1.要實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化系統(tǒng)各部分的有機(jī)連接，離不開(kāi)接口技術(shù)
機(jī)械技術(shù)與微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等高新技術(shù)的有機(jī)結(jié)合是機(jī)電一體化技術(shù)的靈魂。
這種結(jié)合，不是簡(jiǎn)單的組合、拼湊，而是相互融合。在技術(shù)上體現(xiàn)為機(jī)械技術(shù)與微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等高新技術(shù)的橫向交叉、滲透和綜合集成，從而產(chǎn)生了一種新的學(xué)術(shù)思想和技術(shù)手段，達(dá)到各自單獨(dú)所不能達(dá)到的境界。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)為機(jī)械裝置與電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)硬件與軟件合理配置，形成一個(gè)互相聯(lián)系的有機(jī)整體，協(xié)調(diào)一致地實(shí)現(xiàn)其功能。這種結(jié)合的目的在于設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)性能優(yōu)良、功能完善、效率高、柔性好、自動(dòng)化程度強(qiáng)的工程系統(tǒng)，為人類(lèi)生產(chǎn)和生活領(lǐng)域的自動(dòng)化與****化服務(wù)。伴隨著電子技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，接口技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了分立元件、專(zhuān)用接口單元、集成接口芯片、多功能接口卡、即插即用高性能接口等階段。今后發(fā)展趨勢(shì)是進(jìn)一步拓寬功能，縮小體積，降低功耗，人工智能比等。因此，了解和掌握接口技術(shù)對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要意義。
要實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化系統(tǒng)各部分的有機(jī)連接，離不開(kāi)接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化系統(tǒng)各個(gè)部分有機(jī)連接和轉(zhuǎn)換的技術(shù)為機(jī)電接口技術(shù)。由于接口技術(shù)是機(jī)電一體化系統(tǒng)各個(gè)部分的橋粱，它的發(fā)展必須適應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)以及系統(tǒng)通信技術(shù)等的發(fā)展，它同樣也經(jīng)歷了從分立電子元件電路到集成電路、大規(guī)模集成電路和智能化接口的發(fā)展歷程。機(jī)電接口是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化集成的關(guān)鍵技術(shù)之一，它對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)中的各個(gè)部分起到協(xié)調(diào)作用。機(jī)電一體化系統(tǒng)通常都比較復(fù)雜，整體協(xié)調(diào)尤其重要。顯然，即使各個(gè)組成部分技術(shù)先進(jìn)、性能和可靠性都很好，但若整個(gè)系統(tǒng)不能很好地協(xié)調(diào)，仍然不能達(dá)到理想的效果。接口技術(shù)是系統(tǒng)總體技術(shù)中的一個(gè)重要方面，它是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部分有機(jī)連接的保證。眾所周知，僅單獨(dú)有機(jī)械或電子的系統(tǒng)，其接口概念并不突出，但是，機(jī)電一體化是不同技術(shù)的復(fù)合過(guò)程，其接口技術(shù)則顯得格外重要，突出成為了技術(shù)重點(diǎn)和關(guān)鍵難點(diǎn)。
