機電系統(tǒng)中的接口問題淺析

摘產(chǎn)要:接口技術是隨著機電一體化技術的發(fā)展而發(fā)展起來的，而且變得日趨重要。本文以機電一體化控制系統(tǒng)為例，將接口分為人機接口與機電接口兩大類進行分析。

關鍵詞:機電一體化;工藝接口技術; 人機接口; 機電接口

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1006-3315(2011)6-180-001

機電一體化系統(tǒng)可分為機械和微電子系統(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。下面以機電一體化控制系統(tǒng)為例，將接口分為機電接口與人機接口兩大類。

一、機電接口

由于機械系統(tǒng)與微電子系統(tǒng)在性質上有很大差別，兩者間的聯(lián)系須通過機電接口進行調整、匹配、緩沖，因此機電接口起著非常重要的作用。

(1)電平轉換和功率放大。一般微機的I/O芯片都是TTL電平，而控制設備則不一定，因此必須進行電平轉換。另外，在大負載時還需要進行功率放大。

(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系統(tǒng)和控制設備在電器上加以隔離。

(3)進行A/D或D/A轉換。當被控對象的檢測和控制信號為模擬量時，必須在微機系統(tǒng)和被控對象之間設置A/D和D/A轉換電路，以保證微機所處理的數(shù)字量與被控的模擬量之間的匹配。

1.模擬信號輸入接口。在機電一體化系統(tǒng)中，反映被控對象運行狀態(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、轉速檢測用的測速發(fā)電機等)計算機要對被控對象進行控制，必須獲得反映系統(tǒng)運行的狀態(tài)信號，而計算機只能接收數(shù)字信號，要達到獲取信號的目的，就應有將模擬信號轉換為數(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，如交流電動機變頻調速、直流電動機調速器、滑差電動機調速器等。而計算機只能輸出數(shù)字信號，并通過運算產(chǎn)生控制信號，達到控制生產(chǎn)過程的目的，應有將數(shù)字信號轉換成模擬電信號的接口——模擬信號輸出接口。任務是把計算機輸出的數(shù)字信號轉換為模擬電壓或電流信號，以便驅動相應的執(zhí)行器，達到控制目的。模擬信號輸出接口一般由控制接口、數(shù)字模擬信號轉換器、多路模擬開關和功率放大器幾部分構成。

3.開關信號通道接口。機電一體化系統(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(開關量)信號包括：開關的閉合與斷開；指示燈的亮與滅；繼電器或接觸器的吸合與釋放；電動機的啟動與停止；閥門的打開與關閉等。這些信號的共同特征是以二進制的邏輯“1”和“0”出現(xiàn)的。在機電一體化控制系統(tǒng)中，對應二進制數(shù)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。開關信號輸入通道接口的任務是將來自控制過程的開關信號、邏輯電平信號以及一些系統(tǒng)設置開關信號傳送給計算機。這些信號實質是一種電平各異的數(shù)字信號，所以開關信號輸入通道又稱為數(shù)字輸入通道(DI)。由于開關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的數(shù)字電平不相同，與計算機連接的接口需考慮邏輯電平的變換以及過程噪聲隔離等設計問題，它主要由輸入緩沖器、電平隔離與轉換電路和地址譯碼電路等組成。

(2)輸出通道接口。開關信號輸出通道的作用是將計算機通過邏輯運算處理后的開關信號傳遞給開關執(zhí)行器(如繼電器或報警指示器)。它實質是邏輯數(shù)字的輸出通道，又稱為數(shù)字輸出通道(DO)。DO通道接口設計主要考慮的是內部與外部公共地隔離和驅動開關執(zhí)行器的功率。

二、人機接口

1.輸入接口

(1)撥盤輸入接口。撥盤是機電一體化系統(tǒng)中常見的一種輸入設備，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，作為人機接口使用最方便的是十進制輸入、BCD碼輸出的BCD碼撥盤。BCD碼撥盤可直接與控制微機的并行口或擴展口相連，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，則由設計的鍵盤程序來實現(xiàn)。前者使用方便，但結構復雜，成本高；后者電路簡單，便于設計。

2．輸出接口。在機電一體化系統(tǒng)中，發(fā)光二極管顯示器(LED)是典型的輸出設備，由于LED顯示器結構簡單、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)光二極管是否點亮而顯示不同字形的。點陣式LED顯示器一般用來顯示復雜符號、字母及表格等，在大屏幕顯示及智能化儀器中有廣泛應用。

3、人機界面（HMI）從字面上講可以理解為人和機器交往的“地方”。是近幾年才流行起來的新鮮詞匯。當機電系統(tǒng)中需要數(shù)十數(shù)百個操作按鈕，需要隨時顯示機器運行中的大量數(shù)據(jù)，需要用圖畫的形式顯示設備各關鍵部位的工作狀態(tài)，并需在面積只有普通電視機屏幕大小的區(qū)域完成操作及顯示時，這就只有使用目前最先進的圖示化顯示操作技術了。在機電領域中，這項技術的代表產(chǎn)品是觸摸顯示屏。

三、結束語

接口技術是在機電一體化技術的基礎上發(fā)展起來的，接口的好與壞直接影響到機電一體化系統(tǒng)的控制性能，以及系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性，因此接口技術是機電一體化系統(tǒng)中的關鍵環(huán)節(jié)。

參考文獻：

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[2]張萬忠，孫晉.可編程控制器入門與應用實例.北京:中國電力出版社，2005年7月

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