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淺談機(jī)電一體化中的接口技術(shù)
摘要：接口技術(shù)是在機(jī)電一體化技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展而變得越來越重要。文章以機(jī)電一體化控制系統(tǒng)(微電子系統(tǒng))為例，將接口分為人機(jī)接口與機(jī)電接口兩大類進(jìn)行探討。
關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化;接口技術(shù);人機(jī)接口;機(jī)電接口
機(jī)電一體化系統(tǒng)可分為機(jī)械和微電子系統(tǒng)兩大部分，各部分連接須具備一定條件，這個聯(lián)系條件通常稱為接口。各分系統(tǒng)又由各要素(子系統(tǒng))組成。本文以機(jī)電一體化控制系統(tǒng)(微電子系統(tǒng))為例，將接口分為人機(jī)與機(jī)電接口兩大類。
一、機(jī)電接口
由于機(jī)械系統(tǒng)與微電子系統(tǒng)在性質(zhì)上有很大差別，兩者間的聯(lián)系須通過機(jī)電接口進(jìn)行調(diào)整、匹配、緩沖，因此機(jī)電接口起著非常重要的作用：
(1)行電平轉(zhuǎn)換和功率放大。一般微機(jī)的I/O芯片都是TTL電平，而控制設(shè)備則不一定，因此必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換;另外，在大負(fù)載時還需要進(jìn)行功率放大;
(2)抗干擾隔離。為防止干擾信號的串入，可以使用光電耦合器、脈沖變壓器或繼電器等把微機(jī)系統(tǒng)和控制設(shè)備在電器上加以隔離;
(3)進(jìn)行A/D或D/A轉(zhuǎn)換。當(dāng)被控對象的檢測和控制信號為模擬量時，必須在微機(jī)系統(tǒng)和被控對象之間設(shè)置A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路，以保證微機(jī)所處理的數(shù)字量與被控的模擬量之間的匹配。
1、模擬信號輸入接口。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，反映被控對象運(yùn)行狀態(tài)信號是傳感器或變送器的輸出信號，通常這些輸出信號是模擬電壓或電流信號(如位置檢測用的差動變壓器、溫度檢測用的熱偶電阻、溫敏電阻、轉(zhuǎn)速檢測用的測速發(fā)電機(jī)等)計算機(jī)要對被控對象進(jìn)行控制，必須獲得反映系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)信號，而計算機(jī)只能接受數(shù)字信號，要達(dá)到獲取信息的目的，就應(yīng)將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的接口——模擬信號輸入接口。
2、模擬信號輸出接口。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，控制生產(chǎn)過程執(zhí)行器的信號通常是模擬電壓或電流信號，如交流電動機(jī)變頻調(diào)速、直流電動機(jī)調(diào)速器、滑差電動機(jī)調(diào)速器等。而計算機(jī)只能輸出數(shù)字信號，并通過運(yùn)算產(chǎn)生控制信號，達(dá)到控制生產(chǎn)過程的目的，應(yīng)有將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬電信號的接口——模擬信號輸出接口。任務(wù)是把計算機(jī)輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓或電流信號，以便驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行器，達(dá)到控制對象的目的。模擬信號輸出接口一般由控制接口、數(shù)字模擬信號轉(zhuǎn)換器、多路模擬開關(guān)和功率放大器幾部分構(gòu)成。
3、開關(guān)信號通道接口。機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，需要經(jīng)常處理一類最基本的輸入/輸出信號，即數(shù)字量(開關(guān)量)信號包括：開關(guān)的閉合與斷開;指示燈的亮與滅;繼電器或接觸器的吸合與釋放;電動機(jī)的啟動與停止;閥門的打開與關(guān)閉等。這些信號的共同特征是以二進(jìn)制的邏輯“1”和“0”出現(xiàn)的。在機(jī)電一體化控制系統(tǒng)中，對應(yīng)二進(jìn)制數(shù)碼的每一位都可以代表生產(chǎn)過程中的一個狀態(tài)，此狀態(tài)作為控制依據(jù)。
