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1、第第6章接口技术章接口技术 6.1接口技术概述接口技术概述 6.2人机交互接口技术人机交互接口技术 6.3模拟量输入模拟量输入/输出通道接口技术输出通道接口技术 6.4总线接口技术总线接口技术 6.1接口技术概述接口技术概述6.1.1接口的定义接口的定义 机电一体化产品或系统由机械本体、检测传感系统、电子控制单机电一体化产品或系统由机械本体、检测传感系统、电子控制单元、执行器和动力源等部分组成，各子系统又分别由若干要素构成。元、执行器和动力源等部分组成，各子系统又分别由若干要素构成。若要将各要素、各子系统有机地结合起来，构成一个完整的机电一体若要将各要素、各子系统有机地结合起来，构成一个完整的
2、机电一体化系统，各要素、各子系统之间需要进行物质、能量和信息的传递与化系统，各要素、各子系统之间需要进行物质、能量和信息的传递与交换，如交换，如图图6-1所示。为此，各要素和子系统的相接处必须具备一定的所示。为此，各要素和子系统的相接处必须具备一定的联系条件，这个联系条件通常被称为接口，简单地说，接口就是各子联系条件，这个联系条件通常被称为接口，简单地说，接口就是各子系统之间以及子系统内各模块之间相互连接的硬件及相关协议软件。系统之间以及子系统内各模块之间相互连接的硬件及相关协议软件。下一页返回6.1接口技术概述接口技术概述6.1.2接口的分类接口的分类 从不同的角度及工作特点出发，机电一体化
3、系统的接口有多种分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口、主动接口和智能接口;根据接口的输入根据接口的输入/输出对象，可将接口分为输出对象，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;根据接口的输入根据接口的输入/输出输出类型，可将接口分为数字接口、开关接口、模拟接口和脉冲接口。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。下一页上一页返回6.1接口技术概述接口技术概述 本
4、章根据接口所联系的子系统不同，以信息处理系统本章根据接口所联系的子系统不同，以信息处理系统(微电子系统微电子系统)为出发点，将接口分为人机交互接口、模拟量输入输出通道接口和为出发点，将接口分为人机交互接口、模拟量输入输出通道接口和总线接口三大类，进行了系统的阐述。总线接口三大类，进行了系统的阐述。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、缓冲的形式、速率
5、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。出接口，操作者对系统的运行状态、各种参数进行监测。下一页上一页返回6.1接口技术概述接口技术概述 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(传感器接口传感器接口)与控制输出接口。信息处理系统通过
6、信息采集接口接收与控制输出接口。信息处理系统通过信息采集接口接收传感器输出的信号，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。行元件，以调节机械系统的运行状态，使其按要求动作。上一页返回6.2人机交互接口技术人机交互接口技术6.2.1人机接口类型及特点人机接口类型及特点 所谓人机交互接口，是指人与计算机之间建立联系、交换信息所谓人机交互接口，是指人与计算机之间建立联系、
7、交换信息的输入的输入/输出设备的接口。这些输入输出设备的接口。这些输入/输出设备主要有键盘、显示器和输出设备主要有键盘、显示器和打印机等。它们是计算机应用系统中必不可少的输入、输出设备，是打印机等。它们是计算机应用系统中必不可少的输入、输出设备，是控制系统与操作人员之间交互信息的窗口。一个安全可靠的控制系统控制系统与操作人员之间交互信息的窗口。一个安全可靠的控制系统必须具有方便的交互功能。操作人员可以通过系统显示的内容，及时必须具有方便的交互功能。操作人员可以通过系统显示的内容，及时掌握生产情况，并可通过键盘输入数据，传递命令，对计算机应用系掌握生产情况，并可通过键盘输入数据，传递命令，对计算
