机电一体化系统接口技术的分析

机电一体化系统接口技术的分析

摘要:文章对机电一体化系统接口的定义与接口的方式进行了较全面的论述,重点阐述微机系统的接口技术,着重详细地分析了A/D转换扩展接口技术和D/A转换扩展接口技术以及光电耦合器接口技术。在此基础上提出了以步进电机为例,详细说明了微型计算机与机械装置间的连接技术。

关键词:机电一体化;系统;接口技术

机电一体化系统是机械、电子和信息等各种技术融合为一体的综合系统,其构成要素与子系统之间的接口部分就显得极为重要。在机械系统和电子系统各种技术的复合过程中,接口技术很重要,其性能的好坏对整个系统的综合性能起着决定性作用。

1接口的定义与接口的方式

1.1 接口的定义

机电一体化系统是一个有机的整体,各要素之间与各子系统之间必须能够顺利地进行物质、能量和信息的传递与交换。因此,各要素与子系统相连处必须具备一定的联系条件,从而实现相互间的物质、能量和信息的传递与交换,以满足系统正常工作的需要。把连接不同要素或子系统的连接和转换部分称为接口。

1.2 接口的方式

系统接口可分为直接式接口和间接式接口两种基本方式。

(1)直接式接口

借助要素本身或子系统具有接口性能的那一部分进行连接,这种连接方式的接口称为直接式接口。直接式接口只能传递信息而不能进行信息转换。例如,电气连接中的插座、插头、电缆等;机械连接中的铆钉、销、螺钉等都是直接接口方式。如图1所示:

图1直接式接口

(2)间接式接口

图2间接式接口

利用中间系统的接口部分与相应子系统或要素进行连接,这种连接方式的接口称为间接式接口。间接式接口不仅能够传递数据和信息,而且可以对数据和信息进行处理。从而使相连接的子系统形成一个有机的整体。它可以是具有一定功能的部件,也可以是一台设备。在机电一体化系统中,这种类型的接口居多。如图2所示:例如,各个电子设备之间的各种接口电路板;机械与电机之间的联轴器、减速器等。此外,接口还可以是计算机的程序。接口程序是用来连接计算机的各个子程序的。若系统(或产品)是由许多要素或子系统构成的,那么每一个要素或子系统都可以看作是前、后两个要素或子系统间的接口。

2微机系统的接口技术

在机电一体化系统中,处理微机系统的接口技术是很重要的。它是保证产品具有高性能、高质量的必要条件。

2.1计算机接口

计算机的接口是构成计算机系统的一个重要逻辑部件,又是计算机与外部设备交换信息(数据、命令、地址、状态等)的桥梁。计算机的“接口”泛指中央处理器 (CPU)与所有外部设备相连的那部分电路和器件。严格地说,接口也包括计算机的存储器接口,使其将程序、原始数据、计算机处理结果送到输出设备,以便显示、打印和实现各种控制。

在微型计算机与外部设备间的接口中,数据寄存器、状态寄存器和控制寄存器分别对应于数据端口、状态端口和控制端口。计算机的输入设备和输出设备均通过计算机接口交换信息。如图3所示。为了便于访问,每个寄存器都设有端口地址。CPU通过对IP接口的端口地址的寻址,来与外设交换信息。微型计算机就是采用这种传递方式实现输入/输出。CPU都要通过接口才能与外设连接,加上驱动接口所需的软件,构成了计算机系统的接口技术。

图3微型计算机与外部设备间的接口

2.2 计算机系统的接口类型

计算机系统的接口类型,按功能可分为通用接口和专用接口两大类。

(1)计算机系统的通用接口

计算机系统的通用接口可分为串行接口和并行接口两种。在串行接口中,CPU与接口之间的数据是并行传送的,而接口与外设之间的数据则是一位接一位串行传送的。在并行接口中,可以同时从接口输入与输出一个字节的信息。在机电一体化系统中,使用最普遍的通用接口是可编程接口PPI,它在机电一体化系统中的作用,如图4所示。PPI的输入/输出动作由微机的程序控制,传感器、执行元件与微机之间通过转换接口电路与PPI相连,信息的输入/输出非常方便。

图4 PPI的功能图

(2)计算机系统的专用接口

计算机系统的专用接口仅是用于某台外设或某个微处理器。例如,面向外设的专用接口有可编程的软盘控制器8271、可编程的CRT控制器8275等;面向微机的专用接口有可编程的定时/计数器8253等,它们都是用来增强CPU功能的。此外,在实时控制系统中专为某个被控制对象而设计的接口,也属于专用接口范畴。

2.3 A/D转换扩展接口技术

A/D转换是微型机控制系统及检测系统的重要接口之一。在检测系统中,当测量温度、压力、流量、重量、电压、位移、转速等未知参数时,A/D转换器的任务就是把传感器输出的电流或电压信号变换成数字量,以便进行控制和计算。图5所示为A/D转换器的连接示意图。

图5A/D转换器的连接示意图

如下图6所示为典型的8位模数转换芯片ADC0809与8031单片机的接口电路图。由于A/D芯片在系统中相当于一个外围芯片,现取P2.7低电平有效作为片选信号,则IN0～IN7 的8个通道地址号分别为7FF8H～7FFFH。当片选信号与WR有效信号相配合时,利用WR下降沿时刻使START及ALE信号变为高电平有效,来锁存地址信号。在WR在上升沿时刻,START信号由高电平变为低电平,启动A/D转换。ADC0809芯片从启动A/D转换到转换结束需要100μs。A/D转换结束时,EOC输出高电平,此信号可供查询方式作为状态信号或作为中断请求信号,通知CPU来读取A/D转换之数值。图6中,把EOC信号与8031外部中断请求信号INT连接,CPU启动A/D转换后,当EOC为高电平时,8031在响应中断后,在中断服务程序中CPU即可从ADC0809中读取转换结果。

