机电一体化三章接口技术

第三章接口设计第三章接口设计第一节概述机电一体化产品物质能量信息第三章接口设计第一节概述一、接口的重要性接口是产品各要素和子系统相接的联系条件，是机电一体化产品设计的关键环节。

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。第三章接口设计第一节概述二、接口的分类第三章接口设计第一节概述二、接口的分类（图3-1）人机接口：操作者与机电系统进行信息交换的接口，人通过人机接口监控机电一化系统。机电接口：机电一体化产品的机械装置与控制微机间的接口。第三章接口设计第二节人机接口设计一、人机接口的分类及特点分类：输入：向系统输入各种命令和控制参数，如键盘、开关等。输出：输出系统的运行状态，操作者可对系统进行监控，如发光二极管、液晶显示器、微型打印机、扬声器等。特点：专用性低速性高性能低价格比

第三章接口设计第二节人机接口设计二、输入接口设计开关输入接口设计--接通和断开电路的元件按钮开关拨动开关薄膜开关水银开关杠杆式开关微动开关行程开关光电开关第三章接口设计第二节人机接口设计二、输入接口设计额定电压:开关正常工作时所允许的安全电压,开关两端的电压大于此值会造成两个触点之间打火击穿。额定电流:开关接通时所允许通过的最大安全电流,当超过此值时开关的触点会因电流太大而烧毁。绝缘电阻:开关的导体部分与绝缘部分的电阻值,绝缘电阻值应在100MΩ以上。接触电阻:开关在导通状态下,每对触点之间的电阻值,一般要求在0.1-0.5Ω以下,此值越小越好。耐压:开关对导体及地之间所能承受的最低电压。寿命:开关在正常工作条件下,能操作的次数,一般要求在5000-35000次左右。第三章接口设计第二节人机接口设计计算机处理的速度在微秒级，而机械抖动的时间至少是毫秒级。中断时按钮有时灵，有时不灵，其实就是按键抖动原因。只按了一次按钮，可是计算机却已执行了多次中断的过程，如果执行的次数正好是奇数次，那么结果正如所期，如果执行的次数是偶数次，那就不对了。

二、输入接口设计第三章接口设计第二节人机接口设计硬件方法常用RS触发器电路。软件方法当检测出键闭合后执行一个10ms~20ms的延时程序，再一次检测键的状态，如仍保持闭合状态，则确认真正有键按下。第三章接口设计第二节人机接口设计二、输入接口设计拨盘输入接口设计BCD码拨盘结构BCD码拨盘的接口设计方法静态接口方法动态接口方法第三章接口设计第二节人机接口设计第三章接口设计第二节人机接口设计第三章接口设计第二节人机接口设计第三章接口设计第二节人机接口设计第三章接口设计第二节人机接口设计二、输入接口设计键盘输入接口设计工作原理----扫描方式断开时，行线高电平；按下时，行线电平由列线决定，扫描列线为低，其他为高。第三章接口设计第二节人机接口设计二、输入接口设计键盘输入接口设计接口方法与程序设计第三章接口设计第二节人机接口设计二、输入接口设计键盘输入接口设计程控方式定时方式中断方式第三章接口设计第二节人机接口设计二、输入接口设计触摸屏接口设计第三章接口设计第二节人机接口设计二、输入接口设计触摸屏接口设计矢量压力传感技术触摸屏已退出历史舞台

红外线技术触摸屏价格低廉，但其外框易碎，容易产生光干扰，曲面情况下失真

第三章接口设计第二节人机接口设计二、输入接口设计触摸屏接口设计电阻技术触摸屏不怕油污，灰尘，水解析度高，高速传输反应快减少擦伤、刮伤及防化学处理一次校正，稳定性高，永不漂移第三章接口设计第二节人机接口设计二、输入接口设计触摸屏接口设计表面声波技术触摸屏

清晰度较高，透光率好。高度耐久，抗刮伤性良好。一次校正不漂移。反应灵敏。需要经常维护第三章接口设计第二节人机接口设计二、输入接口设计触摸屏接口设计电容技术触摸屏对大多数的环境污染物有抗力人体成为线路的一部分，因而漂移现象比较严重带手套不起作用。需经常校准。不适用于金属机柜。当外界有电感和磁感的时候，会使触摸屏失灵第三章接口设计第二节人机接口设计二、输入接口设计触摸屏接口设计电容技术触摸屏电阻式触控屏幕在工作时每次只能判断一个触控点，如果触控点在两个以上，就不能做出正确的判断了，所以电阻式触摸屏仅适用于点击、拖拽等一些简单动作的判断。而电容式触摸屏的多点触控，则可以将用户的触摸分解为采集多点信号及判断信号意义两个工作，完成对复杂动作的判断。

