《機(jī)電一體化技術(shù)》課件-第五章 5.1、5.2、5.3章

第5章接口技術(shù)機(jī)電一體化技術(shù)5.1概述5.1概述21、接口定義及作用機(jī)電一體化系統(tǒng)由機(jī)械結(jié)構(gòu)、檢測(cè)傳感裝置、動(dòng)力源和執(zhí)行元件等子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)又分別由若干要素構(gòu)成。若各要素之間與各子系統(tǒng)之間能夠進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的傳遞與交換，則各要素與子系統(tǒng)相連處必須具備一定的聯(lián)系條件。這個(gè)聯(lián)系條件通常被稱為接口。簡(jiǎn)言之，接口就是各子系統(tǒng)之間，以及子系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間相互連接的硬件和相關(guān)協(xié)議軟件。5.1概述32、接口的功能（1）速度與時(shí)序匹配CPU運(yùn)算速度相對(duì)來(lái)說(shuō)比外部設(shè)備高，不同外圍設(shè)備速度差異也較大，且CPU運(yùn)行時(shí)序與外部設(shè)備的定時(shí)和控制邏輯亦不相同。通過(guò)增加接口電路，可保證它們間的速度時(shí)序配合要求。（2）信號(hào)格式轉(zhuǎn)換CPU在系統(tǒng)總線上傳送的是二進(jìn)制數(shù)據(jù)，而外部設(shè)備使用的信號(hào)形式、信息格式各不相同。接口可使不同信號(hào)模式的環(huán)節(jié)之間實(shí)現(xiàn)信號(hào)和能量的統(tǒng)一。5.1概述42、接口的功能（3）信號(hào)電平和驅(qū)動(dòng)能力匹配外部設(shè)備所需的電平一般比CPU的范圍寬，驅(qū)動(dòng)功率也較大，接口可以實(shí)現(xiàn)不同環(huán)節(jié)間的電平轉(zhuǎn)換和能量匹配。5.1概述53、接口的分類（1）根據(jù)接口的變換和調(diào)整功能劃分，可將接口分為零接口、被動(dòng)接口、主動(dòng)接口與智能接口等；（2）根據(jù)接口的輸入輸出功能劃分，可將接口分為機(jī)械接口、電氣接口、信息接口與環(huán)境接口等；（3）根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)的功能特點(diǎn)劃分，可將接口分為機(jī)電接口、總線接口和人機(jī)接口三大類。5.1概述63、接口的分類第5章接口技術(shù)機(jī)電一體化技術(shù)5.2輸入輸出接口5.2輸入輸出接口8對(duì)于任何一個(gè)機(jī)電一體化產(chǎn)品，都需要連接輸入及輸出外部設(shè)備，工作時(shí)這些設(shè)備都是通過(guò)各自的接口電路接到控制微機(jī)的系統(tǒng)總線上。5.2輸入輸出接口9CPU不能同時(shí)處理多個(gè)外部數(shù)據(jù)，因此需要采用地址譯碼進(jìn)行外設(shè)選擇；地址譯碼電路分為固定式和可選式譯碼；若按端口與地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系，則可分為全譯碼與部分譯碼方式。I/O端口的輸入、輸出主要通過(guò)I/O讀寫信號(hào)及地址譯碼輸出信號(hào)共同作用，實(shí)現(xiàn)端口被選中控制信息。5.2輸入輸出接口10以74LS273為例，其引腳圖和真值表如下1、輸出接口控制輸入輸出CLRCLKDQ0111X上升沿上升沿0X10X010保持5.2輸入輸出接口1174LS273的數(shù)據(jù)輸入端為D1~D8，Q1~Q8為數(shù)據(jù)輸出端，正脈沖觸發(fā)，低電平清除；CLR和CLK為控制端；CLR為低電平時(shí)，無(wú)論CLK電平如何，Q1~Q8輸出端為零；CLR為高電平且CLK為上升沿時(shí)觸發(fā)鎖存，將D1~D8信息傳輸?shù)絈1~Q8；CLK的高低電平不影響輸入端對(duì)輸出端的作用。1、輸出接口5.2輸入輸出接口1274LS273和74LS38組成的輸出接口電路如下圖所示。1、輸出接口5.2輸入輸出接口13以74LS245為例，其引腳圖和真值表如下2、輸入接口控制輸入傳輸方向GDIR00101XB→AB←A隔離5.2輸入輸出接口1474LS245的數(shù)據(jù)輸入端為A1~A8，B1~B8為數(shù)據(jù)輸出端，DIR和G為控制信號(hào)端；G為高電平時(shí)，無(wú)論DIR電平如何，A和B端口為隔離狀態(tài)；G與DIR同時(shí)為低電平時(shí)，信號(hào)由B向A端傳輸；G為低電平，且DIR為高電平時(shí)，信號(hào)由A向B端傳輸。