《计算机接口设计》PPT课件

1、在机电一体化系统中，计算机控制器是整个系统的核心，它通过计算机接口与检测设备和驱动系统联系。计算机接口技术就是研究计算机控制器与外围设备交换信息的技术，它在计算机控制中占有相当重要的地位。,2、计算机接口技术概括起来一般分为如下几种：人机交互接口技术。一般包括键盘接口技术、显示接口技术、打印接口技术等。计算机过程输入接口技术。一般包括AD转换接口技术、频率量输入接口技术、开关量输入接口技术等。计算机过程输出接口技术。一般包括DA转换接口技术、频率量输出接口技术、开关量输出接口技术等。系统间通信接口技术。一般包括CAN通信技术、RS232、RS485通信技术等。,3、人机交互接口是操作者与机电一体化系统(主要是计算机控制器)之间进行信息交换的接口。按信息的传递方向，人机接口可以分为两大类：输入接口与输出接口。人机交互接口具有专用性、低速性、高性价比等特点，设计时需要予以考虑。4、人机交互接口的作用：操作者通过输入接口向计算机控制器输入各种控制命令，对系统运行进行控制，实现系统要求完成的各项功能及任务；同时计算机控制器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。,4、常用的输入设备：按钮、开关、拨码盘、键盘、触摸屏等。,5、常用的输出设备：状态指示灯、扬声器、数码管显示器、LCD显示器等。,6、对于一些二值化的控制命令和参数，可采用开关作为人机交互的输入设备。如启动/停止，前进/后退等。,7、结合简单开关输入电路原理图，说明电路功能及如何选择上拉电阻的大小。P277电路功能：1）实现开关状态向逻辑电平的转换，供单片机采样；2）当开关断开时，高电平5V送给单片机采样；3）当开关闭合时，低电平0V送给单片机采样。电阻选择：1）阻值不能过大，阻值过大会降低传输的高电平值；2）阻值不能过小，阻值过小会增大电路功耗；3）上拉电阻应全面考虑开关的触点电流和整个电路的功耗再确定，通常10K左右。,8、抖动的危害及硬件去抖与软件去抖。P278硬件去抖：利用电容的积分作用消除按键机械振动带来的信号抖动；利用施密特触发器将信号波形转换成上升沿和下降沿陡峭的标准信号供控制器采集。软件去抖：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。,图4.3硬件去抖电路及其工作原理,9、若机电一体化系统需要输入少量的参数，如修正系数、控制目标等，采用拨码盘较为方便，这种方式具有保持性。,10、BCD拨码盘的输入输出状态表,11、当需要输入的指令或参数比较多时，可以选择键盘作为输入接口。常见的键盘为4X4矩阵式键盘。12、结合下图说明4X4矩阵键盘的工作原理。P281,1、当无键按下时，行线呈高电平。2、当键盘上某键按下时，则该键对应的行线与列线被短路，此时行线的电平由列线的电位决定。3、行线X0X3接至单片机的输入口P1.0P1.3，列线Y0Y3接至单片机的输出口P1.4P1.7。4、在单片机的控制下，依次从P1.4P1.7扫描输出低电平，则通过对P1.0P1.3的读取即可判断按键闭合的状态。,图4.7扫描方式键盘接口电路,13、设计按键处理程序时，应考虑的四项功能。P281判断键盘上有无按键闭合在扫描线P1.7P1.4上全部送0，然后读取P1.3P1.0状态，若全部为1，则无按键闭合，若不全为1，则有键闭合。去除按键的机械抖动延时10ms，重新扫描按键状态，若仍不全为1，则认为按键闭合有效，否则认为前述按键闭合是由机械抖动或干扰引起。判断闭合按键的键号扫描按键，读取闭合按键键号。功能操作CPU对按键的一次闭合仅进行一次功能操作。等待闭合按键释放后，再将键号送入存储器。,14、对于一些二值化的状态显示，可以采用简单的LED发光管来指示。如运行/停止，正常/故障等。15、设计一个基于三极管的状态指示灯控制电路，并说明电路的工作原理。1）三极管的作用是电流放大，电阻的作用是限定电流，使流过LED的电流刚好大于点亮电流；2）当单片机输出高电平时，三极管截止，LED灯不亮；3）当单片机输出低电平时，三极管导通，LED灯点亮。