“狹義接口”是指計(jì)算機(jī)接口，機(jī)電一體化系統(tǒng)中更重要的是系統(tǒng)各要素之間的“廣義接口”。在系統(tǒng)各要素或子系統(tǒng)之間，必須平穩(wěn)地進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的輸入和輸出，因此，在相互連接要素的交接面上必須具備相應(yīng)的某些條件才能連接，該交接面就稱(chēng)為接口。
接口可分為直接接口和接口系統(tǒng)兩種形式。直接接口是利用于系統(tǒng)或要素本身具有接口性能的那一部分進(jìn)行連接；接口系統(tǒng)是借助中間系統(tǒng)的接口部分與相應(yīng)子系統(tǒng)進(jìn)行連接。復(fù)雜系統(tǒng)中采用接口系統(tǒng)的可能性較多。與其他系統(tǒng)一樣，接口系統(tǒng)是由物質(zhì)、能量和信息的輸入／輸出功能以及參數(shù)的變換與調(diào)整功能組成的。
在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，認(rèn)真處理接口設(shè)計(jì)是很重要的。它是保證產(chǎn)品具有高性能、高質(zhì)量的必要條件，這是機(jī)電一體化系統(tǒng)的復(fù)雜性所決定的。
2．在硬件接口設(shè)計(jì)中不能忽視優(yōu)化設(shè)計(jì)的直覺(jué)優(yōu)化法的思路
接口設(shè)計(jì)的直覺(jué)優(yōu)化法包括：①低功耗設(shè)計(jì)；②可靠性、安全性設(shè)計(jì)；③經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)；④采用新技術(shù)、新器件設(shè)計(jì)等。其硬件設(shè)計(jì)的基本原則為：
(1)高可靠性設(shè)計(jì)高可靠性是任何系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本出發(fā)點(diǎn)之一。提高可靠性可由硬件、軟件和硬軟件結(jié)合三方面人手。在硬件設(shè)計(jì)中除了選擇合理的硬件結(jié)構(gòu)、性能穩(wěn)定的元器件外，還要考慮線路設(shè)計(jì)、具體布線、元器件篩選及裝配等一系列相應(yīng)問(wèn)題。衡量可靠性的指標(biāo)一般用平均無(wú)故障時(shí)間(MTBE)來(lái)表示。當(dāng)然，MTBE越長(zhǎng)越好，但是這與費(fèi)用成正比，所以應(yīng)根據(jù)具體要求考慮。例如，不可停止的系統(tǒng)需要考慮采用備份，以便在一旦出現(xiàn)故障時(shí)可以立即投入備份保持工作不停止。而對(duì)短期故障可容許的，則可對(duì)MTBE放低要求。
(2)簡(jiǎn)單化設(shè)計(jì)應(yīng)使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，硬件少，盡量少采用分立元件，可使硬件運(yùn)行可靠性提高。不要盲目單純追求高性能和高水平，禁忌人為地增加復(fù)雜性從而降低了可靠性。應(yīng)提倡簡(jiǎn)單而可靠的設(shè)計(jì)思想。
(3)模塊化設(shè)計(jì)模塊化的設(shè)計(jì)便于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，提高設(shè)計(jì)效率，易于調(diào)試與維護(hù)。
(4)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)接口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所涉及的問(wèn)題包括：輸入、輸出通道引出線的機(jī)電設(shè)計(jì)
和機(jī)械支撐外框架的設(shè)計(jì)。在現(xiàn)場(chǎng)，許多故障來(lái)源于不良的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)保證機(jī)械結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，電氣接觸良好，連接插件可靠，功率充裕，機(jī)械和電氣上都能抗振、抗拉扯，還應(yīng)便于測(cè)試和維修。目前大多采用D型插頭座，可用于電壓較高、電流較大的引線場(chǎng)合，例如，100V／2A。
3·接口設(shè)計(jì)時(shí)刻不可忘記對(duì)于可靠性及電磁兼容(EMc)的考慮