8、机应用系统进行人工干预，使其随时能按照操作人员的意图工作。统进行人工干预，使其随时能按照操作人员的意图工作。下一页返回6.2人机交互接口技术人机交互接口技术 按照信息的传递方向，人机接口可以分为两大类按照信息的传递方向，人机接口可以分为两大类:输入接口与输输入接口与输出接口。机电系统通过输出接口向操作者显示系统的各种状态、运行出接口。机电系统通过输出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，另一方面，操作者通过输入接口向机电系统输入参数及结果等信息，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，干预系统的运行状态，以实现所要求完成的任务。各种控制命令，干预系统的运行状态，
9、以实现所要求完成的任务。下一页上一页返回6.2人机交互接口技术人机交互接口技术 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。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。1.专用性专用性 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。例如，对于简单的二值型控制参数，可以考虑采用控制开关，而定。例如，对于简单的二值型控制参数，可以考虑采用控制开关，对于少量的数值型参数输入，可以考虑使用
10、对于少量的数值型参数输入，可以考虑使用BCD码拨盘，而当系统要码拨盘，而当系统要求输入的控制命令和参数比较多时，则应考虑使用行列式键盘。求输入的控制命令和参数比较多时，则应考虑使用行列式键盘。2.低速性低速性 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，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。提高系统的工作效率。3.高性价比高性价比 在满足功能要求的前提下，输入、输出设备配置以小型、微型、在满足功能要求的前提下，输入、输出设
11、备配置以小型、微型、廉价型为原则。廉价型为原则。下一页上一页返回6.2人机交互接口技术人机交互接口技术6.2.2输入接口输入接口1.按键的确认按键的确认 键盘实际上是一组按键开关的集合，其中每一个按键就是一个开键盘实际上是一组按键开关的集合，其中每一个按键就是一个开关量输入装置。键的闭合与否，取决于机械弹性开关的通、断状态。关量输入装置。键的闭合与否，取决于机械弹性开关的通、断状态。反应在电压上就是呈现出高电平或低电平，例如高电平表示断开，低反应在电压上就是呈现出高电平或低电平，例如高电平表示断开，低电平表示闭合。所以，通过检测电平状态电平表示闭合。所以，通过检测电平状态(高或低高或低)，便可
12、确定按键是，便可确定按键是否己被按下。否己被按下。下一页上一页返回6.2人机交互接口技术人机交互接口技术 2.重键与连击的处理重键与连击的处理 实际按键操作中，若无意中同时或先后按下两个以上的键，系统实际按键操作中，若无意中同时或先后按下两个以上的键，系统确认哪个键操作是有效。有时，完全由设计者的意志决定。如视按下确认哪个键操作是有效。有时，完全由设计者的意志决定。如视按下时间最长者为有效键，或认为最先按下的键为当前按键，也可以将最时间最长者为有效键，或认为最先按下的键为当前按键，也可以将最后释放的键看成是输入键。不过微型计算机控制系统毕竟资源有限，后释放的键看成是输入键。不过微型计算机控制系
13、统毕竟资源有限，交互能力不强，通常采用单键按下有效，多键同时按下无效的原则交互能力不强，通常采用单键按下有效，多键同时按下无效的原则(若系统设有复合键，当然应该另当别沦若系统设有复合键，当然应该另当别沦)。下一页上一页返回6.2人机交互接口技术人机交互接口技术 3.按键防抖动技术按键防抖动技术 多数键盘的按键均采用机械弹性开关。一个电信号通过机械触点多数键盘的按键均采用机械弹性开关。一个电信号通过机械触点的断开、闭合过程，完成高、低电平的切换。由于机械触点的弹性作的断开、闭合过程，完成高、低电平的切换。由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合及断开的瞬间必然伴随有一连串的抖动。如用，一个按键