,图4.10状态指示灯控制电路,16、对于简单参数的显示，如温度、电压、电流等可以采用数码管来完成，其具有成本低、可靠性强、控制灵活方便等优点，是机电一体化系统中应用非常广泛的输出设备。数码管有两类：共阳极数码管和共阴极数码管。,17、对于共阳极数码管，若a、b、c、d、e、f、g、dp控制引脚的状态依次为00000011,则显示值为数字“0”；对于共阴极数码管，若a、b、c、d、e、f、g、dp控制引脚的状态依次为10011110,则显示值为字符“E”。,18、点亮LED数码管有静态和动态两种方法。所谓静态显示就是数码管显示某一字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止。静态显示时，较小的电流能得到较高的亮度，所以可以由单片机IO口直接驱动，静态显示方法适合与显示位数少的情况。当位数较多时，用静态显示需要占用太多的IO口，所以，一般采用动态显示的方法。所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位数码管，即扫描点亮。数码管的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和扫描间隔时间有关。通过调整电流和时间参数，可以实现高亮度、高稳定的显示。动态显示需要电流较大，一般需要在单片机和数码管之间增加驱动电路。,19、对于文本、图形等复杂参数的显示，可以采用LCD液晶屏来完成，其具有低压微功耗、显示信息量大、显示内容直观等优点，是机电一体化系统中应用非常广泛的输出设备。从显示内容来分，LCD液晶屏有字段型、点阵字符型和点阵图形型三类。,20、下图是HC16202字符型LCD模块与单片机接口电路图，说明关键引脚RS、R/W、E、V0的作用，并分析控制端口地址。,RS是数据/指令选择端，高电平时访问数据寄存器，低电平时访问指令寄存器；R/W是读写选择端，高电平时表示读LCD模块，低电平时表示写LCD模块；E为LCD使能信号，高电平时芯片使能，可以工作；V0是LCD亮度调节端，随着输入电压的变化亮度也随之变化。写指令端口地址为10H读指令端口地址为12H写数据端口地址为11H读数据端口地址为13H,20、下图是HC16202字符型LCD模块与单片机接口电路图，说明关键引脚RS、R/W、E、V0的作用，并分析控制端口地址。,图4.17HC16202字符型LCD模块与单片机接口电路,21、在一个机电一体化产品中，控制微机要对机械装置进行有效控制，使其按预定的规律运行，完成预定的任务，就必须随时对机械系统的运行状态进行监控，随时检测各种工作和运行参数，如位置、速度、转矩、压力、温度等。控制系统检测的信号概括起来有三种：开关信号(如限位开关、时间继电器等)、模拟信号(如热敏电阻、应变片等)、频率信号(如霍尔速度传感器、超声波无损探伤等)。针对不同性质的信号，过程输入通道接口要对其进行不同的处理，例如对模拟信号必须进行模数转换变成微机可以接受的数字量再传送给微机。,22、模拟量输入通道的任务是对过程量（即模拟量）进行变换、放大、采样和模/数转换，使其变为二进制数字量并输入到计算机。典型的模拟量输入通道的结构如图4.18所示，它主要由传感器、放大电路、多路转换开关、采样保持、A/D转换和控制接口电路等组成。,23、模拟量输入通道是计算机控制系统的信号采集通道，从信号的传感、变换到计算机输入，都必须考虑。具体要解决的问题包括信号拾取、信号调节、A/D转换、电源配置和防止干扰等。,24、多路转换器又称多路开关。在分时检测时，利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A/D转换器上。为了提高过程参数的检测精度，对多路开关提出了较高的要求，例如接通电阻要很小、开路电阻要很大、切换速度要快、寿命长、工作可靠等。,25、多路转换开关的类型多路开关有两类：一类是机械触点式，如干簧继电器、水银继电器和机械振子式继电器；另一类是电子式开关，如晶体管、场效应管及集成电路开关等。,机械触点式开关,电子式开关,优点是接触电阻小、断开时阻抗高、工作寿命长；缺点是体积大、工作频率不高(最大400Hz)、剩磁效应影响触点断开。