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1、 第四章 接口设计概述系统接口设计的基本概念机电一体化系统常用总线人机接口和机电接口设计123 本章导读随着电子技术的迅速发展，内部系统和外围设备也在不断发展和复杂化，使接口技术也成为了现代工业中一门关键的技术，目前，不仅出现了可以执行不同的接口功能的接口芯片，另外，一些接口芯片还自带处理器，可执行接口内部的固化程序，形成智能接口，这些技术使机电一体化系统更加安全和高效。 4.1 接口设计概述n 接口的基本概念机电一体化系统通常都由许多要素和子系统构成，为了确保各个要素与系统之间能够顺利的进行信息，物质能量的传输和转换，在它们之间必须具备有一定的联系条件，这些联系条件都统称为接口。 4.1 接
2、口设计概述n 接口设计的任务及主要类型在机电一体化系统中，在外设与系统之间，常常会出现信号不能匹配的问题，这些问题都需要用接口来解决。例如：（1）信号电平（2）数据传输（3）信号类型（4）数据格式 4.1 接口设计概述传感器信息采集接口人机对话设备机械分系统人机接口控制微机执行元件控制输出接口机电接口图4-1 人机接口与机电接口 4.1 接口设计概述n 接口设计的基本原则及要求 机电一体化系统中的接口通常是由接口电路与之配套的驱动程序组成，就是我们通常说的硬件设计和软件设计。接口电路是接口的骨架，用来实现在被传输的数据、信息在电气上、时间上的匹配；接口程序是接口的中枢，完成接口数据的输入输出，
3、传送可编程接口器件的方式设定、中断设定等控制信息。 4.1 接口设计概述n 接口设计需要满足信息传输和转换的要求l信息采集（信号输入）l驱动控制（信号输出）l变送单元 4.2 常用总线n 任何一个微处理器都要与一定数量的部件和外围设备连接，但如果将各部件和每一种外围设备都分别用一组线路与CPU直接连接，连线将会错综复杂，甚至难以实现。n 为了简化硬件电路设计、简化系统结构，常用一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，这组共用的连接线路被称为总线。 4.2 常用总线n 微机系统中总线的分类：内部总线：是微机内部外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互联；系统总线：是微机中各个
4、功能部件之间相互联结的总线，也叫板级总线；外部总线：是计算机系统之间互联的通信总线。 4.2 常用总线n 微机系统中总线总线的主要功能是传送数据；总线的数据传送能力可以用以下3个主要指标来衡量：（1）总线宽度：指总线能同时传送的数据位数。（2）总线频率：总线每秒钟传输的数据次数。（3）总线带宽：指单位时间内总线上可传送的数据量；总线宽度越宽，频率越高，带宽就越大。总线带宽=总线位宽/8总线工作频率（B/s） 4.2 常用总线n ISA总线ISA（industrial standard architecture）总线标准是IBM 公司1984年为推出PC/AT机而建立的系统总线标准，所以也叫AT
5、总线。它是对XT总线的扩展，以适应8/16位数据总线要求。ISA总线采用独立于CPU的总线时钟，因此CPU可采用比总线频率更高的时钟，有利于CPU性能的提高。但ISA总线没有支持总线仲裁的硬件逻辑，因此不支持多台主设备系统，且ISA上的所有数据的传送必须通过CPU或DMA接口来管理，因此使CPU花费了大量时间来控制与外部设备交换数据。ISA总线时钟频率为8MHz，最大传输率为16MB/s。 4.2 常用总线n ISA总线插槽：（黑色） 4.2 常用总线n ISA总线ISA总线扩展槽的62根信号线分为五类：地址线、数据线、控制线、状态线、辅助线和电源线。AEN A0A19ALEIOR *IOW
6、*地址线/数据线 D0D7MEMR *MEMW *T/C DMA控制信号状态线ISA总线I/O-CHRDY IRQ2IRQ7 DRQ1DRQ3OSCCLKVCCGND辅助线电源线 DACK0DACK3*RESET DRV 4.2 常用总线n EISA总线EISA(Extended Industrial StandardArchitecture)总线是一种在ISA基础上扩充开放的总线标准， 它与ISA完全兼容，它从CPU中分离出了总线控制权，是一种智能化的总线，能支持多总线主控和突发方式的传输。 EISA总线的时钟频率为8MHz， 最大传输率可达33MB/s，数据总线为32位，地址总线为32位，
7、扩充DMA访问。 4.2 常用总线n VESA 总线VESA（video electronics standard association）总线是 1992年由60家附件卡制造商联合推出的一种基于80486CPU的32位局部总线，简称为VL(VESA local bus) 总线。所谓局部总线是指在系统外，为两个以上模块提供的高速传输信息通道。 VL-Bus是由CPU总线演化而来的，采用CPU的时钟，频率达33MHz、数据线为32位，配有局部控制器。通过局部控制的判断，将高速I/O直接挂在CPU的总线上，实现CPU与高速外设之间的高速数据交换。 4.2 常用总线n VESA 总线CPU Cach
