第5章 接口技术

一、人机接口类型及特点
人机接口是操作者与机电系统之间进行信息交 换的接口。按照信息的传递方向，可以分为两大 类：输入接口与输出接口。 常用的输入设备有控制开关、 BCD 二～十进 制码拨盘、键盘等， 常用的输出设备有状态指示灯、发光二极管显 示器、液晶显示器、微型打印机、阴极射线管显 示器等，扬声器等等。 人机接口作为人机之间进行信息传递的通道， 具有以下一些特点：
二、输入接口
3. 键盘输入接口 (1). 矩阵式键盘工作原理 矩阵式键盘由一组行线 (Xi) 与一组列线 (Yi) 交 叉构成，按键位于交叉点上，为对各个键进行区 别，可以按一定规律分别为各个键命名键号，如 右图所示。

二、输入接口

将列线通过上拉电阻接至+5V电源，当无键按 下时，行线与列线断开，列线呈高电平。当键盘 上某键按下时，则该键对应的行线与列线被短路。 例如，7号键被按下闭合时，行线X3与列线Yl被短 路，此时Yl的电平由X3电位决定。如果将列线接 至控制微机的输入口，行线接至控制微机的输出 口，则在微机控制下依次从X0～X3输出低电平， 并使其它线保持高电平，则通过对YO～Y3的读取 即可判断有无键闭合、哪一个键闭合。

二、接口的分类和特点
1. 人机接口 人机接口实现人与机电一体化系统的信息交流、 信息反馈，保证对机电一体化系统的实时监测、 有效控制；由于机械与电子系统工作形式、速率 等存在极大的差异，机电接口还起着调整、匹配、 缓冲的作用。 人机接口又包括输入接口与输出接口两类。通 过输入接口，操作者向系统输入各种命令及控制 参数，对系统运行进行控制；通过输出接口，操 作者对系统的运行状态、各种参数进行监测。

位 置 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
线 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1
号 2 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0
权 4 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0
值 8 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1
二、输入接口
(2) BCD码拨盘的接口 (a) 静态接口

由上述可知，BCD 码拨盘 可以直接与控制微机的并行口 或扩展并行口相连，以BCD码 形式输入信息。右图示出了 BCD码拨盘与8031的P1口 的接口电路。从图中可以看出， 每一片拨盘占用4根I/0口线， 8031可以通过P1口直接读取 拨盘数据。

2. 拨盘输入接口
(1).BCD 码拨盘结构 拨盘种类很多，作为人 机接口使用最方便的是十进 制输入、BCD码输出的 BCD码拨盘，其结构如右 图所示。
拨盘内部有一可转动圆盘，具有“0～9”十个位置，可 以通过前面两个“+、-”按钮进行位置选择，对应每个位置， 前面窗口有数字提示，拨盘后面有五根引出线，分别定义为 A、1、2、4、8。当拨盘在不同位置时，1、2、4、8线 的通断关系如下表所示。

二、接口的分类和特点
从不同的角度及工作特点出发，机电一体化系 统的接口有多种分类方法。 根据接口的变换和调整功能，可将接口分为零 接口、被动接口、主动接口和智能接口； 根据接口的输入/输出对象，可将接口分为机械 接口、物理接口、信息接口与环境接口等； 根据接口的输入/输出类型，可将接口分为数字 接口、开关接口、模拟接口和脉冲接口。 本章根据接口所联系的子系统不同，以信息处 理系统( 微电子系统)为出发点，将接口分为人机 接口与机电接口两大类，对各子系统内部接口不 作具体介绍。

二、输入接口
1. 开关输入接口 对于一些二值型控制命令和参数，常采用简单 的开关作为输入设备。 控制微机通过 I/O 口或扩展 I/O 口对开关点电 位进行检测，从而判断开关的状态。由于这类开 关都是机械开关，机械触点的弹性作用使开关在 闭合及断开瞬间产生抖动，造成开关点点电位产 生一系列脉冲，电压抖动时间的长短，与机械特 性有关，一般为 5～10ms。按钮的稳定闭合期由 操作员的按键动作决定，一般在几百微秒至几秒 之间。所以，在进行接口设计时需要采取软件或 硬件措施进行消抖处理。

一、A/D转换接口

A/D 转换是从模拟量到数字量的转换，它是 信息采集系统中模拟放大电路和CPU的接口，见下 图。A/D转换芯片种类繁多，主要有逐次比较式、 双积分式、量化反馈式和并行式。
一、A/D转换接口
1．A/D 转换的主要环节和常用术语 (1) 多路选择模拟开关 (2) 信号调节器 作用是调节模拟信号的幅度，使模拟信号的 大小符合A/D转换的要求 (3) 采样保持和孔径误差 采样保持的作用是减小孔径误差。模拟量转 换成数字量需要一个时间过程，对于一个动态模 拟信号，在A/D转换器接通的孔径时间里，输入模 拟信号的值是不确定的，从而引起输出的不确定 性误差。


二、输入接口
(c) 去除键的机械抖动 其方法是读得键号后延时 10ms，再次读键盘，若此键仍闭合则认为有效， 否则认为前述键的闭合是由于机械抖动或干扰所引 起的； (d) 使控制微机对键的一次闭合仅作一次处理采 用的方法是等待闭合键释放后再做处理。