可靠性及電磁兼容是近年來(lái)的一項(xiàng)熱門(mén)話題。接口設(shè)計(jì)的基本原則之一就是可靠性，而電磁兼容設(shè)計(jì)是可靠性設(shè)計(jì)的重要組成部分。電磁兼容是指干擾與有用信號(hào)共同存在，但不損害所需要的信息，在接口設(shè)計(jì)中，電磁兼容的考慮主要是解決抗干擾問(wèn)題。產(chǎn)生電磁干擾噪聲的原因很多，噪聲的頻譜寬窄不一，時(shí)間有長(zhǎng)有短，周期性噪聲、隨即性噪聲互相交織，傳遞的途徑多種多樣等。因此要使接口穩(wěn)定可靠地工作，必須弄清楚干擾噪聲的來(lái)源、傳播途徑以及干擾敏感的元、部件等，并采取必要的抗干擾措施。抗干擾的主要措施是：采用濾波、屏蔽，切斷傳播途徑，使噪聲源與噪聲的接收保持一定的時(shí)間差等。****清除干擾是不司能的，也是不必要的�？捎捎布蛙浖䞍蓚�(gè)方面解決接口設(shè)計(jì)中的抗干擾問(wèn)題。
(1)硬件抗干擾硬件抗干擾實(shí)時(shí)、方便、作用快、效果明顯，常用的方法有：
1)電源系統(tǒng)抗干擾措施①在交流電源進(jìn)線端加濾波器或于擾抑制器，市場(chǎng)有成品可供選用。
�、谠谒O(shè)計(jì)的接口卡的電源輸入部分加去耦電容50～100μP和0.01～0 05μF，集成電路的電源引腳也要加去耦電容0．01～0．03p,F。電源線要設(shè)計(jì)得粗些。
2)地線設(shè)計(jì)中的抗干擾④機(jī)殼地要良好接地，以有效地起到屏蔽電磁干擾和保護(hù)人身安全的作用。
②傳感器輸出信號(hào)地要與屏蔽地相連后在現(xiàn)場(chǎng)接地。
�、嘣O(shè)計(jì)電路板時(shí)要注意板上的數(shù)字信號(hào)地與模擬信號(hào)地應(yīng)分別連接好以后，再以一點(diǎn)相連；在設(shè)計(jì)某些高速或模擬電路時(shí)應(yīng)按要求用地線包圍一些敏感的器件，板上地線也要設(shè)計(jì)得粗些。
3)現(xiàn)場(chǎng)布線的抗干擾①?gòu)?qiáng)、弱信號(hào)線要分開(kāi)敷設(shè)。
②弱信號(hào)線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離強(qiáng)電設(shè)備和開(kāi)關(guān)起停頻繁的設(shè)備。
�、蹢l件允許時(shí)，應(yīng)盡量把弱信號(hào)線中的傳感器信號(hào)輸出線單獨(dú)敷設(shè)，****穿管(鐵管在現(xiàn)場(chǎng)接地)。
�、軅鞲衅餍盘�(hào)輸出線應(yīng)使用雙絞線或屏蔽線，并將屏蔽線在現(xiàn)場(chǎng)接地。
4)隔離抗干擾的幾種方法①光電隔離：在接口電路中采用光電隔離是最有效、******的抗干擾措施之一。其作原理是輸入電信號(hào)經(jīng)發(fā)光二極管轉(zhuǎn)換為光信號(hào)后，再由光敏晶體管把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了輸入、輸出電信號(hào)在電氣上的完全隔離。光電隔離器的種類(lèi)按輸出結(jié)構(gòu)可分為：晶體管輸出型，施密特觸發(fā)器輸出型，達(dá)林頓管輸出型，單、雙向晶閘管輸出型，過(guò)零觸發(fā)雙向晶閘管輸出型等，可按需要選用。光電隔離器最主要的用途是用于數(shù)字量的輸入、輸出隔離，很適用于微機(jī)與外設(shè)間接口電路的數(shù)字信息傳輸，使用也很簡(jiǎn)單。在隔離方式上有兩種：整體式(總線級(jí)隔離)和分布式隔離(模板級(jí)隔離)。前者是在主機(jī)系統(tǒng)總線與外部通道系統(tǒng)問(wèn)統(tǒng)一采取光隔離措施，易于實(shí)現(xiàn)真正的完全隔離；后者則是在 各I／O接口電路中采取光隔離措施，可防止通道間相互干擾，但是硬件開(kāi)銷(xiāo)較大。
�、谧儔浩鞲綦x：采用變壓器進(jìn)行電氣隔離也是常用的隔離方法之一，但變壓器只能傳遞交變的信號(hào)，即傳遞由低頻到高頻的各種模擬信號(hào)以及數(shù)字脈沖信號(hào)。
�、劾^電器式隔離：是利用繼電器的切換來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入、輸出信號(hào)的隔離，其工作速度較慢。
(2)軟件抗干擾接口軟件的設(shè)計(jì)是整個(gè)控制應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的一部分。軟件抗干擾的前提是抗干擾軟件不會(huì)因受干擾而損壞，軟件抗干擾措施具有一定的針對(duì)性，對(duì)不同性質(zhì)的干擾采取的措施各不相同。軟件抗干擾是指與接口密切相關(guān)的一些軟件技巧，如：
1)除采用硬件消除開(kāi)關(guān)的抖動(dòng)干擾外，還可采用軟件方法來(lái)消除開(kāi)關(guān)、按鈕的抖動(dòng)。
具體方法是采用軟件延時(shí)選通，在時(shí)間上避開(kāi)抖動(dòng)。