2、輸入接口5.2輸入輸出接口15利用74LS245構(gòu)成的輸入接口如下圖所示。2、輸入接口第5章接口技術(shù)機(jī)電一體化技術(shù)5.3人機(jī)接口5.3人機(jī)接口17人機(jī)接口是操作者與機(jī)電系統(tǒng)之間進(jìn)行信息交換的接口。按照信息的傳遞方向，可以分為輸入接口與輸出接口，分別負(fù)責(zé)輸入設(shè)備和輸出設(shè)備與控制微機(jī)的連接；常用的輸入設(shè)備有控制開關(guān)、BCD二～十進(jìn)制碼撥盤、鍵盤等；常用的輸出設(shè)備有狀態(tài)指示燈、發(fā)光二極管顯示器、液晶顯示器、微型打印機(jī)、顯示器、揚(yáng)聲器等等。5.3人機(jī)接口18（1）專用性每種機(jī)電一體化產(chǎn)品都有其自身特定的功能，對(duì)人機(jī)接口有著不同的要求，所以在制定人機(jī)接口的設(shè)計(jì)方案時(shí)，要根據(jù)產(chǎn)品的要求而定。（2）低速性與控制機(jī)的工作速度相比，大多數(shù)人機(jī)接口設(shè)備的工作速度很低，在進(jìn)行人機(jī)接口設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮控制機(jī)與接口設(shè)備間的速度匹配，以提高系統(tǒng)的工作效率；（3）高性價(jià)比在滿足功能要求的前提下，輸入、輸出設(shè)備配置以小型、微型、廉價(jià)型為原則。1、特點(diǎn)5.3人機(jī)接口19由于鍵盤的按鍵開關(guān)在閉合和斷開時(shí)并不是理想的斷通狀態(tài)。這類開關(guān)都是機(jī)械開關(guān)，機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用使開關(guān)在閉合及斷開瞬間產(chǎn)生抖動(dòng)，造成開關(guān)點(diǎn)點(diǎn)電位產(chǎn)生一系列脈沖，電壓抖動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短，與機(jī)械特性有關(guān)，一般為5～10ms；按鈕的穩(wěn)定閉合期由操作員的按鍵動(dòng)作決定，一般在幾百微秒至幾秒之間。所以，為消除抖動(dòng)對(duì)讀數(shù)的影響，在進(jìn)行接口設(shè)計(jì)時(shí)需要采取軟件或硬件方式進(jìn)行消抖處理。2、按鍵開關(guān)的消抖處理5.3人機(jī)接口20（1）硬件消抖通常采用如下所示的兩個(gè)與非門構(gòu)成的雙穩(wěn)態(tài)消抖電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，開關(guān)僅與A或B接觸時(shí)才會(huì)改變門電路的輸出狀態(tài)，在開關(guān)的切換過(guò)程中，觸點(diǎn)的抖動(dòng)不能影響輸出電平，從而消除抖動(dòng)。2、按鍵開關(guān)的消抖處理+5VRRSACB&&OUT1OUT25.3人機(jī)接口21（2）軟件消抖在檢測(cè)到開關(guān)狀態(tài)后，延時(shí)一段時(shí)間再進(jìn)行檢測(cè)，若兩次檢測(cè)到的開關(guān)狀態(tài)相同，則認(rèn)為有鍵按下。延時(shí)時(shí)間應(yīng)大于抖動(dòng)時(shí)間，才能消除抖動(dòng)的影響。2、按鍵開關(guān)的消抖處理按下按鍵10ms10ms響應(yīng)按下按鍵的動(dòng)作檢測(cè)到第一個(gè)高電平響應(yīng)放開按鍵的動(dòng)作檢測(cè)到第一個(gè)低電平松開按鍵5.3人機(jī)接口22獨(dú)立式鍵盤接口是指獨(dú)立連接鍵盤各鍵，且各按鍵相互獨(dú)立，每一根數(shù)據(jù)線對(duì)應(yīng)一個(gè)按鍵；獨(dú)立式鍵盤配置靈活，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，按鍵判斷速度快，但占用的I/O端口較多；其軟件識(shí)別主要采用隨機(jī)、定時(shí)和中斷三種掃描方式。3、獨(dú)立式鍵盤接口5.3人機(jī)接口23矩陣式鍵盤由一組行線(Xi)與一組列線(Yi)交叉構(gòu)成，按鍵位于交叉點(diǎn)上；接口電路中的每個(gè)按鍵由兩個(gè)固定觸點(diǎn)、一個(gè)動(dòng)觸片和彈簧組成，兩觸點(diǎn)分別與行列線相連，當(dāng)按動(dòng)某個(gè)按鍵時(shí)，則與該鍵對(duì)應(yīng)的行列線被短路。