14、开关在闭合及断开的瞬间必然伴随有一连串的抖动。如图图6-2所示。所示。4.矩阵式键盘工作原理键盘接口电路矩阵式键盘工作原理键盘接口电路 矩阵式键盘由一组行线矩阵式键盘由一组行线(Xi)与一组列线与一组列线(Yi)交叉构成，按键位于交叉构成，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，如键号，如图图6-4所示。所示。下一页上一页返回6.2人机交互接口技术人机交互接口技术5.键输入程序键输入程序键输入程序具有下面四项功能键输入程序具有下面四项功能:(1)判断键盘上有无键闭合。判断键盘上有无键闭合。(2)判别闭
15、合键的键号。判别闭合键的键号。(3)去除键的机械抖动。去除键的机械抖动。(4)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。释放后再做处理。下一页上一页返回6.2人机交互接口技术人机交互接口技术6.2.3输出接口输出接口 1.LED数码管的结构及显示原理数码管的结构及显示原理 LED(Light-emitting diode)发光数码管是微型计算机应用系统中发光数码管是微型计算机应用系统中的廉价输出设备，它由若干个发光二极管组成，能显示出各种字符或的廉价输出设备，它由若干个发光二极管组成，能显示出各种字符
16、或符号，常用的器件有符号，常用的器件有7段或段或“米米”字型数码管。字型数码管。LED数码管是由发光二极管组成的，由于制造材料的不同，可相数码管是由发光二极管组成的，由于制造材料的不同，可相应发出红、黄、蓝、紫等各种单色光。发光二极管可以有多种组成形应发出红、黄、蓝、紫等各种单色光。发光二极管可以有多种组成形式，其中式，其中7段数码管应用最多，其次为段数码管应用最多，其次为“米米”字形数码管。根据显示字形数码管。根据显示块内部发光二极管的连接方式不同，又有共阴极和共阳极两种形式，块内部发光二极管的连接方式不同，又有共阴极和共阳极两种形式，如如图图6-5所示。所示。下一页上一页返回6.2人机交互
17、接口技术人机交互接口技术 2.LED数码管的显示方法数码管的显示方法 在微型计算机控制系统中，常用的显示方法有两种在微型计算机控制系统中，常用的显示方法有两种:一种为动态一种为动态显示显示;一种为静态显示。一种为静态显示。动态显示，就是微型计算机定时地对显示器件扫描。在这种方法动态显示，就是微型计算机定时地对显示器件扫描。在这种方法中，显示器件分时工作，每次只能有一个器件显示。但由于人的视觉中，显示器件分时工作，每次只能有一个器件显示。但由于人的视觉有暂留现象，所以，只要扫描频率足够快，仍会感觉所有的器件都在有暂留现象，所以，只要扫描频率足够快，仍会感觉所有的器件都在显示，许多单片机的开发系统
18、及仿真器上的显示，许多单片机的开发系统及仿真器上的6位显示器即采用这类显位显示器即采用这类显示方法。此种显示的优点是使用硬件少，因而价格低，线路简单。但示方法。此种显示的优点是使用硬件少，因而价格低，线路简单。但它占用机时长，只要微型计算机不执行显示程序，就立刻停止显示。它占用机时长，只要微型计算机不执行显示程序，就立刻停止显示。由此可见，这种显示将使计算机的开销增大，所以，在以工业控制为由此可见，这种显示将使计算机的开销增大，所以，在以工业控制为主的控制系统中应用较少。主的控制系统中应用较少。下一页上一页返回6.2人机交互接口技术人机交互接口技术 静态显示，是由微型计算机一次输出显示模型后，
19、就能保持该显静态显示，是由微型计算机一次输出显示模型后，就能保持该显示结果，直到下次发送新的显示模型为止。这种显示占用机时少，显示结果，直到下次发送新的显示模型为止。这种显示占用机时少，显示可靠，因而在工业过程控制中得到了广泛的应用。这种显示方法的示可靠，因而在工业过程控制中得到了广泛的应用。这种显示方法的缺点是使用元件多，且线路比较复杂。但是，随着大规模集成电路的缺点是使用元件多，且线路比较复杂。但是，随着大规模集成电路的发展，目前已经研制出具有多种功能的显示器件，例如锁存器、泽码发展，目前已经研制出具有多种功能的显示器件，例如锁存器、泽码器、驱动器、显示器四位一体的显示器件，用起来比较方便