三、输出接口
目前常用的数码显示器有发光管的 LED 和液晶 的 LCD 两种，显示方式可以是静态显示或动态显 示。 LED 显示器工作在静态显示方式时，其阴极(或 阳极)点连接在一起接地(或+5V)，每一个的段选线 （a ，b，c，d，e，f，g，dp）也分别与一个8位 口相连。LCD 数码显示只能工作在静态显示，并要 求加上专门的驱动芯片4056 。
二、输入接口
从表中可以看出，若将A 线作为控制线，将 1、2、4、 8 线作为数据线，当A线接 到控制电平时，数据线输出 的即是与拨盘位置相对应的 BCD码。 一片拨盘可以输入一位 十进制数，当需要输入多位 十进制数时，可以选用多片 拨盘拼接，并通过相应的接 口设计给每片拨码盘赋予相 应的十进制权值。
二、输入接口

(b) 动态接口
当进行读码盘操作时，将P1.7置为低电平， P1.4、P1.5、 Pl.6置为高电平，此时从P1.0～P1.3读取的即为第四位码盘 (千位)的值。同理，分别将P1.6、P1.5、P1.4中的一位置为低 电平，而将其它输出口线置为高电平，即可从P1.0～P1.3读取 百位、十位和个位的输入值。

一、人机接口类型及特点
1. 专用性 每种机电一体化产品都有其自身特定的功能， 对人机接口有着不同的要求，所以在制定人机接 口的设计方案时，要根据产品的要求而定。 2. 低速性 与控制机的工作速度相比，大多数人机接口设 备的工作速度很低，在进行人机接口设计时，要 考虑控制机与接口设备间的速度匹配，以提高系 统的工作效率； 3. 高性价比 在满足功能要求的前提下，输入、输出设备配 置以小型、微型、廉价型为原则。
二、输入接口
(2) 键盘接口电路 下图示出了8031通过 P1口与一个4×4键盘的 接口电路，其中P1.0～P1.3作行扫描输出线， P1.4～P1.7作列检测输入线。

二、输入接口
(3) 键输入程序 键输入程序具有下面四项功能： (a) 判断键盘上有无键闭合 其方法为在扫描线 P1.0～P1.3上全部送“0”，然后读取P1.4～P1.7 状态，若全部为“1”，则无键闭合，若不全为 “1”，则有键闭合； (b) 判别闭合键的键号 其方法为对键盘行线进 行扫描，依次从P1.0、P1.1、Pl.2、P1.3 送出低 电平，并从其它行线送出高电平，相应地顺序读 入P1.4～P1.7的状态 ， 若P1.4～P1.7全为“1”， 则行线输出为“0”的这一列上没有键闭合；若 P1.4～P1.7不全为“1”，则说明有键闭合。行列 交叉点即为该键键号，例如P1.0～P1.3输出为 1101，读回P1.4～P1.7为1011， 则说明位于第3 行与第2列相交处的键处于闭合状态，键号为6；

三、输出接口
1. 七段数码显示与 8031 的接口 LED显示器工作在动态显示方式时，段选码端 口I/O1用来输出显示字符的段选码，I/02 输出位 选码。 I/O1不断送待显示字符的段选码，I/02不 断送出不同的位扫描码，并使每位显示字符停留 显示一段时间，一般为1ms～5ms，利用眼睛的 视觉惯性，从显示器上便可以见到相当稳定的数 字显示。
5.3 机电接口
一、A/D转换接口
二、D/A转换接口 三、控制量输出接口
一、A/D转换接口
机电接口是指机电一体化产品中的机械装置 与控制微机间的接口。按照信息的传递方向，机 电接口分为信息采集接口和控制量输出接口。 信息采集接口 在机电一体化产品中，控制微机要对机械执 行机构进行有效控制，就必须随时对机械系统的 运行状态进行监视，随时检测运行参数，如温度、 速度、压力、位置等。 控制输出接口 控制微机通过信息采集接口 检测机械系统的状态，经过运算处理，发出有关 控制信号，经过控制输出接口的匹配、转换、功 率放大，驱动执行元件去调节系统的运行状态， 使其按设计要求运行。
四、可编程输入/显示接口芯片8279

8729是可编程的 输入/显示接口芯 片，它能自动完 成键盘的扫描输 入和LED扫描显 示输出。键盘部 分提供的扫描方 式可以和具有64 个触点的键盘或 传感器相连，能 自动清除按键抖 动，并实现多键 同时按下的保护。 显示部分按扫描 方式工作，可以 连接8位或16位 LED显示块。

二、接口的分类和特点
2. 机电接口 按照信息和能量的传递方向，机电接口又可分为 信息采集接口（传感器接口）与控制输出接口。信 息处理系统通过信息采集接口接受传感器输出的信 号，检测机械系统运行参数，经过运算处理后，发 出有关控制信号，经过控制输出接口的匹配、转换、 功率放大，驱动执行元件，以调节机械系统的运行 状态，使其按要求动作。

三、输出接口

2. 串行口控制的静态 LCD 显示

右图是串行口扩展 的两位静态LCD显示电路。 当 8031 的串行口不作 通讯使用时，可以使它工 作在移位寄存器方式(方 式0)，扩展74LS164来驱 动LCD静态显示器。工作 在移位寄存器方式时，串 行口的TXD端输出移位同 步时钟，RXD端输出串行 数据，即段选码数据。