4、矩陣式鍵盤接口5.3人機(jī)接口24矩陣式鍵盤按鍵的軟件識(shí)別主要采用程序控制、定時(shí)和中斷三種掃描方式。其中程序控制方式工作過(guò)程主要分為四步；（1）判斷按鍵狀態(tài)；（2）消除按鍵抖動(dòng)；（3）判斷閉合鍵的鍵號(hào)；（4）控制CPU對(duì)按鍵的一次閉合僅做一次處理；4、矩陣式鍵盤接口5.3人機(jī)接口25（1）接口電路LED具有單向?qū)ㄐ?，下圖是LED與單片機(jī)的接口電路，選用元件時(shí)應(yīng)考慮到其負(fù)載能力的大小，故在電路中設(shè)置限流電阻R。5、發(fā)光二極管接口設(shè)計(jì)5.3人機(jī)接口26（2）八段LED數(shù)碼顯示管接口電路八段LED數(shù)碼顯示管由8個(gè)發(fā)光二極管組成，通過(guò)控制LED同名引腳上所加電平的高低來(lái)控制對(duì)應(yīng)二極管發(fā)光或熄滅，從而形成不同字符；5、發(fā)光二極管接口設(shè)計(jì)5.3人機(jī)接口27（2）八段LED數(shù)碼顯示管接口電路八段LED數(shù)碼顯示管依據(jù)將陰極或陽(yáng)極連接在一起作為公共端分為共陰極（左圖）和共陽(yáng)極（右圖），分別采用低電平/高電平驅(qū)動(dòng)。5、發(fā)光二極管接口設(shè)計(jì)5.3人機(jī)接口28（2）八段LED數(shù)碼顯示管接口電路八段LED數(shù)碼顯示管每段LED的電壓可以采用數(shù)字量表示，稱做段選碼，其段選碼與顯示字符的對(duì)應(yīng)關(guān)系見右表；5、發(fā)光二極管接口設(shè)計(jì)5.3人機(jī)接口29（3）顯示方法動(dòng)態(tài)顯示：指依次輪流點(diǎn)亮各位數(shù)碼管，利用人眼視覺暫留現(xiàn)象和二極管的余輝效應(yīng)，通過(guò)設(shè)定適當(dāng)掃描頻率，可獲得穩(wěn)定且無(wú)閃爍的顯示；靜態(tài)顯示：指在顯示某個(gè)字符時(shí)，對(duì)應(yīng)二極管恒定導(dǎo)通或截止，其數(shù)據(jù)更新時(shí)只需傳送一次；比較：動(dòng)態(tài)顯示對(duì)端口占用較少，節(jié)省硬件資源，但需對(duì)顯示器定期刷新掃描，占用大量CPU運(yùn)算時(shí)間，適用顯示位數(shù)多、CPU空閑的場(chǎng)合；而靜態(tài)顯示編程簡(jiǎn)單，成本較高，適用顯示位數(shù)較少的場(chǎng)合。5、發(fā)光二極管接口設(shè)計(jì)5.3人機(jī)接口30在人機(jī)系統(tǒng)中，常采用揚(yáng)聲器或蜂鳴器發(fā)出聲音信號(hào)；常用蜂鳴器分電壓型與脈沖型，其驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，采用單片機(jī)的輸出端口輸入電流即可滿足工作要求。6、聲音輸出接口電路5.3人機(jī)接口31揚(yáng)聲器可以由硬件或軟件生成的音頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)；由硬件生成的音頻信號(hào)（左圖）的特征完全取決于硬件電路結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)頻率隨電路參數(shù)確定而固定，僅能以單一音調(diào)工作；由軟件生成的音頻信號(hào)（右圖）能修改音頻信號(hào)，故音調(diào)豐富，但軟件設(shè)計(jì)工作量大。6、聲音輸出接口電路5.3人機(jī)接口32（1）并行輸出的3位共陽(yáng)極LED靜態(tài)顯示接口電路7、輸出接口電路示例5.3人機(jī)接口33（2）串行輸出的3位共陽(yáng)極LED靜態(tài)顯示接口電路7、輸出接口電路示例5.3人機(jī)接口34（3）LED靜動(dòng)態(tài)顯示接口電路7、輸出接口電路示例5.3人機(jī)接口35（4）點(diǎn)陣式LED顯示器接口電路點(diǎn)陣式LED顯示器在行列線的交點(diǎn)上放置發(fā)光二極管，若LED的正極接行引線，負(fù)極接列引線，可組成共陽(yáng)極LED顯示器（左圖）；反之則組成共陰極LED顯示器（右圖）。7、輸出接口電路示例5.3人機(jī)接口36（4）點(diǎn)陣式LED顯示器接口電路共陽(yáng)極7*5點(diǎn)陣式LED顯示器接口電路如左