20、，价格也器、驱动器、显示器四位一体的显示器件，用起来比较方便，价格也越来越便宜。越来越便宜。图图6-6所示的为单片机或仿真器中常用的一种并行所示的为单片机或仿真器中常用的一种并行6位动态显示电位动态显示电路。路。下一页上一页返回6.2人机交互接口技术人机交互接口技术 6.2.3.2 LCD的显示接口技术的显示接口技术 液晶显示器液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display)广泛应用于微型计算广泛应用于微型计算机系统中。与机系统中。与LED相比，它具有功耗低，抗干扰能力强，体积小，廉相比，它具有功耗低，抗干扰能力强，体积小，廉价等特点，目前已广泛应用在各种显示领域。另外，价等特
21、点，目前已广泛应用在各种显示领域。另外，LCD在大小和形在大小和形状上更加灵活，接口简单，不但可以显示数字、字符，而且可以显示状上更加灵活，接口简单，不但可以显示数字、字符，而且可以显示汉字和图形，因此在袖珍仪表、医疗仪器、分析仪器及低功耗便携式汉字和图形，因此在袖珍仪表、医疗仪器、分析仪器及低功耗便携式仪器中，仪器中，LCD已成为一种占主导地位的显示器件。已成为一种占主导地位的显示器件。LCD是一种借助外界光线照射液晶材料而实现显示的被动显示器是一种借助外界光线照射液晶材料而实现显示的被动显示器件。件。图图6一一7所示体现出所示体现出LCD器件的原理结构。器件的原理结构。上一页返回6.3模拟
22、量输入模拟量输入/输出通道接口技术输出通道接口技术6.3.1A/D转换接口转换接口 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放大电路和CPU的接口，如的接口，如图图6-9所示。所示。A/D转换芯片种类繁多，主要转换芯片种类繁多，主要有逐次比较式、双积分式、量化反馈式和并行式。有逐次比较式、双积分式、量化反馈式和并行式。6.3.1.1A/D转换的主要环节和常用术语转换的主要环节和常用术语 (1)多路选择模拟开关。多路选择模拟开关的作用是使多路选择模拟开关。多路选择模拟开关的作用是使n/D转换能分时转换能分时对多路模拟
23、信号进行数据采集，常用的模拟开关有对多路模拟信号进行数据采集，常用的模拟开关有4051,AD7501等，等，它们都是它们都是8选选1模拟开关。模拟开关。下一页返回6.3模拟量输入模拟量输入/输出通道接口技术输出通道接口技术 (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。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，在换成数字量需要一个时间过程，对于一个动态模拟信号，
24、在A/D转换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。的不确定性误差。(4)A/D转换、分辨率、量化误差。采样保持使模拟信号在时域离散化，转换、分辨率、量化误差。采样保持使模拟信号在时域离散化，但在幅值域仍然是连续的。量化但在幅值域仍然是连续的。量化(A/D转换转换)环节使信号在幅值域离散环节使信号在幅值域离散化。关于量化的具体细节请参阅有关专业书籍，此处仅涉及与应用有化。关于量化的具体细节请参阅有关专业书籍，此处仅涉及与应用有关且十分重要的分辨率和量化误差问题。关且十分重要的分辨率和量化误差问题
25、。下一页上一页返回6.3模拟量输入模拟量输入/输出通道接口技术输出通道接口技术 6.3.1.2ADC0809简介简介 ADC0809是是8位逐次逼近型位逐次逼近型A/D转换器，它有转换器，它有8个模拟量输入通道，个模拟量输入通道，芯片内带通道地址泽码锁存器，输出经三态输出数据锁存器，启动信芯片内带通道地址泽码锁存器，输出经三态输出数据锁存器，启动信号为脉冲启动方式，每一通道的转换时间大约为号为脉冲启动方式，每一通道的转换时间大约为100s 图图6-10是是ADC0809的结构图，主要由两大部分组成的结构图，主要由两大部分组成:一部分为输一部分为输入通道，包括入通道，包括8位模拟开关，三条地址线
26、的锁存器和泽码器，可以实位模拟开关，三条地址线的锁存器和泽码器，可以实现现8路模拟输入通道的选择路模拟输入通道的选择;另一部分为一个逐次逼近型另一部分为一个逐次逼近型A/D转换器。转换器。图图6一一11为为ADC0809的引脚和通道地址码。的引脚和通道地址码。下一页上一页返回6.3模拟量输入模拟量输入/输出通道接口技术输出通道接口技术6.3.1.3ADC0809与单片机接口与单片机接口图图6一一12为为ADC0809与与8031的接口电路，的接口电路，6.3.2D/A转换接口转换接口 6.3.2.1 DA00832的结构和引脚的结构和引脚 图图6一一13是是DA00832的逻辑结构图，的逻辑结