,优点是工作频率高、开关速度快、体积小、寿命长；缺点是导通电阻大、不完全隔离，影响小信号的测量精度。,26、下图是集成多路转换器与单片机8031的接口电路图分析其控制逻辑关系。,27、为什么要采样保持？模/数转换器完成一次完整的转换过程需要一定的时间，我们叫转换时间。对变化快的模拟信号来说，转换时间将引起转换误差，这个误差我们叫孔径误差。信号频率越高，孔径误差也就越大。为了在满足转换精度的条件下，提高信号允许的工作频率，需要在模/数转换前加入采样保持器。28、选择采样保持器时主要需要考虑的因素：输入信号范围、输入信号变化率、多路转换器的切换速度、采集时间等。若输入模拟信号变化缓慢、模数转换器转换速度相对很快，可以不用采样保持器。,29、A/D转换器的主要技术指标：1)转换时间和转换速度。转换时间是A/D完成一次转换所需要的时间。转换时间的倒数即为转换速率。2)分辨率。A/D转换器的分辨率习惯上用输出二进制位数或BCD码位数表示。12位AD的分辨率为1/212。3）A/D转换精度。A/D转换精度定义为一个实际A/D转换器与一个理想A/D转换器在量化值上的差值，可用绝对误差和相对误差表示。30、ADC0809是一种8路模拟输入、8位数字输出的逐次比较式A/D转换器。其内部由8路模拟开关、地址锁存与译码器、A/D转换器和三态输出锁存器组成。模拟开关的作用是允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器的作用是用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。,31、结合下图说明ADC0809的工作过程,ADC0809的工作过程如下：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到AD转换器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当ENABLE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。,32、8位AD转换芯片，基准电压为5V，若输出的数字量为0 x7F，则输入模拟量电压值为2.5V。,图4.34ADC0809与8031的接口逻辑,ADC0809的8位数字量输出端D0D7，直接与单片机的数据总线连接，单片机的P2.7引脚与/RD或/WR控制对ADC0809的读写。8路模拟量输入端IN0IN7，输入待采集的模拟信号。A、B、C：模拟量输入通道地址选择线，其8种编码分别对应IN0IN7。,33、ADC0809与单片机的接口,单片机控制ADC时，可采用查询和中断控制两种方式。查询方式是单片机把启动信号送到ADC之后执行别的程序，同时对0809的EOC引脚的状态进行查询，以检查ADC变换是否已经结束，如查询到变换已经结束，则读入转换完毕的数据。中断控制方式是在启动信号送到ADC之后，单片机执行别的程序。0809转换结束并向单片机发出中断请求信号时，单片机响应此中断请求，进入中断服务程序，读入转换数据。中断控制方式效率高，所以特别适用于变换时间较长的ADC。ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。,34、开关量（数字量）大致可分为三种形式：机械有触点开关量、电子无触点开关量和非电量开关量。不同的开关量要采用不同的变换方法。35、继电器、接触器、开关、行程开关、阀门、按钮等都属于机械有触点开关。机械有触点开关常用的三种变换方式：控制系统自带电源方式、外接电源方式、恒流源方式。控制系统自带电源方式一般用于开关安装位置离控制系统较近的场合，供电电源为直流24V以下；外接电源方式适合于开关安装在离控制系统较远位置的场合。外接电源可采用直流或交流形式；恒流源方式适用于抗干扰能力要求高、传输距离较远的场合。电流一般取010mA，即触点闭合时输出电流为10mA，触点断开时输出电流为0。,36、下图为并联式机械有触点开关检测电路，开关K1闭合时，Vo输出为高电平；开关K1断开时，Vo输出为低电平。