1、第第5 5章章 接口技术接口技术机电一体化技术机电一体化技术5.1 5.1 概述概述5.1 概述概述21 1、接口定义及作用、接口定义及作用机电一体化系统由机械结构、检测传感装置、动力源和执行元件等子机电一体化系统由机械结构、检测传感装置、动力源和执行元件等子系统组成，各子系统又分别由若干要素构成。若各要素之间与各子系统之系统组成，各子系统又分别由若干要素构成。若各要素之间与各子系统之间能够进行物质、能量和信息的传递与交换，则各要素与子系统相连处必间能够进行物质、能量和信息的传递与交换，则各要素与子系统相连处必须具备一定的联系条件。须具备一定的联系条件。这个联系条件通常被称为接口。简言之，接口
2、就是各子系统之间，以这个联系条件通常被称为接口。简言之，接口就是各子系统之间，以及子系统内部各要素之间相互连接的硬件和相关协议软件。及子系统内部各要素之间相互连接的硬件和相关协议软件。5.1 概述概述32 2、接口的功能、接口的功能（1）速度与时序匹配）速度与时序匹配CPU运算速度相对来说比外部设备高，不同外围设备速度差异也较运算速度相对来说比外部设备高，不同外围设备速度差异也较大，且大，且CPU运行时序与外部设备的定时和控制逻辑亦不相同。通过运行时序与外部设备的定时和控制逻辑亦不相同。通过增加接口电路，可保证它们间的速度时序配合要求。增加接口电路，可保证它们间的速度时序配合要求。（2）信号格
3、式转换）信号格式转换CPU在系统总线上传送的是二进制数据，而外部设备使用的信号形在系统总线上传送的是二进制数据，而外部设备使用的信号形式、信息格式各不相同。接口可使不同信号模式的环节之间实现信式、信息格式各不相同。接口可使不同信号模式的环节之间实现信号和能量的统一。号和能量的统一。5.1 概述概述42 2、接口的功能、接口的功能（3）信号电平和驱动能力匹配）信号电平和驱动能力匹配外部设备所需的电平一般比外部设备所需的电平一般比CPU的范围宽，驱动功率也较大，接口的范围宽，驱动功率也较大，接口可以实现不同环节间的电平转换和能量匹配。可以实现不同环节间的电平转换和能量匹配。5.1 概述概述53 3
4、、接口的分类、接口的分类（1）根据接口的变换和调整功能划分，可将接口分为零接口、被动接口）根据接口的变换和调整功能划分，可将接口分为零接口、被动接口、主动接口与智能接口等；、主动接口与智能接口等；（2）根据接口的输入输出功能划分，可将接口分为机械接口、电气接口）根据接口的输入输出功能划分，可将接口分为机械接口、电气接口、信息接口与环境接口等；、信息接口与环境接口等；（3）根据机电一体化系统的功能特点划分，可将接口分为机电接口、总）根据机电一体化系统的功能特点划分，可将接口分为机电接口、总线接口和人机接口三大类。线接口和人机接口三大类。5.1 概述概述63 3、接口的分类、接口的分类第第5 5章
5、章 接口技术接口技术机电一体化技术机电一体化技术5.2 5.2 输入输出接口输入输出接口5.2 输入输出接口输入输出接口8对于任何一个机电一体化产品，都需要连接输入及输出外部设备，对于任何一个机电一体化产品，都需要连接输入及输出外部设备，工作时这些设备都是通过各自的接口电路接到控制微机的系统总线上。工作时这些设备都是通过各自的接口电路接到控制微机的系统总线上。5.2 输入输出接口输入输出接口9CPU不能同时处理多个外部数据，因此需要采用地址译码进行外设选不能同时处理多个外部数据，因此需要采用地址译码进行外设选择；择；地址译码电路分为固定式和可选式译码；若按端口与地址的对应关系地址译码电路分为固
6、定式和可选式译码；若按端口与地址的对应关系，则可分为全译码与部分译码方式。，则可分为全译码与部分译码方式。I/O端口的输入、输出主要通过端口的输入、输出主要通过I/O读写信号及地址译码输出信号共同读写信号及地址译码输出信号共同作用，实现端口被选中控制信息。作用，实现端口被选中控制信息。5.2 输入输出接口输入输出接口10以以74LS273为例，其引脚图和真值表如下为例，其引脚图和真值表如下1 1、输出接口、输出接口控制输入输出CLRCLKDQ0111X上升沿上升沿0X10X010保持5.2 输入输出接口输入输出接口1174LS273的数据输入端为的数据输入端为D1D8，Q1Q8为数据输出端，正