27、构图，DA00832由由8位输入寄存器、位输入寄存器、8位位DAC寄存器、寄存器、8位位D/A转换器构成。转换器构成。DA00832中有两级锁存器，第一级即输入寄存器，第二级即中有两级锁存器，第一级即输入寄存器，第二级即DAC寄存器。因为有两级锁存器，寄存器。因为有两级锁存器，DA00832可以工作在双缓冲方式下，可以工作在双缓冲方式下，这样在输出模拟信号的同时可以采集下一个数字量，这样可以有效地这样在输出模拟信号的同时可以采集下一个数字量，这样可以有效地提高转换速度。另外，有了两级锁存器，可以在多个提高转换速度。另外，有了两级锁存器，可以在多个D/A转换器同时转换器同时工作时，利用第二级锁存
28、信号实现多路工作时，利用第二级锁存信号实现多路D/A的同时输出。的同时输出。下一页上一页返回6.3模拟量输入模拟量输入/输出通道接口技术输出通道接口技术6.3.2.2 8031与与DA00832的接口电路的接口电路 DAC0832带有数据输入寄存器，是总线兼容型的，使用时可以将带有数据输入寄存器，是总线兼容型的，使用时可以将D/A芯片直接和数据总线相连，作为一个扩展的芯片直接和数据总线相连，作为一个扩展的I/O口。口。设设DAC0832工作于双缓冲方式，输入寄存器的锁存信号和工作于双缓冲方式，输入寄存器的锁存信号和DAC寄存器的锁存信号分开控制，这种方式适用于几个模拟量需同时输出寄存器的锁存信
29、号分开控制，这种方式适用于几个模拟量需同时输出的系统，每一路模拟量输出需一个的系统，每一路模拟量输出需一个DAC0832，构成多个，构成多个0832同步输同步输出系统。出系统。图图6-14即为二路模拟量同步输出的即为二路模拟量同步输出的DAC0832系统。系统。下一页上一页返回6.3模拟量输入模拟量输入/输出通道接口技术输出通道接口技术6.3.3控制量输出接口控制量输出接口 6.3.3.1光电祸合器光电祸合器 在控制微机和功率放大电路之间，常常使用光电藕合器。光电在控制微机和功率放大电路之间，常常使用光电藕合器。光电藕合器由发光二极管和光敏晶体管组成，当在发光二极管二端加正向藕合器由发光二极管
30、和光敏晶体管组成，当在发光二极管二端加正向电压时，发光二极管点亮，照射光敏晶体管使之导通，产生输出信号。电压时，发光二极管点亮，照射光敏晶体管使之导通，产生输出信号。光电藕合器的信号传递采取电光电形式，发光部分和受光部分光电藕合器的信号传递采取电光电形式，发光部分和受光部分不接触，因此其绝缘电阻可高达不接触，因此其绝缘电阻可高达1 0l0以上，并能承受以上，并能承受2 000 v以上的以上的高压，如高压，如图图6一一15(a)所示。被藕合的两个部分可以自成系统，能够实所示。被藕合的两个部分可以自成系统，能够实现强电部分和弱电部分隔离，避免干扰由输出通道窜人控制微机。光现强电部分和弱电部分隔离，
31、避免干扰由输出通道窜人控制微机。光电藕合器的发光二极管是电流驱动器件，能够吸收尖峰干扰信号，所电藕合器的发光二极管是电流驱动器件，能够吸收尖峰干扰信号，所以具有很强的抑制干扰能力。以具有很强的抑制干扰能力。下一页上一页返回6.3模拟量输入模拟量输入/输出通道接口技术输出通道接口技术 6.3.3.2晶闸管晶闸管 晶闸管又称可控硅，是目前应用最广的半导体功率开关元件，晶闸管又称可控硅，是目前应用最广的半导体功率开关元件，其控制电流可从数安到数千安。晶闸管的主要类型有单向晶闸管其控制电流可从数安到数千安。晶闸管的主要类型有单向晶闸管SCR，双向晶闸管和可关断晶闸管，双向晶闸管和可关断晶闸管GTO等三
32、种基本类型，此外还有光控晶等三种基本类型，此外还有光控晶闸管、温控晶闸管等特殊类型。闸管、温控晶闸管等特殊类型。(1)单向晶闸管单向晶闸管(SCR)。符号和原理如。符号和原理如图图6-16所示。所示。SCR有三个极，分有三个极，分别为阳极别为阳极A、阴极、阴极K和控制极和控制极G(又称门极又称门极)。从物理结构看，它是一个。从物理结构看，它是一个PNPN器件，其工作原理可以用一个器件，其工作原理可以用一个PIP晶体管和一个晶体管和一个PNPN晶体管的晶体管的组合来加以说明。组合来加以说明。SCR有截止和导通两个稳定状态，两种状态的转换有截止和导通两个稳定状态，两种状态的转换可以由导通条件和关断