,图4.39并联式机械有触点开关检测电路,37、固态继电器、功率电子器件、模拟开关、三极管等都属于电子无触点开关。电子无触点开关量的特点是开关速度快、开关与主电路没有完全隔离。下图为串联式电子无触点开关检测电路，Vi输入高电平时，三极管导通，Vo输出为低电平；Vi输入低电平时，三极管截止，Vo输出为高电平。,图4.39电子无触点开关量变换电路,38、下图为开关量整形与电平变换的典型电路图，试说明电路中各元件的作用及功能。,1、FB5、CT5、C17的作用：去除毛刺尖峰；2、R1、WD1的作用：利用稳压管WD1设置导通门限电压为30V，大于30V，导通，小于30V截止，提高抗干扰能力；3、光耦TLP1的作用：电气隔离与电平转换；4、斯密特触发器U10的作用：波形整形，转换成标准方波信号；,图4.41开关量整形与电平变换典型电路图,39、根据计算机控制系统的功能要求，CPU对开关量输入信号的处理形式主要有三种：开关状态检测、脉宽测量和脉冲计数。开关状态检测可以由74LS244完成；脉宽测量和脉冲计数可以由8253完成。,40、控制微机通过信息采集接口检测机械系统的状态，经过运算处理，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，驱动执行元件去调节机械系统的运行状态，使其按设计要求运行。,41、模拟量输出通道的任务是把微型机输出的数字量变换成模拟量，这个任务主要由D/A转换器来完成，DA转换器：即数模转换器，就是把数字信号转换成模拟信号的器件，常见的有DAC0832、DAC1208等。对于模拟量输出通道，要求可靠性高，满足一定的精度，还必须具有保持的功能。模拟量输出通道有两种基本结构形式：独立D/A转换器形式和共用D/A转换器形式。,42、在D/A转换器接口设计中，主要考虑的问题是D/A转换芯片的选择、数字量码的输入及模拟量的极性输出、参考电压电流源、模拟电量输出的调整与分配等。,43、D/A转换器的主要技术指标。分辨率：分辨率通常用数字量的位数表示，如8位、10位、12位、16位等。分辨率越高，对输入量的微小变化的反应越灵敏。输出形式：电压输出形式或电流输出形式。电流输出的D/A转换器，如需模拟电压输出，可在其输出端加一个I-V转换电路。输出信号范围：一般输出电压范围05V，010V，-5V+5V，-10V+10V等；一般输出电流的范围020mA。转换时间：完成一次DA转换所需的时间称为转换时间。不同型号、不同分辨率的器件，其转换时间长短相差很大，可能为几十纳秒到几微秒。工作温度范围：由于温度会对运算放大器和电阻解码网络等产生影响，所以只有在一定的温度范围内才能保证额定的转换指标。较好的转换器件工作温度为-4085，较差者为070。,44、D/A转换基本原理DA转换器的基本功能是将一个用二进制表示的数字量转换成相应的模拟量。转换的基本方法是将其每一位都转换成相应的模拟量(电压或电流)，然后求叠加和，即得到与数字量成正比的模拟量，一般的数模转换器都是按这一原理设计的。45、R-2R网络型DA转换器主要由三部分构成，即R-2R电阻网络和受输入数字量控制的电子开关组及运算放大器构成的电流电压转换器。电子开关组受输入二进制数据D0D7控制，当某一位为“1”时，电子开关闭合，当某一位为“0”时，则电子开关断开。,上图为R-2R网络型DA转换器的原理图。思考1：设VREF=5V，输入数字量=11001000，那么DA转换结果=？思考2：设VREF=5V，要输出3V的模拟信号，那么输入数字量=？IREF=REF/RI7=IREF/2I6=IREF/4I5=IREF/8I4=IREF/16I3=IREF/32I2=IREF/64I1=IREF/128I0=IREF/256iE=I7D7+I6D6+I5D5+I4D4+I3D3+I2D2+I1D1+I0D0=VREF/(28R)(27D7+26D6+25D5+24D4+23D3+22D2+21D1+20D0)通过放大器将电流iE转换成输出电压VoVo=-iER=(VREF/28)(27D7+26D6+25D5+24D