第三章接口设计第二节人机接口设计二、输入接口设计触摸屏接口设计第三章接口设计第二节人机接口设计三、输出接口设计发光二极管显示器接口设计LED

反向击穿电压约5伏，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流电流控制型、电压控制型第三章接口设计第二节人机接口设计三、输出接口设计发光二极管显示器接口设计分为普通单色发光管、高亮度发光管、超高亮度发光管、变色发光管、闪烁发光管、电压控制型发光管、红外发光管和负阻发光管等第三章接口设计第二节人机接口设计三、输出接口设计发光二极管显示器接口设计分为普通单色发光管、高亮度发光管、超高亮度发光管、变色发光管、闪烁发光管、电压控制型发光管、红外发光管和负阻发光管等第三章接口设计第二节人机接口设计三、输出接口设计七段发光二极管接口设计

结构共阳极、共阴极第三章接口设计第二节人机接口设计三、输出接口设计七段发光二极管接口设计静态接口电路节省微机时间占用I/O多

第三章接口设计第二节人机接口设计三、输出接口设计七段发光二极管接口设计动态接口电路I/O占用少定期扫描，处理器消耗时间第三章接口设计第二节人机接口设计三、输出接口设计键盘、显示接口设计第三章接口设计第二节人机接口设计三、输出接口设计点阵式LED显示器接口设计

第三章接口设计第二节人机接口设计三、输出接口设计LCD显示器体积小、重量轻、功耗低、显示内容丰富接口复杂、亮度低第三章接口设计第二节人机接口设计三、输出接口设计CRT显示器（工业）第三章接口设计第二节人机接口设计四、人机接口程序设计基本程序语言C#、Java……C++、VC++……C语言汇编语言第三章接口设计第二节人机接口设计四、人机接口程序设计专业开发工具软件

用户界面管理系统(UIMS)

组态软件(SCADA)VAPS人机界面开发工具

DirectUI界面开发工具

……

第三章接口设计第二节人机接口设计五、智能人机接口语音交互第三章接口设计第二节人机接口设计五、智能人机接口肢体运动采集第三章接口设计第二节人机接口设计五、智能人机接口肢体运动采集第三章接口设计第二节人机接口设计五、智能人机接口脑电、肌电信息控制第三章接口设计第二节人机接口设计五、智能人机接口脑电、肌电信息第三章接口设计第三节机电接口设计控制信号经匹配、转换、功率放大检测信号经整形、放大、匹配、转换第三章接口设计第三节机电接口设计一、机电接口类型及特点信息采集（传感器）接口的特点传感器输出信号微弱信号形式多样化，有模拟、开关、数字、频率等形式环境恶劣，长距离传输，易受干扰控制输出接口的特点系统执行元件不同，控制接口各异执行元件为大功率设备，驱动系统有大功率器件，易干扰控制系统第三章接口设计第三节机电接口设计二、信号采集通道中的A/D转换接口设计

将传感器输出的模拟量信号转换为控制系统能接受的数字量第三章接口设计第三节机电接口设计A/D转换器

PCI总线、PC104总线数采转换板卡13位AD精度，500KS/s采样频率

单端16路/差分8路模拟量输入

AD量程：±10V、±5V、0～10V、

程控增益：1、2、5、10或1、2、4、8倍

数字量输入、输出各6路

1路24位定时计数器第三章接口设计第三节机电接口设计A/D转换器

USB接口高精度数据采集器及软件内置高分辨率22位A/D，采样率1～80Hz。输入量程：±31mV～±20V；内置冷端补偿，可直接测量热电偶信号。测量信号频率、对脉冲进行计数、测试占空比，输入信号频率可达1MHz。数字I/O线采用集电极开路输出，可以直接驱动负载。