33、条件来说明。可以由导通条件和关断条件来说明。下一页上一页返回6.3模拟量输入模拟量输入/输出通道接口技术输出通道接口技术(2)双向晶闸管双向晶闸管TRIAC。具有公共门极的一对反并联普通晶闸管，其结。具有公共门极的一对反并联普通晶闸管，其结构和符号如构和符号如图图6-17所示。所示。(3)门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管(GTO)。内部结构及表示符号如。内部结构及表示符号如图图6一一18所示。所示。(4)光控晶闸管。光控晶闸管是把光电藕合器件与双向晶闸管结合到一起光控晶闸管。光控晶闸管是把光电藕合器件与双向晶闸管结合到一起形成的集成电路，其典型产品有形成的集成电路，其典型产品有MOC3041,
34、MOC3021等。光控晶闸等。光控晶闸管的输入电流一般为管的输入电流一般为10100 mA,输入端反向电压一般为输入端反向电压一般为6v;输出电流输出电流一般为一般为1A,输出端耐压一般为输出端耐压一般为400600 V。光控晶闸管是特种晶闸管，。光控晶闸管是特种晶闸管，大多用于驱动大功率的双向晶闸管。大多用于驱动大功率的双向晶闸管。下一页上一页返回6.3模拟量输入模拟量输入/输出通道接口技术输出通道接口技术(5)温控晶闸管。温控晶闸管是一种小功率晶闸管，其输出电流一般为温控晶闸管。温控晶闸管是一种小功率晶闸管，其输出电流一般为100 mA左右。温控晶闸管的开关特性与普通晶闸管相同，性能优于热
35、左右。温控晶闸管的开关特性与普通晶闸管相同，性能优于热敏电阻、敏电阻、PEI结温度传感器。温控晶闸管的温度特性是负特性，也就结温度传感器。温控晶闸管的温度特性是负特性，也就是说当温度升高时，正向温控晶闸管的门槛电压会降低。用温控晶闸是说当温度升高时，正向温控晶闸管的门槛电压会降低。用温控晶闸管可实现温度的开关控制，在温控晶闸管的门极和阳极或阴极之间加管可实现温度的开关控制，在温控晶闸管的门极和阳极或阴极之间加上适当器件，如电位器、光敏管、热敏电阻等，可以改变晶闸管导通上适当器件，如电位器、光敏管、热敏电阻等，可以改变晶闸管导通温度值。温控晶闸管也是特种晶闸管，一般用于温度值。温控晶闸管也是特种
36、晶闸管，一般用于50 V以下的低压场合。以下的低压场合。下一页上一页返回6.3模拟量输入模拟量输入/输出通道接口技术输出通道接口技术6.3.3.3功率晶体管功率晶体管(GTR)功率晶体管是指在大功率范围应用的晶体管，有时也称为电力功率晶体管是指在大功率范围应用的晶体管，有时也称为电力晶体管。晶体管。GTR是是20世纪世纪70年代后期的新产品，它把传统双极晶体管的年代后期的新产品，它把传统双极晶体管的应用范围由弱电扩展到强电领域，在中小功率领域有取代功率晶闸管应用范围由弱电扩展到强电领域，在中小功率领域有取代功率晶闸管的趋势。与晶闸管相比，的趋势。与晶闸管相比，GTR不仅可以工作在开关状态，也可
37、以工作不仅可以工作在开关状态，也可以工作在模拟状态在模拟状态;GTR的开关速度远大于晶闸管，并且控制比晶闸管容易的开关速度远大于晶闸管，并且控制比晶闸管容易;其缺点是价格高于晶闸管。其缺点是价格高于晶闸管。GTR的结构如的结构如图图6-19(a)所示。所示。下一页上一页返回6.3模拟量输入模拟量输入/输出通道接口技术输出通道接口技术 6.3.3.4功率场效应晶体管功率场效应晶体管(MOSFET)功率场效应晶体管又称功率功率场效应晶体管又称功率MOSFET，它的结构和传统，它的结构和传统MOSFET不同，主要是把传统不同，主要是把传统MOSFET的电流横向流动变为垂直导电的结构模的电流横向流动变
38、为垂直导电的结构模式，目的是解决式，目的是解决MOSFET器件的大电流、高电压问题，如器件的大电流、高电压问题，如图图6-20所示。所示。其中其中G为栅极，即控制极，为栅极，即控制极，S为源极，为源极，D为漏极。在漏极为漏极。在漏极D和源极和源极S间的反向二极管是在管子制造过程中形成的。它具有比双极性功率晶间的反向二极管是在管子制造过程中形成的。它具有比双极性功率晶体管更好的特性，主要表现在以下几个方面。体管更好的特性，主要表现在以下几个方面。(1)由于功率由于功率MOSEET是多数载流子导电，因而不存在少数载流子的是多数载流子导电，因而不存在少数载流子的储存效应，从而有较高的开关速度。储存效
