机械电子学第三章-接口技术

第三章接口技术,3.1概述3.2人机接口3.3机电接口,3.1概述,一、接口定义及作用二、接口的分类和特点,组成机电一体化系统的各要素和子系统之间相接处必须具备一定的联系条件，这个联系条件，通常被称为接口，简单地说就是各子系统之间以及子系统内各模块之间相互联接的硬件及相关协议软件。从某种意义上讲，机电一体化产品的设计，就是在根据功能要求选择了各要素后，所进行的接口设计。从这一观点出发，机电一体化产品的性能很大程度上取决于接口的性能，即各要素和各子系统之间的接口性能是机电一体化系统性能好坏的决定性因素。因此，接口设计是机电一体化产品设计的关键环节。,一、接口定义及作用,从不同的角度及工作特点出发，机电一体化系统的接口有多种分类方法。根据接口的变换和调整功能，可将接口分为零接口、被动接口、主动接口和智能接口；根据接口的输入/输出对象，可将接口分为机械接口、物理接口、信息接口与环境接口等；根据接口的输入/输出类型，可将接口分为数字接口、开关接口、模拟接口和脉冲接口。本章根据接口所联系的子系统不同，以信息处理系统(微电子系统)为出发点，将接口分为人机接口与机电接口两大类，对各子系统内部接口不作具体介绍。,二、接口的分类和特点,1.人机接口人机接口实现人与机电一体化系统的信息交流、信息反馈，保证对机电一体化系统的实时监测、有效控制；由于机械与电子系统工作形式、速率等存在极大的差异，人机接口还起着调整、匹配、缓冲的作用。人机接口又包括输入接口与输出接口两类。通过输入接口，操作者向系统输入各种命令及控制参数，对系统运行进行控制；通过输出接口，操作者对系统的运行状态、各种参数进行监测。,二、接口的分类和特点,2.机电接口按照信息和能量的传递方向，机电接口又可分为信息采集接口（传感器接口）与控制输出接口。信息处理系统通过信息采集接口接受传感器输出的信号，检测机械系统运行参数，经过运算处理后，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，以调节机械系统的运行状态，使其按要求动作。,二、接口的分类和特点,总体来讲，机电一体化系统对接口的要求是：能够输入有关的状态信息，并能够可靠地传送相应的控制信息；能够进行信息转换，以满足系统对输入与输出的要求；具有较强的阻断干扰信号的能力，以提高系统工作的可靠性。,二、接口的分类和特点,3.2人机接口,一、人机接口类型及特点二、输入接口三、输出接口,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，可以分为两大类：输入接口与输出接口。常用的输入设备有控制开关、BCD二十进制码拨盘、键盘等，常用的输出设备有状态指示灯、七段数码管、蜂鸣器、触摸屏、文本显示器等等。人机接口作为人机之间进行信息传递的通道，具有以下一些特点：,一、人机接口类型及特点,1.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，以提高系统的工作效率；3.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、廉价型为原则。,一、人机接口类型及特点,1.主令电器接口开关、按钮、行程开关、转换开关等主令电器类。,二、输入接口,二、输入接口,图中的PLC为直流汇点式输入，即所有输入点共用一个公共端COM，同时COM端内带有DC24V电源。,PLC与主令开关接线示意图,十键输入-如何用按钮向PLC输入4位数字,下图表明TKY指令的另一次执行情况。依次按下X2、X1、X3、X0，则目标D0的当前值为2130，M12、M11、M13、M10记录每一次按键被接通的情况。,TKY指令执行情况,十六键输入（HKY）,1.十六键输入指令的助记符和功能见表5-53所示。,3.说明(1)HKY是用16键写入数值和输入功能的指令，它是通过扫描目标（D1.）的4个输出(图中为Y0、Y1、Y2、Y3)和源（S.）的4个输入(X0、X1、X2、X3)来读取16个不同的软元件，可存储09的十进制数，同时设置其余六个标志位。目标（D2.）用来存储输入信号，目标（D3.）用于读出所使用的输入的元件。HKY指令适用于晶体管输出的PLC，其外部配线如图4-130所示。(2)前十个源元件(09)中每一个直接对应的数值为09。