机电一体化接口技术叶茂林

《机电一体化》课程论文

浅议机电一体化系统的接口技术

叶茂林

(铜陵学院机械工程学院10级1班1010111143)

摘要：机电一体化技术室利用微电子技术，赋予机械系统“智能”，使其具有更高的自动化程度，最大限度地发挥机械能力的一种技术。接口技术是在机电一体化技术的基础上发展起来的,随着机电一体化技术的发展而变得越来越重要。本文以机电一体化控制系统(微电子系统)为例,将接口分为人机接口与机电接口两大类进行探讨。

关键词：机电一体化接口技术人机接口机电接口

中图分类号：TH-39

Shallow Discussion of Mechatronics System Interface Technology

YE Maolin1, 2

( 1. Tongling College of Mechanical Engineering College Class 1 of Grade 10, 1010111143;

2. College of Mechanical Engineering , Tongling College, Tongling)

Abstract：Mechatronics engineering office use of microelectronics technology, mechanical systems "smart", make its have a higher degree of automation, maximize the mechanical capabilities of a technology.Interface technology is developed on the basis of the electromechanical integration technology.With the development of the electromechanical integration technology and become more and more important.based on mechatronics control system as an example, the interface is divided into two major categories of man-machine interface and electromechanical interface were discussed.

Key words：mechatronics Interface technology The man-machine interface Mechanical and electrical interface

0 前言

在20世纪60年代以前，人们开始有意识无意识利用电子技术来提升机械产品的性能。尤其在第二次世界大战时期，战争强烈刺激了电子科技与机械技术的融合，战后这些尖端的军用技术渐渐转为民用，对战后经济的复苏起了关键的作用。当时的电子科技还未达到现如今的水平，机械技术与电子科技的融合还不能做到广泛和深入，因而这种新的技术所开发的产品无法被大量推广。

20世纪70年代，计算机、通信、控制等学科的发展，为机电一体化的发展奠定了坚实的技术基础。大规模，超大规模集成电路以及微型计算机的迅猛发展，给予机电一体化充分的物质基础。

直到20世纪90年代后期，机电一体化开始由技术向智能化方向发展，机电一体化进入深层发展期。一方面信息处理技术、通信技术等开始进入了机电一体化领域，微处理技术也在机电一体化中崭露头角，进而出现了微机电一体化和光机电一体化等新的分支；另一方面，机电一体化整体系统也开始了对集成方法、建模设计和分析等方面的深入研究。与此同时，神经网络技术，人工智能技术以及光纤技术等也取得了很大进步，这为机电一体化开辟了新的广阔天地。

接口技术是一门新兴技术，它研究机电一体化系统中各组成部分和各组成技术之间的接口问题。机电一体化经历了三十年的发展，其内涵随科技的发展不断更新，不断丰富。特别是人类进入21世纪以来，面对市场竞争日趋激烈，消费观不断变化，人们对机电一体化产品的输出柔性、工作性能及可靠性方面越来越高的要求。要将机电产品视为一个整体系统，研究如何将机械、电子、智能等密切而和谐地结合在一起，为统一设计目的而合作。因此，机电一体化的接口技术对机电一体化的分析和研究起着举足轻重的作用。接口技术是为了进行系统中

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信息能量的交互，融合各种技术，实现机电一体化最优化设计。

1 接口技术的起源和现状

1.1 接口技术的起源

接口技术是在机电一体化技术发展的基础上产生的。自20世纪70年代，机电一体化产生到现在，随着科学技术和人类社会的进步，机电一体化的内涵也在发展，最初的机电一体化是指机械与电子的结合，机电一体化产品也较简单。80年代，高性能微处理器的出现立即在机电一体化产品中得到应用，大大提高了机电产品的自动化、智能化程度、改善了产品性能。随着微电子技术、信息技术、自动化技术、新材料技术、生物技术等向经济、军事和社会生活的各个领域渗透，机电一体化也产生了新的变化，几乎遍及每一个领域。此时，机电一体化已不只是机械装置与电子装置的简单组合，而是机械、电子、控制、光学、信息技术和计算机技术的相互交叉和融合。

机电一体化技术是集机械技术、伺服驱动技术、计算机技术、自动控制技术、检测传感技术、网络通讯技术、系统整体技术等为一体的学科。目前，机电一体化正沿着智能化、模块化、网络化等方向发展。随着机电一体化的发展，其各组成技术的研究日益深入。同时，人们也意识到单纯发展和研究各组成技术并不能保证机电一体化系统的最优化。因此，邹慧君等研究了机电一体化概念设计、提出了三个子系统模型；刘金月等提出了机电一体化系统集成和融合的理论，这些都是机电一体化系统设计的一种表现。机电系统设计时要研究多种学科技术的各自特征，从系统整体出发，处理好各学科的特征参量之间的要求、关系和耦合条件，分析和解决机电系统设计中的具体问题，寻求最优方案，以达到最优化效果。