39、应，从而有较高的开关速度。(2)具有较宽的安全工作区而不会产生热点，同时，由于它具有正的电具有较宽的安全工作区而不会产生热点，同时，由于它具有正的电阻温度系数，所以容易进行并联使用。阻温度系数，所以容易进行并联使用。下一页上一页返回6.3模拟量输入模拟量输入/输出通道接口技术输出通道接口技术 (3)有较高的闽值电压有较高的闽值电压(2 8 V)，因此有较高的噪声容限和抗干扰能力。，因此有较高的噪声容限和抗干扰能力。(4)具有较高的可靠性和较强的过载能力，短时过载能力通常为额定值具有较高的可靠性和较强的过载能力，短时过载能力通常为额定值的四倍。的四倍。(5)由于它是电压控制器件，具有很高的输入阻
40、抗，因此驱动电流小，由于它是电压控制器件，具有很高的输入阻抗，因此驱动电流小，接口简单。接口简单。下一页上一页返回6.3模拟量输入模拟量输入/输出通道接口技术输出通道接口技术 6.3.3.5固态继电器固态继电器(SSR)固态继电器是一种无触点功率型通断电子开关，又名固态开关。固态继电器是一种无触点功率型通断电子开关，又名固态开关。控制端有触发信号时，主回路呈导通状态，无控制信号时主回路呈阻控制端有触发信号时，主回路呈导通状态，无控制信号时主回路呈阻断状态。控制回路与主回路间采取了电隔离及信号隔离技术。固态继断状态。控制回路与主回路间采取了电隔离及信号隔离技术。固态继电器与电磁继电器相比，具有工
41、作可靠、使用寿命长、能与逻辑电路电器与电磁继电器相比，具有工作可靠、使用寿命长、能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、开关速度快和使用方便等优点。兼容、抗干扰能力强、开关速度快和使用方便等优点。图图6-22所示出为所示出为8031单片机通过固态继电器控制交流接触器的控单片机通过固态继电器控制交流接触器的控制线路。当制线路。当Pl.0输出高电平时，固态继电器导通，交流接触器输出高电平时，固态继电器导通，交流接触器K闭合，闭合，主电路导通，主电路导通，Pl.0为低电平，则主电路关断。为低电平，则主电路关断。上一页返回6.4总线接口技术总线接口技术6.4.1串行通信基本概念串行通信基本概念 数据传送方式，
42、在微型计算机系统中，处理器与外部设备之间的数据传送方式，在微型计算机系统中，处理器与外部设备之间的数据传送方法有两种数据传送方法有两种:并行通信一数据各位同时传送并行通信一数据各位同时传送;串行通信一串行通信一数据一位一位地按顺序传送。数据一位一位地按顺序传送。图图6-23图示出了这两种传送方式。图示出了这两种传送方式。在串行通信中，数据传送有在串行通信中，数据传送有3种方式种方式:单工方式、半双工方式和全单工方式、半双工方式和全双工方式。双工方式。下一页返回6.4总线接口技术总线接口技术 单工方式单工方式(Simplex Mode)，在这种方式中，只允许数据按一个固，在这种方式中，只允许数据
43、按一个固定的方向传送，如定的方向传送，如图图6-24(a)所示。图中所示。图中A只能发送数据，称为发送器只能发送数据，称为发送器(Transfer);B只能接收数据，叫做接收器只能接收数据，叫做接收器(Receiver)。而数据不能。而数据不能从从B向向A传送。传送。半双工方式半双工方式(Half-Duplex Mode)，半双工方式如，半双工方式如图图6-24(b)所示。所示。在这种方式下，数据既可以从在这种方式下，数据既可以从A传向传向B，也可以从，也可以从B向向A传输。因此，传输。因此，A,B既可作为发送器，又可作为接收器，通常称为收发器既可作为发送器，又可作为接收器，通常称为收发器(T
44、ransceiver)。从这个意义上讲，这种方式似乎为双向工作方式。从这个意义上讲，这种方式似乎为双向工作方式。但是，由于但是，由于A,B之间只有一根传输线，所以信号只能分时传送。即在之间只有一根传输线，所以信号只能分时传送。即在同一时刻，只能进行一个方向传送，不能双向同时传输。因此，将其同一时刻，只能进行一个方向传送，不能双向同时传输。因此，将其称为称为“半双工半双工”方式。在这种工作方式下，要么方式。在这种工作方式下，要么A发送，发送，B接收接收;要么要么B发送，发送，B接收。当不工作时，令接收。当不工作时，令A,B均处于接收方式，以便随时响应均处于接收方式，以便随时响应对方的呼叫。对方的