输入时如果源软元件被置位，那么相应的数值就被加到当前存放在目标（D2.）的数据串中。这些键中的任何键被按下，则将会使目标元件(D3.)+7(即M7)置位，直到该键被松开为止。,(3)最后6个源元件(AF)称为功能键，对应位元件(D3.)+0(D3.)+5(即AF对应于M0M5)。如按A键时，M0为ON；如按D键时，M3为ON，M0为OFF等。功能键中任何键被按下时将使目标元件(D3.)+6(即M6)置位，直到该键被松开为止。(4)当HKY指令用于16位操作时，目标（D2.）存储的数为09999，最大为4位数。当用于32位操作时，为099999999，最大为8位数，存储在目标元件（D2.）和（D2.）+1中。如果所有的数超过允许的范围，最高位即溢出。(6)十六键输入指令全部扫描16个键需扫描8次，需时间较长，实用上常采用一时间中断来加快16键输入信息的采集，如图所示。（7）M8167置ON时，0-F十六进制写入,2.拨盘输入接口,二、输入接口,(1).BCD码拨盘结构拨盘种类很多，作为人机接口使用最方便的是十进制输入、BCD码输出的BCD码拨盘，其结构如右图所示。,拨盘内部有一可转动圆盘，具有“09”十个位置，可以通过前面两个“+、-”按钮进行位置选择，对应每个位置，前面窗口有数字提示，拨盘后面有五根引出线，分别定义为A、1、2、4、8。当拨盘在不同位置时，1、2、4、8线的通断关系如下表所示。,二、输入接口,从表中可以看出，若将A线作为控制线，将1、2、4、8线作为数据线，当A线接到控制电平时，数据线输出的即是与拨盘位置相对应的BCD码。一片拨盘可以输入一位十进制数，当需要输入多位十进制数时，可以选用多片拨盘拼接，并通过相应的接口设计给每片拨码盘赋予相应的十进制权值。,(2)BCD码拨盘的接口(a)静态接口,二、输入接口,读入拨码开关数字的PLC程序,(b)动态接口-数字开关指令,二、输入接口,说明(1)DSW是输入BCD码开关数据的指令，它的意义为通过源（S.）指定的输入点(X10X13)，由选通目标（D1.）的Y10Y13顺序读入，作为BIN值存储到目标元件（D2.）中去。n为数字开关的组数。DSW常宜使用晶体管输出的PLC，其外部接线如图所示。当n=1时，使用一组拨码开关输入；当n=2时，使用两组拨码开关输入。第一组连接X10X13的BCD4位数字开关的数据，根据Y10Y13顺序读入，以BIN值存入到目标元件（D2.）。第二组连接X14X17的BCD4位数字开关的数据，根据Y10Y13顺序读入，以BIN值存入到目标元件（D2.）+1中。,（2）DSW指令可以作为多重扫描输出。每一次读操作完成后执行结束，标志M8029被置位。,动作时序图,目前常用的数码显示器有发光管的LED和液晶的LCD两种。1、发光二极管发光二极管是由透明半导体材料制造的在一定条件下产生自发辐射荧光的一个PN结，它具有体积小、可靠性高、寿命长等优点，可以在低压、小电流下工作，而已损耗功率小，常用的发光二极管的工作电压为23v，电流为20mA左右。,三、输出接口,发光二极管-七段数码管,发光二极管LED,7段码译码指令,指令说明(1)SEGD为驱动1位七段译码显示的指令。十六进制数与七段码显示的关系见表所示。由表可知，7段码显示中不用B7，故B7总为OFF。,2、七段数码显示与PLC的接口,(2)SEGD指令的意义是将源(S.)的低4位指定的十六进制数据译成七段码显示的数据存入目标元件（D.）中，（D.）的高8位不变。,带锁存七段码显示（SEGL）,说明(1)SEGL的意义是将十进制值(源S.)写到一组4路扫描的软元件（D.）中，驱动由4个七段码显示单元组成的显示器中。本指令最多可以带两组显示器。显示器共享选通脉冲输出信号(D.)+4(D.)+7，下图中为Y4Y7.第一组的数据由Y0Y3输出，第二组数据由Y10Y13输出。下图是应用SEGL指令的外接线图。,(2)当n=03时，为4位1组，D0为二进制数，经BCD换算，最大范围为09999，由Y0Y3输出。当n=47，为4位2组，D0向Y0Y3输出，D1向Y10Y13输出。选通脉冲信号Y4Y7共用，按顺序输出。当完成4位数输出后，完成标志M8029置1。(3)参数n=07，其选择按PLC的正负逻辑和七段码的正负逻辑来定,方向开关（ARWS）,1.方向开关指令的助记符和功能见表5-59所示：,3.