接口技术就是在这种情况下产生的，它是解决如何把机电及相关领域技术有机地融为一体，从而设计出最优的机电一体化产品的研究领域。机电接口技术是研究机电一体化系统中各组成部分（子系统）和各组成技术之间的接口问题。研究这门技术是为了更有效地进行系统中信息能量的交互，融合各种技术，实现机电一体化系统最优化设计。

1.2 接口技术的现状

社会需求推动机电一体化技术的发展。当传统的机械技术无法满足日益增加的社会需求时，机械技术与电子技术、信息技术等结合形成的机电一体化技术就成了机械技术发展的必然。机电一体化技术产生之初，仅是机械技术与电子技术的简单结合，它们结合的方式——接口也比较简单，而随着机电一体化技术的发展，机电一体化产品已经发展成为集多种技术于一体的复杂系统，相应的系统内部的接口也就变得越来越复杂。机电一体化中接口技术随科技的发展不断更新，不断丰富。特别是人类进入21世纪以来，面对市场竞争日趋激烈，消费观不断变化，人们对机电一体化产品的输出柔性、工作性能及可靠性方面越来越高的要求。传统机械产品正沿着智能化、网络化，模块化、微型化、自动化等机电一体化新阶段迈进。新兴的机电接口技术是一门交叉科学技术，它的出现和发展必将带动机电一体化产品向更高层次方向发展，以满足人们不断丰富和发展的物质、文化和精神上的要求。机电一体化在21世纪机械产品的设计和开发中将发挥重要的作用。由于机械系统与微电子系统在性质上有很大的差别，两者之间的联系必须通过接口技术进行调整、匹配、缓冲、因此机电接口技术起着非常重要的作用。

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、能量和信息的传递和转换。因此，各要素与子系统相连处必须具有一定的联系条件，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部分称为接口。接口技术的功能是负责实现CPU通过系统总线把I/O电路和外围设备联系在一起。具体是设置数据的寄存、缓冲逻辑，以及适应CPU与外界设备之间的速度差异，接口通常由一些寄存器或RAM 芯片组成，如果芯片足够大还可以实现批量数据的传输，能够进行信息格式的转换，能够协调CPU 和外界设备两者在信息的类型和电平的差异，如电平转换驱动器、数/模或模/数转换器等。协调时序差异、地址译码和设备选择功能，设置中断和DMA 控制逻辑，以保证在中断和DMA允许的情况下产生中断和DMA请求信号，并在接受到中断和DMA 之后完成中断处理和DMA传输。现如今的机电一体化接口技术发展已经日趋成熟，分类越来越多越来越细，研究的深度也在逐步加大，机电接口技术已经广泛应用于各大领域。

2 接口技术的分类

2.1 机电接口

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机械系统和电子系统在性质上存在巨大差别，这决定了机电接口在调整、缓冲和匹配上的技术必须是稳定而成熟的，否则便会给机械和电子系统带来损坏。

在调整过程中，需要进行转换电平和放大功率、抗干扰隔离和进行A/D或是D/A的转换。这是基于微机和机械的电平芯片不一致，防止信号的串入和保证微机处理数字量匹配被控的模拟量。

接口技术是研究机电系统中各组成部分（子系统）和各组成技术之间的连接问题，研究这门技术是为了更有效的解决系统中信息能量的交换和融洽、并最终实现机电系统最优化。

机电接口传递和转换信息及能量，并将各组成系统的技术融为一体。接口技术包括硬件和软件，硬件主要是在于系统之间或机电系统和操作者之间建立连接，为信息和能量的输入/输出，传递和转换提供物理通道；软件主要是提供系统信息交互、转换、调整的方法和过程，协调和综合机电一体化组成技术，是各子系统集成并融合一个整体，实现新的功能。

机电借口的特点：

1）模拟信号输入接口特点

机电一体化中的输出信号是模拟电压或是电流信号的，这些信号是由传感器或变送器发出的。计算机对机械进行控制的时候必须通过模拟信号的输入接口将模拟电信号转化为微机能够识别的数字信号。模拟信号输入接口包括四个方面：模拟数字信号转换器、模拟信号前置放大器、数字控制接口和多路信号切换采样器。其中模拟数字信号转换器是此种输入接口的核心组成部分。它的特点是：通过对电流或电压信号的处理实现数字信号的转换，及时将机械系统要执行的任务交给微电子系统，节省时间。

2）模拟信号输出接口的特点

机器要执行的任务由计算机指导、微机将接受的机械系统信号进行处理后，得出要执行任务的数字信号，在转换成电流或是电压信号通过模拟信号输出接口传递给执行器，执行任务。在这个转换过程中，通常需要放大D/A输出的微弱电流信号直接控制执行机器的行为。

3）开关系统接口的特点

开关系统看似简单，却作为控制依据指导人们通过计算机进行对机器的控制。机械的启动和停止、阀门的开关、指示灯的亮灭、接触器的闭合与打开等都对应着计算机的二进制逻辑信号1和0。开关系统包括输入通道接口和输出通道接口。通过输入通道接口，计算机获得来自控制过程的开关信号。