(1)輸入通道接口。開關(guān)信號輸入通道接口的任務(wù)是將來自控制過程的開關(guān)信號、邏輯電平信號以及一些系統(tǒng)設(shè)置開關(guān)信號傳送給計算機(jī)。這些信號實(shí)質(zhì)是一種電平各異的數(shù)字信號，所以開關(guān)信號輸入通道又稱為數(shù)字輸入通道(DI)。由于開關(guān)信號只有兩種邏輯狀態(tài)“ON”和“OFF”或數(shù)字信號“1”和“0”，但是其電平一般與計算機(jī)的數(shù)字電平不相同，與計算機(jī)連接的接口只需考慮邏輯電平的變換以及過程噪聲隔離等設(shè)計問題，它主要由輸入緩沖器、電平隔離與轉(zhuǎn)換電路和地址譯碼電路等組成。
(2)輸出通道接口。開關(guān)信號輸出通道的作用是將計算機(jī)通過邏輯運(yùn)算處理后的開關(guān)信號傳遞給開關(guān)執(zhí)行器(如繼電器或報警指示器)。它實(shí)質(zhì)是邏輯數(shù)字的輸出通道，又稱為數(shù)字輸出通道(DO)。DO通道接口設(shè)計主要考慮的是內(nèi)部與外部公共地隔離和驅(qū)動開關(guān)執(zhí)行器的功率。開關(guān)量輸出通道接口主要由輸出鎖存器、驅(qū)動器和輸出口地址譯碼電路等組成。
二、人機(jī)接口
人機(jī)接口是操作者與機(jī)電系統(tǒng)(主要是控制微機(jī))之間進(jìn)行信息交換的接口。按照信息的傳遞方向，可以分為輸入與輸出接口兩大類。機(jī)電系統(tǒng)通過輸出接口向操作者顯示系統(tǒng)的各種狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)及結(jié)果等信息;另一方面，操作者通過輸入接口向機(jī)電系統(tǒng)輸入各種控制命令，干預(yù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)所要求的功能。
1、輸入接口。
(1)撥盤輸入接口。撥盤是機(jī)電一體化系統(tǒng)中常見的一種輸入設(shè)備，若系統(tǒng)需要輸入少量的參數(shù)，如修正系數(shù)、控制目標(biāo)等，采用撥盤較為方便，這種方式具有保持性。撥盤的種類很多，作為人機(jī)接口使用最方便的是十進(jìn)制輸入、BCD碼輸出的BCD碼撥盤。BCD碼撥盤可直接與控制微機(jī)的并行口或擴(kuò)展口相連，以 BCD碼形式輸入信息。
(2)鍵盤輸入接口。鍵盤是一組按鍵集合，向計算機(jī)提供被按鍵的代碼。常用的鍵盤有：
1)編碼鍵盤，自動提供被按鍵的編碼(如ASCII碼或二進(jìn)制碼);
2)非編碼鍵盤，僅僅簡單地提供按鍵的通或斷(“0”或“1”電位)，而按鍵的掃描和識別，則由設(shè)計的鍵盤程序來實(shí)現(xiàn)。前者使用方便，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高;后者電路簡單，便于設(shè)計。
2、輸出接口。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，發(fā)光二極管顯示器(LED)是典型的輸出設(shè)備，由于LED顯示器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠性高、壽命長、價格便宜，因此使用廣泛。常用的LED顯示器有7段發(fā)光二極管和點(diǎn)陣式LED顯示器。7段LED顯示器原理很簡單，是同名管腳上所加電平高低來控制發(fā)光二極管是否點(diǎn)亮而顯示不同字形的。點(diǎn)陣式LED顯示器一般用來顯示復(fù)雜符號、字母及表格等，在大屏幕顯示及智能化儀器中有廣泛應(yīng)用。
結(jié)語：
接口技術(shù)是研究機(jī)電一體化系統(tǒng)中的接口問題，使系統(tǒng)中信息和能量的傳遞和轉(zhuǎn)換更加順暢，使系統(tǒng)各部分有機(jī)地結(jié)合在一起，形成完整的系統(tǒng)。接口技術(shù)是在機(jī)電一體化技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展而變得越來越重要;同時接口技術(shù)的研究也必然促進(jìn)機(jī)電一體化的發(fā)展。從某種意義上講，機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計，就是根據(jù)功能要求選擇了各部分后所進(jìn)行的接口設(shè)計。接口的好與壞直接影響到機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制性能，以及系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，因此接口技術(shù)是機(jī)電一體化系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
參考文獻(xiàn)：
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