機(jī)電工程微電子系統(tǒng)接口技術(shù)分析

陳寧

【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(lái)的，隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展而變得越來(lái)越重要;同時(shí)接口技術(shù)的研究也必然促進(jìn)機(jī)電一體化的發(fā)展。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)。本文分述了接口技術(shù)的內(nèi)涵、功能、分類(lèi)，并從微電子系統(tǒng)的角度詳細(xì)分析了接口技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】機(jī)電一體化;接口技術(shù);微電子;系統(tǒng)

1、機(jī)電接口技術(shù)的內(nèi)涵

機(jī)電一體化系統(tǒng)是機(jī)械、電子和信息等功能各異的技術(shù)融為一體的綜合系統(tǒng)，其子系統(tǒng)之間的接口極為重要，從某種意義上說(shuō)，機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是接口的設(shè)計(jì)。但現(xiàn)在對(duì)于機(jī)電接口技術(shù)的研究較少，通過(guò)對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)進(jìn)行總結(jié)和歸納，我們提出了機(jī)電接口技術(shù)的概念，形成了如下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

2、機(jī)電一體化系統(tǒng)接口（簡(jiǎn)稱(chēng)機(jī)電接口）的功能

機(jī)電接口傳遞和轉(zhuǎn)換信息和能量，并將機(jī)電一體化各組成技術(shù)的特性融為一體。機(jī)電接口包括硬件和軟件，硬件主要在子系統(tǒng)之間或人與機(jī)電一體化系統(tǒng)之間建立連接，為信息和能量的輸入/輸出、傳遞和轉(zhuǎn)換提供物理通道。軟件主要是提供系統(tǒng)信息交互、轉(zhuǎn)換、調(diào)整的方法和過(guò)程，協(xié)調(diào)和綜合機(jī)電一體化組成技術(shù)，使各子系統(tǒng)集成并融合為一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)新的功能。

3、機(jī)電接口的分類(lèi)

機(jī)電接口包括人機(jī)接口、動(dòng)力接口、智能接口和機(jī)電接口4類(lèi)。

（1）人機(jī)接口。人與機(jī)電一體化系統(tǒng)之間的接口，通過(guò)此接口，可以監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，控制其運(yùn)行過(guò)程，即通過(guò)人機(jī)接口能夠使系統(tǒng)按照人的意志進(jìn)行工作。人機(jī)接口是雙向的，硬件包括輸入/輸出設(shè)備，主要有顯示屏、鍵盤(pán)、按鈕等。

（2）動(dòng)力接口。動(dòng)力源連接到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的接口，為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供相應(yīng)的動(dòng)力。根據(jù)系統(tǒng)所需的動(dòng)力類(lèi)型不同如直流電、交流電、氣動(dòng)、液壓等，動(dòng)力接口的形式也有很大的不同。但動(dòng)力接口有一個(gè)共同的特點(diǎn)，能夠通過(guò)較大的功率。

（3）智能接口。智能接口主要存在于三處，控制系統(tǒng)到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)到傳感器、傳感器到控制系統(tǒng)。智能接口的應(yīng)用情況相對(duì)比較復(fù)雜，但可以得出它的一些共性：智能接口傳遞和轉(zhuǎn)換各種信息，按照不同技術(shù)的要求改變信息形式，使不同的子系統(tǒng)、不同的技術(shù)能夠集成在一起，形成完整的系統(tǒng)。通常，智能接口是軟件表現(xiàn)出的功能連接。

（4）機(jī)電接口。執(zhí)行機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳感器之間的接口。將驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的信號(hào)，或?qū)?zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換成傳感器所需的信號(hào)。

4.機(jī)電一體化控制系統(tǒng)--微電子系統(tǒng)

4.1、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(guò)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;

4.1.1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(shí)還需要進(jìn)行功率放大;

4.1.2抗干擾隔離。為防止干擾信號(hào)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;

4.1.3進(jìn)行A/D或D/A轉(zhuǎn)換。當(dāng)被控對(duì)象的檢測(cè)和控制信號(hào)為模擬量時(shí)，必須在微機(jī)系統(tǒng)和被控對(duì)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。

4.1.3.1.模擬信號(hào)輸入接口。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，反映被控對(duì)象運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)是傳感器或變送器的輸出信號(hào)，通常這些輸出信號(hào)是模擬電壓或電流信號(hào)計(jì)算機(jī)要對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，必須獲得反映系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)信號(hào)，而計(jì)算機(jī)只能接受數(shù)字信號(hào)，要達(dá)到獲取信息的目的，就應(yīng)將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的接口――模擬信號(hào)輸入接口。