低功耗设计，通过计算机USB接口供电，无需外部电源。与PC隔离电压大于500V，有效保证系统安全和测试的低噪声。与PC的距离可达5米，使用Hub可达30米。单机可扩至60个模拟输入通道、16个数字I/O通道、4个频率计数通道。使用USBhub可在一台PC上最多连接100个PersonalDaq，总通道数超过8000个。随机软件包，具有图形界面的安装、采集、图形显示、存盘、数据回放等功能，软件提供用户自校准功能,随机提供各种编程软件的驱动程序，支持VC++，VB，DASYLab，MATLAB，LabVIEW软件编程。第三章接口设计第三节机电接口设计A/D转换测量系统

第三章接口设计第三节机电接口设计A/D转换类型

直接A/D转换

把模拟信号直接转换为数字信号，如逐次逼近型，并联比较型等．其中逐次逼近型A/D转换器，易于用集成工艺实现，且能达到较高的分辨率和速度，故目前集成化A/D芯片采用逐次逼近型者居多。间接A/D转换

把模拟量转换成中间量，然后在转换为数字量，如电压／时间转换型，电压／频率转换型，电压／脉宽转换型等，其中积分型A/D转换器电路简单，抗干扰能力强，且能做到高分辨率，但转换速度较慢．有些转换器还将多路开关，基准电压源，时钟电路，二－十译码器和转换电路集成在一个芯片内，已超出了单纯的A/D转换功能，使用十分方便．第三章接口设计第三节机电接口设计A/D转换类型

第三章接口设计第三节机电接口设计A/D转换类型

第三章接口设计第三节机电接口设计A/D主要技术指标（1）模拟量输入范围-5V～+5V双极性输入0～+5V单极性输入0～+10V单极性输入第三章接口设计第三节机电接口设计A/D主要技术指标（2）转换时间和转换率转换时间：ADC完成一次转换所需的时间。转换率：1秒内能完成转换的次数，kHZ，MHZ。并行比较A/D转换器的转换速度最高，8位二进制输出的A/D转换器转换时间可达到50ns以内；逐次比较型A/D转换器次之，它们多数转换时间在10～50ms以内；间接A/D转换器的速度最慢，如双积分A/D转换器的转换时间大都在几十毫秒至几百毫秒之间。

第三章接口设计第三节机电接口设计A/D主要技术指标（3）分辨率能够分辨的最小输入信号，一般用位数来表示。A/D器件一般有8、10、12、14、16位例：8位ADC，单极性输入0～5V，数字量为0～255，它能分辨的最小输入信号是Δ(5V/256)=20mV，分辨率=256位。

12位ADC，双极性输入-5V～+5V，数字量为-2048～，它能分辨的最小输入信号是Δ(10V/2096)=2mV，分辨率=4096位。第三章接口设计第三节机电接口设计A/D主要技术指标（4）转换精度（转换误差）realideal第三章接口设计第三节机电接口设计A/D主要技术指标（4）转换精度（转换误差）表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别，以输出误差的最大值形式给出。量化误差+器件误差常用最低有效位（LSB）的倍数表示。

例：给出相对误差≤±LSB/2，表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。

第三章接口设计第三节机电接口设计A/D主要技术指标（5）转换精度（转换误差）

如果模拟量在(±Δ/2)范围内，都产生相对应的唯一数字量，称ADC是无误差的，或者称其精度为±0LSB。

如果模拟量在(±Δ)范围内，都产生相对应的唯一数字量，ADC的精度为±1/2LSB。

如果模拟量在(-3Δ/4～+3Δ/4)范围内，都产生相对应的唯一数字量，ADC的精度为±1/4LSB。第三章接口设计第三节机电接口设计三、控制量输出中的D/A转换结构设计

在机械、冶金、制造、化工、纺织等领域为满足温度、速度、流量等工艺变量的控制要求，常常要采用变频器的速度调节n=60f/p(1-s)来对模拟量进行控制。第三章接口设计第三节机电接口设计三、控制量输出中的D/A转换结构设计将控制系统输出的数字量信号转换为执行元件能接受的模拟量。数码寄存器N位模拟开关基准电压解码网络求和电路N位数字量输入模拟量输出第三章接口设计第三节机电接口设计第三章接口设计第三节机电接口设计第三章接口设计第三节机电接口设计器件分类

