现代机电接口技术的发展

信息采集接口
汇报内容
在机电一体化产品中，控制计算机要对生产机械实施有效控制，就必须 随时对其运行状态进行监视，随时检测各运行参数（如温度、速度、压力、 位置等）。因此，必须选用相应的传感器将这些物理量转换为电量，再经 过信息采集接口进行整形、放大、匹配、转换，使之成为控制计算机（单 片机）可以接收的信号。传感器的输出信号既有开关信号（如限位开关、 行程开关等），又有频率信号（如超声波无损探伤）；既有数字量信号， 又有模拟量信号（如热敏电阻、应变片等）。
按照信息的传递方向，人机接口可以分为输入接口和输出接口两大类。 操作者通过输入接口向机电一体化系统输入各种控制命令，干预系统的运 行状态，以完成所要求的各种任务。而机电一体化系统则通过输岀接口向 操作者显示系统的各种状态、运行参数及结果等信息。
人机接口
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作为人机之间进行信息传递的通道，人机接口具有以下特点：
人机接口
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人机接口是操作者与机电一体化系统（主要是控制计算机）之间建立 联系、实现信息交换的输入/输出设备的接口。在机电一体化系统中，常 用的输入设备有控制开关、BCD十进制码拨盘、键盘等，常用的输岀设 备有状态指示灯、发光二极管显示器、液晶显示器、阴极射线管显示器、 打印机等。扬声器、蜂鸣器、电铃等是声音信号输出设备，在机电一体化 系统中也有广泛的应用。
信息采集接口
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信息采集接口 数字信号采集
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数字信号包括开关量和数字量两种类型。行程开关、限位开关、光电开 关等装置的输出信号只有开和关（1和0）两种状态，属于开关量。光电编 码器、红外测距传感器、光栅位移传感器等数字传感器产生脉冲信号，属 于数字量。
图2以行程开关为例给出了开关量信号采集接 口电路。图中采用了光电耦合器以隔断现场噪 声对控制系统的干扰。当物体到达极限位置时， 行程开关SQ接通，光电耦合器输出低电平，单 片机8031的输入为0；当行程开关断开时，光 电耦合器输出高电平，单片机的输入为1。
信息采集接口 模拟信号采集
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在机电一体化系统中，很多传感器是以模拟量形式输出信号的，如用 于位置检测的差动变压器、用于温度检测的热电偶和热电阻、用于转速检 测的测速发电机等。由于单片机是个数字系统，只能接收、处理和输出数 字量，这就要求信息采集接口能完成A/D转换功能，将传感器输出的模拟量 转换成相应的数字量，再输入给单片机，这一功能通常由Δ/D转换器来实现。 当然，目前有些单片机（如MCS96系列等）片内集成了A/D转换器件，但是 对于大多数单片机（如8031）而言，则必须外部扩展AD转换芯片。
发出有关控制信号，需要经过控制输岀接口进行匹配、转换和功率放大，才
能驱动执行元件，使其按控制要求动作。
如图3所示，根据执行元件的不同，控制输出接口 的任务也不同：对于交流电动机变频调速器，其 控制信号应为0~5ⅴ电压或4~20mA电流信号，则 接口必须进行模/数（A/D）转换；对于交流接触 器等大功率器件，接口又必须对微弱的控制信号 进行功率放大另外，由于机电一体化系统中执行 元件多为大功率设备，如电动机、电热器和电磁 铁等，它们工作时所产生的电磁干扰往往会影响 计算机正常工作，因此在进行控制输出接口设计 时还应关注抗干扰的问题。
图4为继电器与单片机的接口电路。在继电器动作时， 会对电源造成一定的干扰。因此，在单片机和继电器之 间一般都采用光电耦合器来避免输出端对输入端的电磁 干扰，从而保证系统安全可靠地运行。由于单片机大多 采用TTL电平，比较微弱，不能直接驱动发光二极管， 所以通常在它们之间加一级驱动器，如7406（反相驱动 器）和7407（同相驱动器）等。
华北水利水电大学
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汇报人：
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控制输出接口 模拟信号输出
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在机电一体化产品中，很多被控对象要求以模拟量作为控制信号，如交
流电动机变频调速器、直流电动机调速器、滑差电动机调速器等，而控制计
算机是数字系统，无法输出模拟量，这就要求控制输出接口能将计算机输出
的数字信号转换成模拟信号。这一任务主要由D/A转换器来完成。
D/A转换器有很多种类型，按照模拟量输出方式，可分为电流输出型和电 压输出型D/A转换器；按照分辨率，又有8位、10位、12位、16位D/A转换器 之分。与A/D转换器相同，D/A转换器的主要性能参数有分辨率、转换时间 和转换精度等。