说明(1)ARWS为通过方向开关可以改变目标(D1.)显示在4位七段数码管上数值的指令,见图5-139所示。目标(D1.)为存储16位BCD码(09999有效)数据,源(S.)是首址为X10的方向开关。,文本显示器/终端显示器TerminalPanel,终端显示器是一种以纯文字的形式，把电气工程师预先编好的程序代码呈现屏幕上的一种人机互动系统。,触摸屏,实例：PLC与文本显示器控制气缸,控制要求：文本显示器显示当前工作的日期和时间。按下文本显示器启动按钮气缸开始往复运动，气缸运动到左极限位置时停歇一段时间，停歇的时间可以通过文本显示器输入。按下文本显示器停止按钮，气缸停止运动。,PLC控制程序,文本显示器控制程序,3.3机电接口,一、A/D与D/A转换接口（FX0N-3A）二、A/D转换接口（FX2N-2AD）三、D/A转换接口（FX2N-2DA）,机电接口是指机电一体化产品中的机械装置与控制微机间的接口。按照信息的传递方向，机电接口分为信息采集接口和控制量输出接口。信息采集接口在机电一体化产品中，控制微机要对机械执行机构进行有效控制，就必须随时对机械系统的运行状态进行监视，随时检测运行参数，例如温度、速度、压力、位置等。控制输出接口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系统的运行状态，使其按设计要求运行。例如PLC通过模拟量输出接口向变频器输入数据，从而控制电动机转速。,一、A/D与D/A转换接口（FX0N-3A）,1、FX0N-3A简介,FX0N-3A模拟特殊功能块有两个输入通道和一个输出通道，输入通道接收模拟信号并将模拟信号转换成数字值；输出通道采用数字值并输出等量模拟信号。FX0N-3A的最大分辨率为8位。在输入/输出基础上选择的电压或电流由用户接线方式决定。可以与FX2NFX1N连接。,2、规格性能,2、规格性能,3、端子接线,模块不允许两个通道有不同的输入特性。如果电压输入/输出方面出现任何波动或者有过多的电噪音，则要在线路上并上电容器。A/DOFFSET：输入（模拟量转数字量）偏置校准电位器；A/DGAIN：输入（模拟量转数字量）增益校准电位器；D/AOFFSET：输出（数字量转模拟量）偏置校准电位器；D/AGAIN：输出（数字量转模拟量）增益校准电位器。,3、端子接线,4、缓冲存储器的分配（BFM）,BFM0：把外部模拟信号通过转换成数字值后存储在这里。BFM16：把主机传送过来的数据存储在这里，准备通过转换后输出控制负载。BFM17：b0=0时选择模拟输入通道1；b0=1时选择模拟输入通道2；b1=01时，启动A/D转换处理；b2=01时，启动D/A转换处理。,5、校准,出货时默认状态，010VDC输入/输出选择了0250范围，如果需要电流输入/输出其他电压输入/输出，请重新调整偏置和增益。如何校准参照FX特殊功能模块说明书进行。,6、读写特殊功能模块指令（FROM/TO）,FROM指令：注释：从特殊模块（单元）No.1的缓冲存储器（BFM）29#中读出16位数据传送至上位机PLC的K4M0中。,TO指令：,6、读写特殊功能模块指令（FROM/TO）,注释：上位机PLC中D0、D1的数据分别写入No.0的缓冲存储器（BFM）12#、13#中。,7、模拟输入输出程序实例,7、模拟输入输出程序实例,8、工程实例,压力传感器,a、（注意需要校准）选用FX0N-3A模块，接在PLC的0号位置b、输入输出特性曲线,c、控制程序,二、A/D转换接口（FX2N-2AD）,二、A/D转换接口（FX2N-2AD）,FX2N-2AD模块将接收的2点模拟输入（电压输入和电流输入）转换成12位二进制的数字量，存储在PLC（FX0N，FX2N，FX2NC）中。,缓冲存储器（BFM）分配,FX2N-2AD模拟量模块内部有一个数据缓冲存储器（BFM）区，它由32个16位的寄存器组成，编号为BFM#0#31，数据缓冲寄存器区的内容可以通过PLC的FROM和TO指令来读、写。,BFM#0：由BMF#17（低8位数据）指定的通道的输入数据当前值被存储。当前值数据以二进制形式存储。,BFM#1：输入数据当前值（高端4位数据）被存储。当前值数据以二进制形式存储。,BFM#17：b0为0，表示选择模拟输入通道1；b0为1，表示选择模拟输入通道2；b1从0到1，启动A/D转换。,数据输入梯形图,FX2N-2DA的技