数模转换器将并行二进制的数字量转换为直流电压或直流电流。根据输出电压分为单极性D/A和双极性D/A

根据转换形式并行D/A和串行D/A第三章接口设计第三节机电接口设计倒T型电阻网络D/A转换器D/A转换器的单极性电压输出第三章接口设计第三节机电接口设计8位倒T型电阻网络D/A转换器双极性输出D/A转换器第三章接口设计第三节机电接口设计并行数模转换通过一个模拟量参考电压和一个电阻梯形网络产生以参考量为基准的分数值的权电流或权电压；而用由数码输入量控制的一组开关决定哪一些电流或电压相加起来形成输出量。几路电流之和经过反馈电阻Rf产生输出电压。串行数模转换将数字量转换成脉冲序列的数目，一个脉冲相当于数字量的一个单位，然后将每个脉冲变为单位模拟量，并将所有的单位模拟量相加，就得到与数字量成正比的模拟量输出，从而实现数字量与模拟量的转换。第三章接口设计第三节机电接口设计脚1DIN：串行数据输入端脚2SCLK：串行时钟输入端；脚3CS：芯片选用通端，低电平有效；脚4DOUT：用于级联时的串行数据输出端；脚5AGND：模拟地；脚6REFIN：基准电压输入端；脚7OUT：DAC模拟电压输出端；脚8VDD：正电源端。第三章接口设计第三节机电接口设计第三章接口设计第三节机电接口设计主要性能指标

分辨率

最小输出电压(对应的输入数字量只有最低有效位为“1”)与最大输出电压(对应的输入数字量所有有效位全为“1”)之比。

例：N位D/A转换器，其分辨率为1/(2N-1)。在实际使用中，表示分辨率大小的方法也用输入数字量的位数来表示。第三章接口设计第三节机电接口设计主要性能指标

线性度

用非线性误差的大小表示D/A转换的线性度。并且把理想的输入输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。转换时间将一个数字量转换为稳定模拟信号所需的时间。一般电流输出D/A建立时间较短,电压输出D/A则较长。

第三章接口设计第三节机电接口设计主要性能指标

转换精度转换精度与集成芯片的结构和接口电路配置有关。要获得高精度的D/A转换结果，首先要保证选择有足够分辨率的D/A转换器。当外部电路器件或电源误差较大时，会造成较大的D/A转换误差。在D/A转换过程中，影响转换精度的主要因素有失调误差、增益误差、非线性误差和微分非线性误差。

第三章接口设计第三节机电接口设计失调误差(或称零点误差)

数字输入全为0码时，其模拟输出值与理想输出值之偏差值。对于单极性D/A转换，模拟输出的理想值为零伏点。对于双极性D/A转换，理想值为负域满量程。偏差值的大小一般用LSB的倍数或用偏差值相对满量程的百分数来表示。增益误差(或称标度误差)

输入与输出传递特性曲线的斜率称为D/A转换增益或标度系数，实际转换的增益与理想增益之间的偏差称为增益误差。输入时其输出值与理想输出值(满量程)之间的偏差表示，一般也用LSB的倍数或用偏差值相对满量程的百分数来表示。第三章接口设计第三节机电接口设计非线性误差

实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差，并以该偏差相对于满量程的百分数度量。在转换器电路设计中，一般要求非线性误差不大于±1/2LSB。

realideal第三章接口设计第三节机电接口设计工作温度范围一般情况下，影响D/A转换精度的主要环境和工作条件因素是温度和电源电压变化。由于工作温度会对运算放大器加权电阻网络等产生影响，所以只有在一定的工作范围内才能保证额定精度指标。较好的D/A转换器的工作温度范围在-40℃～85℃之间，较差的D/A转换器的工作温度范围在0℃～70℃之间。多数器件其静、动态指标均在25℃的工作温度下测得的，工作温度对各项精度指标的影响用温度系数来描述，如失调温度系数、增益温度系数、微分线性误差温度系数等。第三章接口设计第三节机电接口设计温度系数在满刻度输出的条件下，温度每升高1℃，输出变化的百分数定义为温度系数。电源抑制比

对于高质量的D/A转换器，要求开关电路及运算放大器所用的电源电压发生变化时，对输出电压影响极小。通常把满量程电压变化的百分数与电源电压变化的百分数之比称为电源抑制比。第三章接口设计第三节机电接口设计四、控制量输出接口中的功率接口设计数字控制弱电信号控制驱动器件强电信号的通断直流控制交流