2)采用數(shù)字濾波，消除和減少由干擾帶給數(shù)據(jù)采集中的隨機(jī)誤差。接口設(shè)計(jì)要充分考慮可測(cè)試性及可維護(hù)性。一個(gè)良好的設(shè)計(jì)必須是可以被測(cè)試和可維護(hù)的。通過(guò)測(cè)試可以了解設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，以及是否符合設(shè)計(jì)要求，工作狀態(tài)是否正常。如果工作狀態(tài)不正常，可以通過(guò)必要的測(cè)試查找故障�？删S護(hù)性是說(shuō)當(dāng)產(chǎn)品發(fā)生故障時(shí)，可以進(jìn)行維修并排除故障。因此，在接口的硬件電路、軟件編程以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須充分考慮到測(cè)試和維護(hù)的可行性。
�、僭谠O(shè)計(jì)硬件電路中要設(shè)置好測(cè)試點(diǎn)，供檢測(cè)故障時(shí)用；在電路元件的選用時(shí)，要考意性能可靠、貨源充足、易于更換。電路設(shè)計(jì)在滿(mǎn)足技術(shù)要求的前提下應(yīng)盡量簡(jiǎn)單。
�、谲浖幊桃惨紤]可測(cè)試問(wèn)題。接口是靠硬軟件協(xié)調(diào)工作的，對(duì)于復(fù)雜的接口應(yīng)設(shè)計(jì)專(zhuān)用的測(cè)試軟件。
�、墼诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上(其中包括接插件的選用與安裝)必須保證電路的可靠性、可測(cè)試、易拆裝等。
4．接口設(shè)計(jì)與分析時(shí)應(yīng)注意全面考慮問(wèn)題，禁忌片面性
(1)軟、硬件綜合考慮無(wú)論是在設(shè)計(jì)還是在分析接口時(shí)，都要做到軟、硬件綜合考慮。因?yàn)椋环矫妫械墓δ芗纯捎捎布䦟?shí)現(xiàn)，也可由軟件實(shí)現(xiàn)，究竟用哪種方法好以及為汁么要采用該方法都是值得研究的。另一方面，軟件和硬件是緊密相關(guān)的，不能截然分開(kāi)，硬件的改動(dòng)必然涉及到軟件的修改。一般應(yīng)盡量簡(jiǎn)化硬件，而在有些功能上可以軟代硬，但也不能使程序太冗長(zhǎng)繁瑣。
(2)邏輯關(guān)系和時(shí)序關(guān)系統(tǒng)籌考慮初學(xué)者在設(shè)計(jì)和分析接口時(shí)，往往把注意力集中在邏輯關(guān)系上，而忽略時(shí)序上的配合。其實(shí)時(shí)序上的關(guān)系尤為重要，如果協(xié)調(diào)不好，即使邏輯上正確，也會(huì)丟失數(shù)據(jù)，甚至cPu根本與外設(shè)聯(lián)絡(luò)不上。因此，從一開(kāi)始就要將雙方的翌輯關(guān)系和時(shí)序關(guān)系統(tǒng)一考慮，從而確保信息的正確傳輸。
(3)簡(jiǎn)單、通用和擴(kuò)展同時(shí)考慮在選擇接口芯片和設(shè)計(jì)接日電路時(shí)，應(yīng)盡量使硬件節(jié)省，邏輯簡(jiǎn)潔，即以“夠用”為度。但有時(shí)所設(shè)計(jì)的接口需要帶不同的外設(shè)，這就要考意通用性問(wèn)題，必要時(shí)可在適當(dāng)位置設(shè)置開(kāi)關(guān)，以方便硬件的變更。另外，系統(tǒng)的擴(kuò)展任務(wù)往往落在接口電路上。園此，如果在以后的使用中系統(tǒng)有擴(kuò)展的可能，首先應(yīng)在接口上留足擴(kuò)展余地。簡(jiǎn)單、通用和擴(kuò)展三者如何兼顧要根據(jù)具體情況而定。
由于微機(jī)越來(lái)越豐富的功能，使它已成為生活、生產(chǎn)、科研等各個(gè)領(lǐng)域的重要工具。然而在微機(jī)系統(tǒng)中，微處理器的強(qiáng)大功能必須通過(guò)外部設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)，而外設(shè)與微處理器之間的信息交換及通信是靠接口完成的。所以，接日技術(shù)是直接影響微機(jī)系統(tǒng)的處理能力和微機(jī) 推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。那么，掌握微機(jī)接口技術(shù)就成為當(dāng)代科技工作者和工程技術(shù)人員應(yīng)用微機(jī)所必不可少的基本技術(shù)。
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