7、脉冲触发为数据输出端，正脉冲触发，低电平清除；，低电平清除；CLR和和CLK为控制端；为控制端；CLR为低电平时，无论为低电平时，无论CLK电平如何，电平如何，Q1Q8输出端为零；输出端为零；CLR为高电平且为高电平且CLK为上升沿时触发锁存，将为上升沿时触发锁存，将D1D8信息传输到信息传输到Q1Q8；CLK的高低电平不影响输入端对输出端的作用。的高低电平不影响输入端对输出端的作用。1 1、输出接口、输出接口5.2 输入输出接口输入输出接口1274LS273和和74LS38组成的输出接口电路如下图所示。组成的输出接口电路如下图所示。1 1、输出接口、输出接口5.2 输入输出接口输入输出接口1
8、3以以74LS245为例，其引脚图和真值表如下为例，其引脚图和真值表如下2 2、输入接口、输入接口控制输入传输方向GDIR00101XBABA隔离5.2 输入输出接口输入输出接口1474LS245的数据输入端为的数据输入端为A1A8，B1B8为数据输出端，为数据输出端，DIR和和G为为控制信号端；控制信号端；G为高电平时，无论为高电平时，无论DIR电平如何，电平如何，A和和B端口为隔离状态；端口为隔离状态；G与与DIR同时为低电平时，信号由同时为低电平时，信号由B向向A端传输；端传输；G为低电平，且为低电平，且DIR为高电平时，信号由为高电平时，信号由A向向B端传输。端传输。2 2、输入接口、
9、输入接口5.2 输入输出接口输入输出接口15利用利用74LS245构成的输入接口如下图所示。构成的输入接口如下图所示。2 2、输入接口、输入接口第第5 5章章 接口技术接口技术机电一体化技术机电一体化技术5.3 5.3 人机接口人机接口5.3 人机接口人机接口17人机接口是操作者与机电系统之间进行信息交换的接口。人机接口是操作者与机电系统之间进行信息交换的接口。按照信息的传递方向，可以分为输入接口与输出接口，分别负责输按照信息的传递方向，可以分为输入接口与输出接口，分别负责输入设备和输出设备与控制微机的连接；入设备和输出设备与控制微机的连接；常用的输入设备有控制开关、常用的输入设备有控制开关、
10、BCD 二十进制码拨盘、键盘等；常二十进制码拨盘、键盘等；常用的输出设备有状态指示灯、发光二极管显示器、液晶显示器、微型打用的输出设备有状态指示灯、发光二极管显示器、液晶显示器、微型打印机、显示器、扬声器等等。印机、显示器、扬声器等等。5.3 人机接口人机接口18（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，对人机接口有着不同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，要根据产品的要求而定。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。（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
11、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，以提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；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、廉在满足功能要求的前提下，输入、输出设备配置以小型、微型、廉价型为原则。价型为原则。1 1、特点、特点5.3 人机接口人机接口19由于键盘的按键开关在闭合和断开时并不是理想的断通状态。由于键盘的按键开关在闭合和断开时并不是理想的断通状态。这类开关都是机械开关，机械触点的弹性作用使开关在闭合及断开这类
12、开关都是机械开关，机械触点的弹性作用使开关在闭合及断开瞬间产生抖动，造成开关点点电位产生一系列脉冲，电压抖动时间的长瞬间产生抖动，造成开关点点电位产生一系列脉冲，电压抖动时间的长短，与机械特性有关，一般为短，与机械特性有关，一般为 510ms；按钮的稳定闭合期由操作员的；按钮的稳定闭合期由操作员的按键动作决定，一般在几百微秒至几秒之间。按键动作决定，一般在几百微秒至几秒之间。所以，为消除抖动对读数的影响，在进行接口设计时需要采取软件所以，为消除抖动对读数的影响，在进行接口设计时需要采取软件或硬件方式进行消抖处理。或硬件方式进行消抖处理。2 2、按键开关的消抖处理、按键开关的消抖处理5.3 人机
