,用起来比较方便,价格也越来越便宜。越来越便宜。图图6-6所示的为单片机或仿真器中常用的一种并行所示的为单片机或仿真器中常用的一种并行6位动态显示电位动态显示电路。路。下一页上一页返回6.2人机交互接口技术人机交互接口技术 6.2.3.2 LCD的显示接口技术的显示接口技术 液晶显示器液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display)广泛应用于微型计算广泛应用于微型计算机系统中。与机系统中。与LED相比,它具有功耗低,抗干扰能力强,体积小,廉相比,它具有功耗低,抗干扰能力强,体积小,廉价等特点,目前已广泛应用在各种显示领域。另外,价等特
21、点,目前已广泛应用在各种显示领域。另外,LCD在大小和形在大小和形状上更加灵活,接口简单,不但可以显示数字、字符,而且可以显示状上更加灵活,接口简单,不但可以显示数字、字符,而且可以显示汉字和图形,因此在袖珍仪表、医疗仪器、分析仪器及低功耗便携式汉字和图形,因此在袖珍仪表、医疗仪器、分析仪器及低功耗便携式仪器中,仪器中,LCD已成为一种占主导地位的显示器件。已成为一种占主导地位的显示器件。LCD是一种借助外界光线照射液晶材料而实现显示的被动显示器是一种借助外界光线照射液晶材料而实现显示的被动显示器件。件。图图6一一7所示体现出所示体现出LCD器件的原理结构。器件的原理结构。上一页返回6.3模拟
22、量输入模拟量输入/输出通道接口技术输出通道接口技术6.3.1A/D转换接口转换接口 A/D转换是从模拟量到数字量的转换,它是信息采集系统中模拟转换是从模拟量到数字量的转换,它是信息采集系统中模拟放大电路和放大电路和CPU的接口,如的接口,如图图6-9所示。所示。A/D转换芯片种类繁多,主要转换芯片种类繁多,主要有逐次比较式、双积分式、量化反馈式和并行式。有逐次比较式、双积分式、量化反馈式和并行式。6.3.1.1A/D转换的主要环节和常用术语转换的主要环节和常用术语 (1)多路选择模拟开关。多路选择模拟开关的作用是使多路选择模拟开关。多路选择模拟开关的作用是使n/D转换能分时转换能分时对多路模拟
23、信号进行数据采集,常用的模拟开关有对多路模拟信号进行数据采集,常用的模拟开关有4051,AD7501等,等,它们都是它们都是8选选1模拟开关。模拟开关。下一页返回6.3模拟量输入模拟量输入/输出通道接口技术输出通道接口技术 (2)信号调节器。作用是调节模拟信号的幅度,使模拟信号的大小符合信号调节器。作用是调节模拟信号的幅度,使模拟信号的大小符合A/D转换的要求。转换的要求。(3)采样保持和孔径误差。采样保持的作用是减小孔径误差。模拟量转采样保持和孔径误差。采样保持的作用是减小孔径误差。模拟量转换成数字量需要一个时间过程,对于一个动态模拟信号,在换成数字量需要一个时间过程,对于一个动态模拟信号,
24、在A/D转换转换器接通的孔径时间里,输入模拟信号的值是不确定的,从而引起输出器接通的孔径时间里,输入模拟信号的值是不确定的,从而引起输出的不确定性误差。的不确定性误差。(4)A/D转换、分辨率、量化误差。采样保持使模拟信号在时域离散化,转换、分辨率、量化误差。采样保持使模拟信号在时域离散化,但在幅值域仍然是连续的。量化但在幅值域仍然是连续的。量化(A/D转换转换)环节使信号在幅值域离散环节使信号在幅值域离散化。关于量化的具体细节请参阅有关专业书籍,此处仅涉及与应用有化。关于量化的具体细节请参阅有关专业书籍,此处仅涉及与应用有关且十分重要的分辨率和量化误差问题。关且十分重要的分辨率和量化误差问题
25、。下一页上一页返回6.3模拟量输入模拟量输入/输出通道接口技术输出通道接口技术 6.3.1.2ADC0809简介简介 ADC0809是是8位逐次逼近型位逐次逼近型A/D转换器,它有转换器,它有8个模拟量输入通道,个模拟量输入通道,芯片内带通道地址泽码锁存器,输出经三态输出数据锁存器,启动信芯片内带通道地址泽码锁存器,输出经三态输出数据锁存器,启动信号为脉冲启动方式,每一通道的转换时间大约为号为脉冲启动方式,每一通道的转换时间大约为100s 图图6-10是是ADC0809的结构图,主要由两大部分组成的结构图,主要由两大部分组成:一部分为输一部分为输入通道,包括入通道,包括8位模拟开关,三条地址线
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