第4章接口设计概述.docx

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第4章接口设计概述

第四章接口设计概述

系统接口设计的基本概念

机电一体化系统常用总线

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，在它们之间必须具备有一定的联系条件，这些联系

条件都统称为接口。

4.1接口设计概述

⏹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

4.1接口设计概述

传

感

器

信息

采集

接口

人

机

对

话

设

备

机

械

分

系

统

人

机

接

口

控

制

微

机

执

行

元

件

控制

输出

接口

机电接口

图4-1人机接口与机电接口

4.1接口设计概述

⏹接口设计的基本原则及要求

Ø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。

Ø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；接口程序是接

口的中枢，完成接口数据的输入输出，传送可编程

接口器件的方式设定、中断设定等控制信息。

4.1接口设计概述

⏹接口设计需要满足信息传输和转换的要求

●信息采集（信号输入）

●驱动控制（信号输出）

●变送单元

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

用一组线路与CPU直接连接，连线将会错综复杂，

甚至难以实现。

⏹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。

4.2常用总线

⏹微机系统中总线的分类：

Ø内部总线：

是微机内部外围芯片与处理器之间的

总线，用于芯片一级的互联；

Ø系统总线：

是微机中各个功能部件之间相互联结

的总线，也叫板级总线；

Ø外部总线：

是计算机系统之间互联的通信总线。

4.2常用总线

⏹微机系统中总线

Ø总线的主要功能是传送数据；总线的数据传送能

力可以用以下3个主要指标来衡量：

（1）总线宽度：

指总线能同时传送的数据位数。

（2）总线频率：

总线每秒钟传输的数据次数。

（3）总线带宽：

指单位时间内总线上可传送的

数据量；总线宽度越宽，频率越高，带宽就越大。

Ø总线带宽=总线位宽/8×总线工作频率（B/s）

4.2常用总线

⏹ISA总线

ØISA（industrialstandardarchitecture）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。

ØISA总线采用独立于CPU的总线时钟，因此CPU可

采用比总线频率更高的时钟，有利于CPU性能的提

高。

但ISA总线没有支持总线仲裁的硬件逻辑，因此

不支持多台主设备系统，且ISA上的所有数据的传送

必须通过CPU或DMA接口来管理，因此使CPU花费

了大量时间来控制与外部设备交换数据。

ISA总线时

钟频率为8MHz，最大传输率为16MB/s。

4.2常用总线

⏹ISA总线插槽：

（黑色）

4.2常用总线

⏹ISA总线

ØISA总线扩展槽的62根信号线分为五类：

地址线、

数据线、控制线、状态线、辅助线和电源线。

AEN

A0～A19

ALE

IOR*

IOW*

地址线/

数据线

D0～D7

MEMR*

MEMW*

T/CDMA

控制信号

状态线

ISA总线

I/O-CHRDY

IRQ2～IRQ7

DRQ1～DRQ3

OSC

CLK

VCC

GND

辅助线

电源线

DACK0～DACK3

RESETDRV

4.2常用总线

⏹EISA总线

ØEISA（ExtendedIndustrialStandard

Architecture）总线是一种在ISA基础上扩充开放的

总线标准，它与ISA完全兼容，它从CPU中分离出

了总线控制权，是一种智能化的总线，能支持多总

线主控和突发方式的传输。

EISA总线的时钟频率为

8MHz，最大传输率可达33MB/s，数据总线为32

位，地址总线为32位，扩充DMA访问。

4.2常用总线

⏹VESA总线

ØVESA（videoelectronicsstandardassociation）

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

（VESAlocalbus）总线。

Ø所谓局部总线是指在系统外，为两个以上模块提

供的高速传输信息通道。

VL-Bus是由CPU总线演

化而来的，采用CPU的时钟，频率达33MHz、数据

线为32位，配有局部控制器。

通过局部控制的判断，

将高速I/O直接挂在CPU的总线上，实现CPU与高速

外设之间的高速数据交换。

4.2常用总线

⏹VESA总线

CPUCache

RAM

VESA总线

高速设备

RAM

传统总线控制器

传统总线（ISA、EISA、MCA、...）

设备

...

设备

VESA总线系统结构

4.2常用总线

⏹PCI总线

ØPCI（peripheralcomponentinterconnect）总线

是当前最流行的总线之一。

Ø与CPU时钟频率无关，自身采用33MHz的时钟频

率，定义了32位数据总线，且可扩展为64位，数据

传输率达132～246MB/s。

ØPCI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。

ØPCI控制器有多级缓冲，可把一批数据快速写入缓

冲器中。

在这些数据不断写入PCI设备过程中；

CPU可以执行其他操作，即PCI总线上的外设与

CPU可以并行工作。

4.2常用总线

⏹PCI总线的主要特点

●运行速度快，可扩展性好；

●兼容性好，稳定可靠；

●使用方便，自动配置；

●规范标准严格；

●价格低、高效益。

4.2常用总线

⏹PCI总线的结构

CPUCache

RAM

CPU总线

PCI控制器

PCI总线

传统总线控制器

PCI设备

PCI设备...PCI设备

传统总线（ISA、EISA、MCA、...）

设备

...