13、接口人机接口20（1）硬件消抖）硬件消抖通常采用如下所示的两个与非门构成的双稳态消抖电路来实现，开通常采用如下所示的两个与非门构成的双稳态消抖电路来实现，开关仅与关仅与A或或B接触时才会改变门电路的输出状态，在开关的切换过程中，接触时才会改变门电路的输出状态，在开关的切换过程中，触点的抖动不能影响输出电平，从而消除抖动。触点的抖动不能影响输出电平，从而消除抖动。2 2、按键开关的消抖处理、按键开关的消抖处理+5VRRSACB&OUT1OUT25.3 人机接口人机接口21（2）软件消抖）软件消抖在检测到开关状态后，延时一段时间再进行检测，若两次检测到的在检测到开关状态后，延时一段时间再进行检测，
14、若两次检测到的开关状态相同，则认为有键按下。延时时间应大于抖动时间，才能消除开关状态相同，则认为有键按下。延时时间应大于抖动时间，才能消除抖动的影响。抖动的影响。2 2、按键开关的消抖处理、按键开关的消抖处理按下按键按下按键10ms10ms响应按下按响应按下按键的动作键的动作检测到第一检测到第一个高电平个高电平响应放开按响应放开按键的动作键的动作检测到第一个低电平检测到第一个低电平松开按键松开按键5.3 人机接口人机接口22独立式键盘接口是指独立连接键盘各键，且各按键相互独立，每一独立式键盘接口是指独立连接键盘各键，且各按键相互独立，每一根数据线对应一个按键；根数据线对应一个按键；独立式键盘配
15、置灵活，结构简单，按键判断速度快，但占用的独立式键盘配置灵活，结构简单，按键判断速度快，但占用的I/O端端口较多；其软件识别主要采用随机、定时和中断三种扫描方式。口较多；其软件识别主要采用随机、定时和中断三种扫描方式。3 3、独立式键盘接口、独立式键盘接口5.3 人机接口人机接口23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，按键位于交交叉构成，按键位于交叉点上；叉点上；接口电路中的每个按键由两个固定触点、一个动触片和弹簧组成，接口电路中的每个按键由两个固定触点、一个动触片和弹簧组成，两触点分别与行列线相连，当按动某个按键时，则与该键对应的行列线两触点
16、分别与行列线相连，当按动某个按键时，则与该键对应的行列线被短路。被短路。4 4、矩阵式键盘接口、矩阵式键盘接口5.3 人机接口人机接口24矩阵式键盘按键的软件识别主要采用程序控制、定时和中断三种扫矩阵式键盘按键的软件识别主要采用程序控制、定时和中断三种扫描方式。描方式。其中程序控制方式工作过程主要分为四步；其中程序控制方式工作过程主要分为四步；（1）判断按键状态；）判断按键状态；（2）消除按键抖动；）消除按键抖动；（3）判断闭合键的键号；）判断闭合键的键号；（4）控制）控制CPU对按键的一次闭合仅做一次处理；对按键的一次闭合仅做一次处理；4 4、矩阵式键盘接口、矩阵式键盘接口5.3 人机接口人
17、机接口25（1）接口电路）接口电路LED具有单向导通性，下图是具有单向导通性，下图是LED与单片机的接口电路，选用元件与单片机的接口电路，选用元件时应考虑到其负载能力的大小，故在电路中设置限流电阻时应考虑到其负载能力的大小，故在电路中设置限流电阻R。5 5、发光二极管接口设计、发光二极管接口设计5.3 人机接口人机接口26（2）八段）八段LED数码显示管接口电路数码显示管接口电路八段八段LED数码显示管由数码显示管由8个发光二极管组成，通过控制个发光二极管组成，通过控制LED同名引脚同名引脚上所加电平的高低来控制对应二极管发光或熄灭，从而形成不同字符；上所加电平的高低来控制对应二极管发光或熄灭
18、，从而形成不同字符；5 5、发光二极管接口设计、发光二极管接口设计5.3 人机接口人机接口27（2）八段）八段LED数码显示管接口电路数码显示管接口电路八段八段LED数码显示管依据将阴极或阳极连接在一起作为公共端分为数码显示管依据将阴极或阳极连接在一起作为公共端分为共阴极（左图）和共阳极（右图），分别采用低电平共阴极（左图）和共阳极（右图），分别采用低电平/高电平驱动。高电平驱动。5 5、发光二极管接口设计、发光二极管接口设计5.3 人机接口人机接口28（2）八段）八段LED数码显示管接口电路数码显示管接口电路八段八段LED数码显示管每段数码显示管每段LED的的电压可以采用数字量表示，称做段选