对D/A转换后的模拟量信号进行功率放大，满足执行元件对驱动功率的要求。数字控制信号之间，电平的匹配对接第三章接口设计第三节机电接口设计四、控制量输出接口中的功率接口设计常用电力电子器件晶闸管（SCR，可控硅）：功率开关元件，控制电流为几安培~几十安培，有单向、双向、光控和温控四种形式的晶闸管，用于整流和电子开关。第三章接口设计第三节机电接口设计第三章接口设计第三节机电接口设计交流整流正半周导通控制角导通角第三章接口设计第三节机电接口设计对于电阻电感负载，晶闸管过零后不会马上截止，而是在负半周的某个时刻截止，电感电阻值比越大，截止时刻延迟越长。应用电磁感应原理制作的大功率电器产品，如电动机、压缩机、继电器、日光灯等等。

第三章接口设计第三节机电接口设计第三章接口设计第三节机电接口设计触发信号可正可负，触发后双向导通

电风扇速度控制第三章接口设计第三节机电接口设计门极为正时，导通；为负时截止GTO在高压(VBR>33000V)/大功率(0.5-20MVA)牵引、工业和电力逆变器中是应用的最为普遍的功率半导体器件。广泛用于铁路、交通、牵引、电源及矿井提升机、斩波电源等领域。第三章接口设计第三节机电接口设计输入与输出光电隔离输入电流10~100mA输入反向电压6V输出电流1A输出耐压为400~600V驱动大功率双向晶闸管光电耦合器件第三章接口设计第三节机电接口设计四、控制量输出接口中的功率接口设计常用电力电子器件功率晶体管：可工作在开关和模拟两种状态，开关速度高于晶闸管、控制容易加速感性负载电流保护限流电阻续流第三章接口设计第三节机电接口设计四、控制量输出接口中的功率接口设计常用电力电子器件功率场效应晶体管：开关速度高；过载能力强；控制电压高2~6V，有较高的噪声容限，抗干扰能力；输入阻抗高、驱动电流小。电压控制、吸收电流小，TTL电路可直接驱动大功率场效应管TTL3.5~5V上拉电阻10~15V足够高的电压集电极开路TTL提高控制电流，加快充放电过程，提高开关速度GS第三章接口设计第三节机电接口设计四、控制量输出接口中的功率接口设计常用电力电子器件固态继电器（SSR）：无触点功率型开关，工作可靠，寿命长，与TTL电平兼容，速度快，抗干扰能力强第三章接口设计第三节机电接口设计四、控制量输出接口中的功率接口设计常用电力电子器件第三章接口设计第三节机电接口设计四、控制量输出接口中的功率接口设计常用电力电子器件第三章接口设计第三节机电接口设计四、控制量输出接口中的功率接口设计TTL电平TTL电平是5V，3.6~5V等价于逻辑“1”，0V~2.4V等价于逻辑“0”，称作TTL（晶体管-晶体管逻辑电平）信号系统。输出L：<0.4V；H：>2.4V输入L：<0.8V；H：>2.0VCMOS电平COMS集成电路是互补对称金属氧化物半导体（Compiementarysymmetrymetaloxidesemicoductor）集成电路供电电压VDD范围比较广，+5--+15V均能正常工作，电压一般是12V。输出L：<0.1*Vcc；H：>0.9*Vcc输入L：<0.3*Vcc；H：>0.7*Vcc5V的电平不能触发CMOS电路，12V的电平会损坏TTL电路，因此不能互相兼容匹配。第三章接口设计第三节机电接口设计四、控制量输出接口中的功率接口设计

光电耦合器驱动接口设计第三章接口设计第三节机电接口设计四、控制量输出接口中的功率接口设计

光电耦合器驱动接口设计光电耦合器的结构特点输入输出电路隔离不共地，干扰不能由输出通道窜入输入通道电流驱动器件，能吸收尖峰干扰，能抑制噪声的干扰开关速度高，一般在微秒级，高速型小于10ns用途：高压开关、信号隔离转换、脉冲系统间的电平匹配第三章接口设计光电耦合器的分类第三节机电接口设计晶体管耦合器：具有较高的换能效率，高耐压性，低输入驱动能力；

NPN三极管输出型，其中包括交流输入