设备

4.2常用总线

⏹PCIExpress

ØPCIExpress采用了目前业内流行的点对点串行连

接，比起PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架

构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个

总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个

很高的频率，达到PCI所不能提供的高带宽。

ØPCIExpress的接口根据总线位宽不同而有所差异，

包括X1、X4、X8以及X16（X2模式将用于内部接

口而非插槽模式）。

较短的PCIExpress卡可以插入

较长的PCIExpress插槽中使用。

4.2常用总线

⏹PCIExpress

ØPCIExpress接口能够支持热拔插，这也是个不小

的飞跃。

Ø用于取代AGP接口的PCIExpress接口位宽为X16，

将能够提供5GB/s的带宽，即便有编码上的损耗但

仍能够提4GB/s左右的实际带宽，远远超过AGP8X

的2.1GB/s的带宽。

4.2常用总线

⏹PCIExpress

PCIExpress插槽（黄色和绿色）

4.2常用总线

⏹AGP标准

Ø随着20世纪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（AcceleratedGraphicsPort）标准。

Ø通过在主内存与显示卡之间提供一条直接的通道，

使3D图形数据越过PCI总线直接进入显示子系统。

4.2常用总线

⏹STD总线

ØISA、VESA、PCI总线都是一种局部总线，不支持

多CPU并行处理，不存在多CPU资源共享；

ØSTD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，可以在一个计

算机机箱内共存多块CPU，互不相干又相互支持、

功能强大的系统总线。

ØSTD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技术建立的一种以功能模块的方

法来进行面向控制的系统总线。

STD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人机接口

⏹人机接口设计中应考虑的因素：

●不同的机电一体化产品有其自身的特点功能，对

接口有不同的要求，要根据具体情况而定；

●微机与接口设备的速度匹配问题；

●软硬件相结合，二者缺一不可；

●尽量利用计算机系统成熟的人机接口；

●要逐渐实现智能化；

●在满足系统功能的基础上，设计时以小型、廉价

为原则，提高整个机电一体化系统的性价比。

4.3人机接口

⏹输入接口

Ø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。

4.3人机接口

⏹简单开关输入接口设计

输入

波形

上拉电阻

输

入

口

OFF:

高电平

ON:

低电平

4.3人机接口

⏹简单开关输入接口设计

无抖动

开关：

OFF

开关：

高电平

低电平

时间

有抖动

开关：

OFF

开关：

发生抖动的时间

10ms以下

4.3人机接口

⏹简单开关输入接口设计

Ø硬件去抖

开关：

OFF

开关：

积分后

的输出

史密斯

触发器

史密斯触发

器的输出

积分电路

（a）硬件去抖电路

（b）信号波形

4.3人机接口

⏹简单开关输入接口设计

Ø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，

延时一段时间再进行检测，若两次检测到的开关

状态相同则认为有效，否则按键抖动处理。

延时

时间应大于抖动时间。

4.3人机接口

⏹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，通常有两种方

法：

●通过硬件电路来识别——称为编码键盘；

●通过软件方法来识别——称为非编码键盘。

（2）消除按键抖动

4.3人机接口

⏹键盘输入接口设计

非编码键盘按键识别：

●确定是否有键按下；

●确定按键的行列位置；

PC5

PC4

PC3

PC2

PC1

PC0

●确定是否有多个键同

时按下。

8155

01234

PB4

PB3

PB2

PB1

PB0

4.3人机接口

⏹输出接口

Ø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。

Ø机电一体化系统中常见的输出接口有LED数码管、

LCD显示器、打印机等。

4.3人机接口

⏹LED显示器的结构与原理

+5V

Rx8

gfGNDab

109876

12345

edGNDcdp

（a）共阴极

（b）共阳极

（c）管脚配置

七段LED显示块

4.3人机接口

⏹LED显示器的结构与原理

Ø静态显示

8255

PC0…PC7PB0…PB7PA0…PA7

三位静态显示接口

4.3人机接口

⏹LED显示器的结构与原理

Ø动态显示

当位数很多时，用静态显示所需的占用的I/O口

太多。

动态显示是一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。

显示器的亮度与导通电流有关，也与点

亮时间和间隔时间的比例有关。

4.3人机接口

⏹LED显示器的结构与原理

Ø动态显示

+5V

8031

8155

BIC8718x2

PB0

PB1

PB2

PB3

PB4

PB5

PB6

PB7

AD0

AD7

6A7Y

ALE

P27

P20

ALE

IO/M

dpgfedcba

........

PA0

PA1

PA2

PA3

PA4

PA5

PA6

PA7

1A1Y

2A2Y

3A3Y

4A4Y

5A5Y

6A6Y

7A7Y

8A8Y

RESET

Vcc

RESET

Vss

Vcc

+5V

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

Ø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机电接口

⏹输入接口

Ø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，

需要模拟到数字的转换接口ADC。

4.4机电接口

⏹A/D转换器的简介

●A是模拟，D是数字，A/D转换。

完成模数转换的

电路被称为A/D转换器，模数转换器即A/D转换器，

简称ADC（AnalogtoDigitalConverter），通常是

指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。

●A/D转换器最重要的参数是转换的精度，通常用

输出的数字信号的位数的多少表示。

转换器能够准

确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分

辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。

故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为

转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换

信号大小。

而输出的数字量则表示输入信号相对于

参考信号的大小。

4.4机电接口

⏹输入接口

50kHzCPCLKD0

EOC

微

机

接

口

直流放大器

TNADD7

0809

+5VVref+

Vref-

IOR

PSR

IOW

OE>=

ALE

传感器

+5V

4.4机电接口

⏹输出接口

Ø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，需要数字到模拟的转换接口DAC。

4.4机电接口

⏹输出接口

ØD/A转换器的种类及特点

名称加权电T型脉冲调频率调加权恒

阻型

制型制型流型

转换时间中短长

分辨率低中中

长

短

高

结构简单简单较复杂较复杂较复杂

4.4机电接口

⏹输出接口

ØD/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。

4.4机电接口

⏹输出接口

ØD/A转换器的输入/输出特性

●DAC是系统或设备中的一个功能元件，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：

输入缓冲能力、输入码制、输入数据

的宽度、输出是电流型还是电压型、是单极性

输出还是多极性输出等。

4.4机电接口

⏹输出接口

ØD/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，这一点在

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。

作业题

⏹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。

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