45、呼叫。下一页上一页返回6.4总线接口技术总线接口技术 全双工方式全双工方式(Full-Duplex Mode)，虽然半双工方式比单工方式灵，虽然半双工方式比单工方式灵活，但它的效率依然比较低。主要原因是从发送方式切换至接收方式活，但它的效率依然比较低。主要原因是从发送方式切换至接收方式需要一定的时间，大约为数毫秒。重复线路切换所引起的延迟积累时需要一定的时间，大约为数毫秒。重复线路切换所引起的延迟积累时间是相当可观的，另一方面，也是更重要的，就是在同一时刻只能工间是相当可观的，另一方面，也是更重要的，就是在同一时刻只能工作在某一种方式下，这是半双工效率不高的根本原因所在。作在某一种方式下，这是
46、半双工效率不高的根本原因所在。异步通信和同步通信，根据在串行通信中数据定时、同步的不同，异步通信和同步通信，根据在串行通信中数据定时、同步的不同，串行通信的基本方式有两种串行通信的基本方式有两种:异步通信异步通信(asynchronous Communication)和同步通信和同步通信(Syn-chronous Communication)。下一页上一页返回6.4总线接口技术总线接口技术 1.异步通信异步通信 异步通信是字符的同步传输技术。在异步通信中，传输的数据以异步通信是字符的同步传输技术。在异步通信中，传输的数据以字符字符(Char-acter)为单位。当发送一个字符代码时，字符前面要
47、加个为单位。当发送一个字符代码时，字符前面要加个“起始起始”信号，其长度为一位，极性为信号，其长度为一位，极性为“0，即空号，即空号(Space)状态。状态。规定在线路不传送数据时全部为规定在线路不传送数据时全部为“1，即传号，即传号(Mark)状态。字符后边状态。字符后边要加一个要加一个“停止停止”信号，其长度为信号，其长度为1,1.5或或2位，极性为气位，极性为气”。字符本。字符本身的长度为身的长度为5 8位数据，视传输的数据格式而定。位数据，视传输的数据格式而定。下一页上一页返回6.4总线接口技术总线接口技术 2.同步通信同步通信 同步通信的特点是不仅字符内部保持同步，而且，字符与字符之
48、同步通信的特点是不仅字符内部保持同步，而且，字符与字符之间也是同步的。在这种通信方式下，收间也是同步的。在这种通信方式下，收/发双方必须建立准确的位定发双方必须建立准确的位定时信号，也就是说收时信号，也就是说收/发时钟的频率必须严格一致。同步通信在数据发时钟的频率必须严格一致。同步通信在数据格式上也与异步通信不同，每个字符不增加任何附加位，而是连续发格式上也与异步通信不同，每个字符不增加任何附加位，而是连续发送。但是在传送中，数据要分成组送。但是在传送中，数据要分成组(帧帧)，一组含多个字符代码或若干，一组含多个字符代码或若干个独立的码元。为使收个独立的码元。为使收/发双方建立和保持同步，在每
49、组的开始处应发双方建立和保持同步，在每组的开始处应加上规定的码元序列，作为标志序列。在发送数据之前，必须先发送加上规定的码元序列，作为标志序列。在发送数据之前，必须先发送此标志序列，接收端通过检测该标志序列实现同步。此标志序列，接收端通过检测该标志序列实现同步。下一页上一页返回6.4总线接口技术总线接口技术6.4.2串行通信标准总线串行通信标准总线(RS-232-C)6.1.2.1 RS一一232一一C RS-2 3 2-C是使用最早、应用最多的一种异步串行通信总线。它是使用最早、应用最多的一种异步串行通信总线。它由美国电子工业协会由美国电子工业协会(Electronic Industries
50、 association)于于1962年公布，年公布，1969年最后一次修订而成。其中年最后一次修订而成。其中RS是是Recommended Standard的缩写，的缩写，232是该标准的标识，是该标准的标识，C表示最后一次修订。表示最后一次修订。RS-232-C主要用来定义主要用来定义计算机系统的一些数据终端设备计算机系统的一些数据终端设备(DTE 和数据通信设备和数据通信设备(DCE)之间接口之间接口的电气特性。的电气特性。CRT、打印机与、打印机与CPU的通信大都采用的通信大都采用RS-232-C总线。由总线。由于于MCS-51系列单片机本身有一个异步串行通信接口，因此，该系列系列单片