图6ADC0809与8031单片机的接口电路图

2.4 D/A转换扩展接口技术

D/A转换也是微型机控制系统的重要接口之一。在微机数控系统中,机电一体化产品的执行元件大多数只受模拟量的控制,D/A转换器的任务就是把数控装置产生的数字信号变换为连续的电流或电压信号,以便控制电机等执行元件按要求进行工作。

下图7所示为DAC0832与8031相连的接口电路图。由于DAC0832有两个分别控制的数据寄存器,故可根据应用需要接成多种工作方式,使用时有较大的灵活性。图(a)为DAC0832单缓冲型工作方式时与单片机的连接方法。P2.6作为片选信号,故D/A芯片的地址可取为BFFFH。图(b)为DAC0832双缓冲型工作方式时与单片机的连接方法。它利用两个地址码(P2.5低电平有效及P2.6低电平有效),进行二次输出操作完成数据的传送及启动转换:第一次当CS有效(P2.5低电平)时,完成将P0口数据线上的数据锁存入DAC0832的数入数据寄存器中;第二次当XFER有效(P2.6低电平)时,完成将输入寄存器中的内容锁存入0832的DAC寄存器中进行D/A转换。XFER控制信号也可以由外部控制。这种二阶缓冲型的连接方法,可以满足多路D/A转换时实现同步转换输出的要求。

图(a) DAC0832单缓冲型工作方式

图(b) DAC0832双缓冲型工作方式

图7DAC0832与8031相连的接口电路图

2.5光电耦合器接口技术

光电耦合器是用光传递信号,一种比较理想的计算机与外部控制伺服系统连接的I/O接口件。

常用的光电耦合器如图8所示。图(a)为普通的用作信号隔离的光电耦合器,它以发光二极管为输入端,当发光二极管导通并发光时,光电三极管接收发光二极管发出的光而导通,其输出端电压的大小变化据不同的光电隔离电路而跟随发光二极管输入端电压大小变化。这种光电耦合器一般用来传递频率在100KHz以下的信号。图(b)所示的光电耦合器,其输出部分由光敏二极管和放大三极管构成的达林顿管输出,使其增益得到较大提高,因此它可以用来直接驱动中、小功率的负载。图(c)所示的光电耦合器,其输出部分由光敏三极管和放大三极管构成达林顿管输出,使其增益得到很大提高,因而可以用它直接驱动中、小功率的负载。图(d)所示的光电耦合器,其输出部分为光控晶闸管(分为有源、双向两种形式),常用它在交流大功率的隔离驱动中应用。

图(a)普通型图(b)光敏二极管型

图(c)光敏三极管型图(d)光控晶闸管型

图8 常用的光电耦合器图

3微型计算机与机械装置间的连接技术

微型计算机与机械装置之间的连接,机械装置上装有检测位置、速度、加速度、力、力矩或温度等参数的传感器,传感器输出的信号通过接口电路变换成为数字信号,送入微机,微机经过处理后输出控制信号,再经过接口传送给执行元件,从而完成要求的动作或功能。

以图9所示步进电机与MCS-51的接口为例,讲述微型计算机与安装有机械装置的执行元件之间的接口技术。在此接口电路中,包括光电耦合和功率驱动两部分。VT1为推动管,VT2为大功率晶体管(简称GTR)。VT1与VT2都工作在开关状态。为了获得初始基流,基极电路中接入加速电容C1,反相基流由C1经VT1放电得到。当VT1截止时,GTR通过C1注入强基流导通;当VT1导通时,电流由C1经VT1放电,形成反相基流,使VT2关断。步进电机绕组上串联有限流电阻R。由于绕组对于交流和直流呈现的阻抗有较大差别,绕组的静态电流较大,故采用限流电阻。VD为续流二极管,由于电机绕组属于电感性负载,若大电感负载的负载端不加接续流二极管,当突然地切换P1.0电平时,这时负载上的电压较大,必需切断交流电源,为了避免这种现象,在三相电路中带电感性负载时,必须并联续流管。为了使电路能真正起到续流效果,要选用维持电流较大的续流管,输出端与续流管之间的连接线应愈短愈好。当P1口的某一位输出如P1.0为高电平时,光电耦合器导通,VT1截止,功放管VT2导通,U相绕组通电。当P1口的某一位输出如P1.0为低电平时,光电耦合器截止,VT1导通,功放管VT2截止,U相绕组不通电。这样就实现了P1.0的输入脉冲对U相绕组的控制。从而实现了微机MCS-51经过处理后输出控制信号,通过光电耦合器接口传送给功率驱动执行元件,控制U相绕组通电或不通电,完成要求步进电机的动作。

图9步进电机与MCS-51的接口电路图

从上述分析可知,机电一体化系统是由各许多要素和各种不同的子系统组成的,它是一个机械、电子和信息等各种技术融合为一体的综合有机的整体,各要素之间与各子系统之间必须能够顺利地进行物质、能量和信息的传递与交换。因此,在机电一体化系统中,各要素与子系统相连处的接口技术是很重要的,接口技术是实现相互间的物质、能量和信息的传递与交换,以满足系统正常工作的需要,从而完成要求的动作或功能。