由于机器的逻辑电平不同于计算机的数字电平，在进行逻辑电平信号转化为数字电平信号的过程中，需要考虑到电平隔离、转换电路和输入缓冲器等设计。输出通道接口则是将计算机处理过的开关信号（包括驱动器、输出口电子译码的电路等）传给开关执行器，实现计算机对机器发出的执行命令的控制。

2.1 人机接口

人机接口是操作者与机电系统（主要是控制微机）之间进行信息交换的接口。

人与机电系统之间的接口一般用来提高操作简便性，给操作人员提供控制并监视系统运行状态的功能，能使系统按照人的指令进行工作。通常在考虑人机接口的时候，一方面要考虑机电系统通过显示器呈现给机器操作者的各种状态；另一方面要考虑机器操作者的各种控制命令。其控制命令为双向，一般包括键盘、按钮、屏幕显示器等输入输出设备。

人机接口作为操作者和机器之间的通道需要考虑一下几个方面的设计特点：

1）低速和稳定性：人不同于微机，在处理微机接收到的命令的时候要考虑到微机的高速和人机接口的低速匹配，在收到外界影响时关注人类指令变化，而非简单的自我处理，做到以输入指令为准，自主判断为辅，对输入输出的信息进行稳定转换与反应。

2）专业和人性化：每一个行业的机电一体化产品都需要考虑执行者的知识专业性，同时也要考虑符合操作者工作习惯的设计概念。人机接口的方案都是要经过多次试用，最终确定的方案务必在满足机电系统原始操作功能的基础上，达到系统与控制者行为合一，思维同步的境界。

3）高质量：微机的质量同机械的质量已经在实践竞争中得到了很好的诠释。而人机接口的输入输出设备必须和两大系统的质量相匹配，并且要考虑体积和价格。只有三者都考虑了才能对高负荷、高速度运行的机电一体化产品设备提供可靠的操作保障。

3 接口技术的应用

3.1 机电接口在微电子系统的应用

由于机械系统与微电子系统在性质上有很大区别，两者间的联系必须通过机电接口进行调整、匹配、缓冲，因此机电接口起着非常重要的作用。

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1）行电平转换和功率放大。一般微机的I/O 芯片都是TTL电平，而控制设备则不一定，因此必须进行电平转换，另外在大负载时还需要进行功率放大。

2）抗干扰隔离。为防止干扰信号的串入，可以使用光电耦合器、脉冲变压器或继电器等把微机系统和控制设备在电器上加以隔离。

3）进行A/D或D/A转换。当被控对象的检测和控制信号为模拟量时，必须在微机系统和被控对象之间设置A/D和D/A转换电路，以保证微机所处理的数字量与被控的模拟量之间的匹配。

3.2 人机接口在微电子系统的应用

人机接口是操作者与机电系统（主要是控制微机）之间进行信息交换的接口。按照信息的传递方式，可以分为输入和输出接口两大类。机电系统通过输出接口一方面向操作者显示系统的各种状态、运行参数及结果等信息；另一方面操作者通过输入接口向机电系统输入各种控制命令，干扰系统的运行状态以实现所要求的功能。

1）拨盘输入接口。拨盘是机电一体化系统中常见的一种输入设备，若干系统需要输入少量的参数，如修正系数、控制目标等，采用拨盘较为方便，这种方式具有保护性。拨盘的种类很多，最为人机接口使用最方便的是十进制输入、BCD码输出的BCD的拨盘。BCD码拨盘可以直接与控制微机的并行口或扩展口相连，以BCD码方式输入信号。

2）键盘输入接口。键盘是一组按键集合，向计算机提供被按键的代码。

5 结论

接口技术广泛深入地用机电一体化技术改造传统产业，开发机电一体化产品，促进机电产品的更新换代。总的目的是促进机电一体产业的形成、为我国产业结构和产品结构调整作贡献。

它的发展趋势可以归结为“四个化”：柔性化、灵捷化、智能化、信息化.即使工艺装备与工艺路线能适用于生产各种产品的需要，能适用于迅速更换工艺、更换产品的需要,使其与环境协调的柔性,使生产推向市场的时间最短且使得企业生产制造灵活多变的灵捷化,还有使制造过程物耗,人耗大大降低,高自动化生产,追求人的智能于机器只能高度结合的智能化以及主要使信息借助于物质和能量的力量生产出价值的信息化。

当然机械制造业的四个发展趋势不是单独的，它们是有机的结合在一起的，是相互依赖，相互促进的。同时由于科学技术的不断进步，也将会使它出现新的发展方向。前面我们看到的是机械制造行业其自身线上的发展。然而，作为社会发展的一个部分，它也将和其它的行业更广泛的结合。21世纪机械制造业的重要性表现在它的全球化、网络化、虚拟化、智能化以及环保协调的绿色制造等。它将使人类不仅要摆脱繁重的体力劳动，而且要从繁琐的计算、分析等脑力劳动中解放出来，以便有更多的精力从事高层次的创造性劳动，智能化促进柔性化，它使生产系统具有更完善的判断与适应能力。当然这一切还需要我们大家进一步的努力。

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