4.1.3.2.模擬信號(hào)輸出接口。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，控制生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行器的信號(hào)通常是模擬電壓或電流信號(hào)，如交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速、直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速器、滑差電動(dòng)機(jī)調(diào)速器等。而計(jì)算機(jī)只能輸出數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)運(yùn)算產(chǎn)生控制信號(hào)，達(dá)到控制生產(chǎn)過(guò)程的目的，應(yīng)有將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)的接口――模擬信號(hào)輸出接口。任務(wù)是把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓或電流信號(hào)，以便驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行器，達(dá)到控制對(duì)象的目的。

4.1.3.3.開(kāi)關(guān)信號(hào)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(lèi)最基本的輸入/輸出信號(hào)，即數(shù)字量（開(kāi)關(guān)量）信號(hào)包括：開(kāi)關(guān)的閉合與斷開(kāi);指示燈的亮與滅;繼電器或接觸器的吸合與釋放;電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與停止;閥門(mén)的打開(kāi)與關(guān)閉等。這些信號(hào)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(duì)應(yīng)二進(jìn)制數(shù)碼的每一位都可以代表生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)狀態(tài)，此狀態(tài)作為控制依據(jù)。

4.1.3.4輸入通道接口。開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入通道接口的任務(wù)是將來(lái)自控制過(guò)程的開(kāi)關(guān)信號(hào)、邏輯電平信號(hào)以及一些系統(tǒng)設(shè)置開(kāi)關(guān)信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)。這些信號(hào)實(shí)質(zhì)是一種電平各異的數(shù)字信號(hào)，所以開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入通道又稱(chēng)為數(shù)字輸入通道（DI）。由于開(kāi)關(guān)信號(hào)只有兩種邏輯狀態(tài)“ON”和“OFF”或數(shù)字信號(hào)“1”和“0”，但是其電平一般與計(jì)算機(jī)的數(shù)字電平不相同，與計(jì)算機(jī)連接的接口只需考慮邏輯電平的變換以及過(guò)程噪聲隔離等設(shè)計(jì)問(wèn)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。

4.1.3.5輸出通道接口。開(kāi)關(guān)信號(hào)輸出通道的作用是將計(jì)算機(jī)通過(guò)邏輯運(yùn)算處理后的開(kāi)關(guān)信號(hào)傳遞給開(kāi)關(guān)執(zhí)行器（如繼電器或報(bào)警指示器）。它實(shí)質(zhì)是邏輯數(shù)字的輸出通道，又稱(chēng)為數(shù)字輸出通道（DO）。DO通道接口設(shè)計(jì)主要考慮的是內(nèi)部與外部公共地隔離和驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)執(zhí)行器的功率。開(kāi)關(guān)量輸出通道接口主要由輸出鎖存器、驅(qū)動(dòng)器和輸出口地址譯碼電路等組成。

4.2、人機(jī)接口

4.2.1輸入接口。

4.2.1.1撥盤(pán)輸入接口。撥盤(pán)是機(jī)電一體化系統(tǒng)中常見(jiàn)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(pán)較為方便，這種方式具有保持性。撥盤(pán)的種類(lèi)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(pán)。BCD碼撥盤(pán)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。

4.2.1.2鍵盤(pán)輸入接口。鍵盤(pán)是一組按鍵集合，向計(jì)算機(jī)提供被按鍵的代碼。常用的鍵盤(pán)有：

編碼鍵盤(pán)，自動(dòng)提供被按鍵的編碼（如ASCII碼或二進(jìn)制碼）;

編碼鍵盤(pán)，僅僅簡(jiǎn)單地提供按鍵的通或斷（“0”或“1”電位），而按鍵的掃描和識(shí)別，則由設(shè)計(jì)的鍵盤(pán)程序來(lái)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(jiǎn)單，便于設(shè)計(jì)。

4.2.1.3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(jiǎn)單、體積小、可靠性高、壽命長(zhǎng)、價(jià)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(jiǎn)單，是同名管腳上所加電平高低來(lái)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(lái)顯示復(fù)雜符號(hào)、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。

參考文獻(xiàn)：

[1]畢振明.關(guān)于機(jī)電一體化中接口技術(shù)的探討[J].輕工設(shè)計(jì)，2011，（6）：14-14.

[2]袁耀輝.關(guān)于機(jī)電一體化系統(tǒng)的接口技術(shù)探討[J].廣東科技，2013，22（3）：46-47.

[3]朱建合.關(guān)于接口技術(shù)在機(jī)電一體化中的應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2013，（19）.

（作者身份證號(hào)碼：130634198309181113）