8、eRAMVESA总线高速设备RAM传统总线控制器传统总线（ISA、EISA、MCA、.）设备.设备VESA总线系统结构 4.2 常用总线n PCI总线PCI(peripheral component interconnect)总线是当前最流行的总线之一。与CPU时钟频率无关，自身采用33MHz的时钟频率，定义了32位数据总线，且可扩展为64位，数据传输率达132246MB/s。PCI总线主板插槽的体积比原ISA总线插槽还小，其功能比VESA、ISA有极大的改善，支持突发读写操作，最大传输速率为132MB/s，可同时支持多组外围设备。PCI控制器有多级缓冲，可把一批数据快速写入缓冲器中。在这些数
9、据不断写入PCI设备过程中；CPU可以执行其他操作，即PCI总线上的外设与CPU可以并行工作。 4.2 常用总线n PCI总线的主要特点l运行速度快，可扩展性好；l兼容性好，稳定可靠；l使用方便，自动配置；l规范标准严格；l价格低、高效益。 4.2 常用总线n PCI总线的结构CPU CacheRAMCPU总线PCI控制器PCI总线传统总线控制器PCI设备PCI设备 . PCI设备传统总线（ISA、EISA、MCA、.）设备.设备 4.2 常用总线n PCI Express PCI Express采用了目前业内流行的点对点串行连接，比起PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自
10、己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率，达到PCI所不能提供的高带宽。PCI Express的接口根据总线位宽不同而有所差异，包括X1、X4、X8以及X16（X2模式将用于内部接口而非插槽模式）。较短的PCI Express卡可以插入较长的PCI Express插槽中使用。 4.2 常用总线n PCI Express PCI Express接口能够支持热拔插，这也是个不小的飞跃。用于取代AGP接口的PCI Express接口位宽为X16，将能够提供5GB/s的带宽，即便有编码上的损耗但仍能够提4GB/s左右的实际带宽，远远超过AGP 8X的2.1GB/
11、s的带宽。 4.2 常用总线n PCI Express PCI Express插槽（黄色和绿色） 4.2 常用总线n AGP标准随着20世纪90年代Pentium系列微处理器的出现，要求的总线频率都在66MHz或者66MHz以上，由于PCI总线的频率只有33MHz，这样就成了超高速系统的一个传送瓶颈，为了解决这个问题，而推出了AGP（Accelerated Graphics Port）标准。通过在主内存与显示卡之间提供一条直接的通道，使3D图形数据越过PCI总线直接进入显示子系统。 4.2 常用总线n STD总线ISA、VESA、PCI总线都是一种局部总线，不支持多CPU并行处理，不存在多CP
12、U资源共享；STD总线是美国PRO-LOG公司1978年推出的一种工业控制微型机的标准系统总线，可以在一个计算机机箱内共存多块CPU，互不相干又相互支持、功能强大的系统总线。STD总线采用小板结构，高度模块化，是一种以小尺寸插板结合LSI技术建立的一种以功能模块的方法来进行面向控制的系统总线。STD被国际标准化会议定名为IEEE961。 4.3 人机接口n 人机接口是检测与仪器系统不可缺少的重要组成部分，它是操作者与机电一体化系统之间进行信息交换的接口。n 按照信息的传递方向，可以分为两大类：输入接口和输出接口。 4.3 人机接口n 人机接口设计中应考虑的因素：l不同的机电一体化产品有其自身的
13、特点功能，对接口有不同的要求，要根据具体情况而定；l微机与接口设备的速度匹配问题；l软硬件相结合，二者缺一不可；l尽量利用计算机系统成熟的人机接口；l要逐渐实现智能化；l在满足系统功能的基础上，设计时以小型、廉价为原则，提高整个机电一体化系统的性价比。 4.3 人机接口n 输入接口在机电一体化系统中，常见的输入设备有控制开关，按键，键盘等，它们共同的特点就是在CPU允许输入接口进行数据输入的时候，将外设的数据传送到数据总线上。 4.3 人机接口n 简单开关输入接口设计输入波形R:上拉电阻输入口OFF:高电平ON: 低电平 4.3 人机接口n 简单开关输入接口设计无抖动开关：OFF开关：ON高电平低电平时间有抖动开关：OFF开关：ON发生抖动的时间10ms以下 4.3 人机接口n 简单开关输入接口设计硬件去抖开关：OFF开关：ONR积分后的输出SW史密斯触发器C史密斯触发器的输出积分电路（a