19、电压可以采用数字量表示，称做段选码，其段选码与显示字符的对应关系码，其段选码与显示字符的对应关系见右表；见右表；5 5、发光二极管接口设计、发光二极管接口设计5.3 人机接口人机接口29（3）显示方法）显示方法动态显示：指依次轮流点亮各位数码管，利用人眼视觉暂留现象和动态显示：指依次轮流点亮各位数码管，利用人眼视觉暂留现象和二极管的余辉效应，通过设定适当扫描频率，可获得稳定且无闪烁的显二极管的余辉效应，通过设定适当扫描频率，可获得稳定且无闪烁的显示；示；静态显示：指在显示某个字符时，对应二极管恒定导通或截止，其静态显示：指在显示某个字符时，对应二极管恒定导通或截止，其数据更新时只需传送一次；数
20、据更新时只需传送一次；比较：动态显示对端口占用较少，节省硬件资源，但需对显示器定比较：动态显示对端口占用较少，节省硬件资源，但需对显示器定期刷新扫描，占用大量期刷新扫描，占用大量CPU运算时间，适用显示位数多、运算时间，适用显示位数多、CPU空闲的场空闲的场合；而静态显示编程简单，成本较高，适用显示位数较少的场合。合；而静态显示编程简单，成本较高，适用显示位数较少的场合。5 5、发光二极管接口设计、发光二极管接口设计5.3 人机接口人机接口30在人机系统中，常采用扬声器或蜂鸣器发出声音信号；在人机系统中，常采用扬声器或蜂鸣器发出声音信号；常用蜂鸣器分电压型与脉冲型，其驱动电路简单，采用单片机的
21、输常用蜂鸣器分电压型与脉冲型，其驱动电路简单，采用单片机的输出端口输入电流即可满足工作要求。出端口输入电流即可满足工作要求。6 6、声音输出接口电路、声音输出接口电路5.3 人机接口人机接口31扬声器可以由硬件或软件生成的音频信号驱动；扬声器可以由硬件或软件生成的音频信号驱动；由硬件生成的音频信号（左图）的特征完全取决于硬件电路结构，由硬件生成的音频信号（左图）的特征完全取决于硬件电路结构，驱动频率随电路参数确定而固定，仅能以单一音调工作；驱动频率随电路参数确定而固定，仅能以单一音调工作；由软件生成的音频信号（右图）能修改音频信号，故音调丰富，但由软件生成的音频信号（右图）能修改音频信号，故音
22、调丰富，但软件设计工作量大。软件设计工作量大。6 6、声音输出接口电路、声音输出接口电路5.3 人机接口人机接口32（1）并行输出的）并行输出的3位共阳极位共阳极LED静态显示接口电路静态显示接口电路7 7、输出接口电路示例、输出接口电路示例5.3 人机接口人机接口33（2）串行输出的）串行输出的3位共阳极位共阳极LED静态显示接口电路静态显示接口电路7 7、输出接口电路示例、输出接口电路示例5.3 人机接口人机接口34（3）LED静动态显示接口电路静动态显示接口电路7 7、输出接口电路示例、输出接口电路示例5.3 人机接口人机接口35（4）点阵式）点阵式LED显示器接口电路显示器接口电路点阵
23、式点阵式LED显示器在行列线的交点上放置发光二极管，若显示器在行列线的交点上放置发光二极管，若LED的正的正极接行引线，负极接列引线，可组成共阳极极接行引线，负极接列引线，可组成共阳极LED显示器（左图）；反之显示器（左图）；反之则组成共阴极则组成共阴极LED显示器（右图）。显示器（右图）。7 7、输出接口电路示例、输出接口电路示例5.3 人机接口人机接口36（4）点阵式）点阵式LED显示器接口电显示器接口电路路共阳极共阳极7*5点阵式点阵式LED显示显示器接口电路如左图所示，采用列器接口电路如左图所示，采用列扫描的方式，每次只有一列信号扫描的方式，每次只有一列信号有效，然后通过行线控制口输出
24、有效，然后通过行线控制口输出选中列的信息，进而依次改变被选中列的信息，进而依次改变被选择列，由此完成整个显示的驱选择列，由此完成整个显示的驱动。动。7 7、输出接口电路示例、输出接口电路示例5.3 人机接口人机接口37（4）点阵式）点阵式LED显示器接口电路显示器接口电路以显示字母以显示字母“C”为例，其列扫描点阵数据如下表所示；为例，其列扫描点阵数据如下表所示；显示时，在显示时，在P3口同步下，依次将字节从口同步下，依次将字节从P0口送出，数据为口送出，数据为“0”的位对的位对应的二极管被点亮，数据为应的二极管被点亮，数据为“1”的位对应的二极管不亮。的位对应的二极管不亮。7 7、输出接口电路示例、输出接口电路示例