控制输出接口
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数字信号输出
在机电一体化系统中，常常需要驱动一些功率很大的交/直流负载，其工 作电压高，工作电流大，还很容易引入各种现场干扰。而控制计算机输岀的
数字控制信号一般功率都比较弱，因此必须经过功率放大后才能用于驱动负
载。常用的功率驱动器件有晶闸管、功率晶体管、大功率场效应晶体管和固
态继电器等。
信息采集接口
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模拟信号采集 A/D转换器是模拟输入接口中的核心部件。实现A/D转换的方法有很多，
按照转换原理可以分为计数式A/D转换器、双积分式A/D转换器、逐位比较式
A/D转换器和并行比较式A/D转换器。计数式A/D转换器结构简单，但是转换速
度很慢，所以已很少使用。双积分式A/D转换器抗干扰能力强，价格便宜，转
应用最广的A/D转换器。
信息采集接口
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模拟信号采集
A/D转换器还有其他分类方法。按转换速度可分为低速、中速、高速、超 高速A/D转换器；按分辨率可分为4位、8位、10位、12位、14位和16位A/D转 换器。
控制输出接口
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控制系统通过信息采集接口检测机械装置的运行状态，经过运算处理，
信息采集接口
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针对不同性质的信号，信息采集接口要对其进行不同的处理，例如对 模拟信号必须进行模/数（A/D）转换，将其转换为数字量后再传送给计算 机。另外，传感器要根据机械系统的结构来布置，而且现场环境往往比较 恶劣，容易受到电磁干扰的影响；加之传感器与控制计算机之间通常采用 长线传输，而传感器的输出信号一般都比较弱，因此在信息采集接口设计 中也应考虑抗干扰的问题。图1给出了不同输出信号的传感器与控制计算 机的接口形式。图中缓冲器的作用是对信号进行整形和放大，以避免噪声 干扰；计数器的基本功能是对脉冲信号进行计数，也可以用于分频和数字 运算。
专用性：
每种机电一体化产品都有自身特定的功能，对人机接口也有着各自不 同的要求，因此在进行人机接口设计时，应根据产品的具体要求酌情而定。 例如，对于简单的二值型控制参数，可以考虑使用控制开关；对于少量的 数值型参数输入，可以考虑采用BCD码拨盘；而当系统要求输人较多的控 制命令和参数时，则应考虑使用矩阵式键盘。
换精度高，但是速度比较慢，主要用于速度要求不高的场合，如数字式测量
仪表中。并行式A/D转换器的应用主要是为了适应实时处理系统快速性的要求
（如图像信号处理），其转换速度最快，价格较贵，但是分辨率较低。逐位
比较式A/D转换器结构较简单，精度较高，转换速度和价格居中，抗干扰能力
较差，但是分辨率远高于并行比较式A/D转换器，是目前种类最多、数量最大、
机电接口技术概述
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机电接口技术是对机电系统中的各项组成技术和各项组成部分的子 系统的连接问题进行研究，其中包含着对电子技术、机械技术、信息技 术等功能技术进行融合的综合系统，这些系统在应用过程中实现了信息 能量的融合和交互，同时，对机电系统的设计方面也实现了最优化。
机电接口包含着硬件以及软件两个部分，机电系统在运行过程中和 环境以及操作者之间建立了一种非常有效的连接，相应的物理通道在运 行过程中要进行能量和信息的输入、转换以及传递。系统信息在转换过 程中，要进行交互和调整，并且对机电一体化组成技术要进行综合和协 调，促进各个系统能够形成整体，保证各种功能能够实现。
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现代接口技术发展
Modern interface technology development
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机电接口技术概述 人机接口 信息采集接口 控制输出接口
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机电接口技术概述
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机电接口是机电一体化产品中控制微机和机械装置之间的接口，其 产生的基础是机电一体化技术。机电接口根据信息传递的方向不同可以 分为控制输量输出接口和信息采集接口。机电一体化产品中比较常用的 设备是传感器，在信号输出时，其通常采用的是模拟量的形式，实现一 些检测功能，主要是对发电机的转速进行掌握，同时，对差动变压器的 位置进行检测。但是，在对控制量进行输出时还存在着一个特殊的形式， 就是数字系统。