现代机械设计手册·第5卷(第二版)
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第6章 接 口 设 计

6.1 接口设计基本方法和接口芯片

6.1.1 接口设计与分析的基本方法

尽管各种接口芯片的功能和引脚不相同,但在使用方法上有共同之处,使用这些芯片进行接口电路设计和分析的基本方法也是相同的。

(1)分析和设计接口两侧的情况

接口作为CPU与外设的中间界面,一面要与CPU连接,另一面要与外设连接。对CPU一侧,要弄清CPU的类型和引脚的定义,如它提供的数据线宽(8bit、16bit、32bit)、地址线宽度(16bit、20bit、24bit)和控制线的逻辑定义(高电平有效、低电平有效、脉冲跳变有效),以及时序关系有什么特点。对于数据线,要解决的一个问题就是:目前使用的微机外设多数都是8位的,接口芯片多数也是8位的,它们与8位CPU相接当然不存在问题,然而,如何与16位或32位CPU连接呢?这是接口设计和分析的一个关键。

对于外设一侧,连线只有三种:数据线、控制线和状态线。设计和分析的重点与关键应放在控制和状态线上,因为接口上的同一个引脚接不同外设时作用可能不同,同时外设的速度也千差万别,而且相差悬殊。

(2)进行适当的信号转换

有些接口芯片的信号线可直接与CPU系统连接,有些信号线则需要经过一定的处理或改造,这种改造包括逻辑上、时序上或电平上的,特别是接外设一侧的信号线,由于外设需要的电平常常不是TTL电平,而且要求有一定驱动能力,因此,多数情况下,要经过一定转换和改造才能连接。总之,CPU和外设之间的各种不匹配都要由接口电路来完成双方的匹配和协调工作,以保证信息的正确传输。

(3)接口驱动程序分析与设计

现在使用的接口芯片多数是可编程的,因此设计接口不仅仅是硬件上的问题,而且还包括编写驱动程序。编制驱动程序可按表22-6-1所示的三个步骤进行。

6.1.2 常用的接口芯片

现代微机接口电路大部分都做成可编程接口芯片,因此,在接口设计中,通常不需要繁杂的电路参数计算,而是要熟练地掌握和深入了解各类芯片的工作原理和外部特性,尤其是掌握它们的使用方式和编程技巧,以便用它们合理地与CPU和外设连接起来,并编写相应的驱动程序。采用集成接口芯片不仅使接口部件体积小,功能强,可靠性高,易于扩展,应用灵活方便,而且推动接口向智能化方向发展。所以接口芯片在微机接口设计中起着极其重要的作用,应给予足够重视。常用的接口芯片见表22-6-2。

表22-6-1 编制驱动程序的三个步骤

表22-6-2 常用的接口芯片

6.2 人机接口电路设计

6.2.1 人机接口电路类型与特点

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。按照信息的传递方向,可以分作两大类: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。常用的输入输出设备如表22-6-3所示。

人机接口作为“人”与“机”之间进行信息传递的通道,有着其自身的一些特点,需要在进行设计时予以特殊考虑。

表22-6-3 常用的输入输出设备

①专用性。每一种机电产品都有其自身特定的功能,对人机接口有着不同的要求,所以人机接口的设计方案要根据产品的要求而定。例如对于一些简单的二值性的控制参数,可以考虑采用控制开关;对于一些少量的数值型参数的输入,可以考虑使用BCD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等。

②低速性。与控制微机的工作速度相比,大多数人机接口设备的工作速度是很低的,所以在进行人机接口设计时,要考虑控制微机与接口设备间的速度匹配,提高控制微机的工作效率。

③高性能价格比。由于机电的结合大大强化了机械系统功能,使整个机电系统具有高性能价格比。所以在进行人机接口设计时,在满足功能要求的前提下,输入、输出设备配置以小型、微型、廉价为原则。

6.2.2 输入接口电路设计

(1)开关输入接口设计

对于一些二值化的控制命令和参数,可以采用简单的开关作为输入设备,常用的开关有按钮、转换开关等。

控制微机通过I/O口或扩展I/O口对某点电位进行检测,从而判断开关的状态。

由于这类开关大都是机械开关(触摸开关),机械触点的弹性作用使开关在闭合及断开瞬间产生抖动,造成某点电位产生一系列脉冲。抖动时间的长短与力学特性有关,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。所以在进行实际开关类接口设计时,必须采取软件或硬件措施进行消抖处理。

软件消抖的办法是:在检测到开关状态后,延时一段时间再进行检测,若两次检测到的开关状态相同,则认为有效。延时时间应大于抖动时间。

(2)74C922 16键盘编码电路

74C922 16键盘编码电路如图22-6-1所示。

CMOS工艺技术制造,工作电压3~15V,“二键锁定”功能,编码输出为三态输出,可直接与微处理器数据总线相连,内部振荡器能完成4×4矩阵键盘扫描,亦可用外部振荡器使键盘操作与其他处理同步,通过外接电容避免开关发生前、后沿弹跳所需的延时。有按键按下时,数据有效线变高,同时封锁其他键,片内锁存器将保持键盘矩阵的4位编盘,可由微处理器读出,引脚Y1-Y4为行,X1-X4为列,A-D为数据输出,VDD=+3V~+15V。

图22-6-1 74C922 16键盘编码电路

(3)不用专用IC的键盘电路

①一个I/O口一个键。这种键盘电路比较简单,但缺点也是很明显的:非常浪费系统宝贵的硬件资源;适合键盘比较少但硬件资源比较充裕的场合。

②如图22-6-2所示的键盘电路非常巧妙,并且使用的I/O口比较少。先检测三根行线是否被拉低,如果没有,再将最下面那条行线拉低(软件置低),然后再检测上面两条行线是否被拉低。如果没有,则表示无按键按下,然后将最下面那条行线设为输入,扫描完毕。如果检测三根行线时,有被拉低的,则就是右边的三个按键中对应的那个按键被按下。如果检测两条行线时,有被拉低的,则就是上面的两个按键中对应的那个按键被按下。

图22-6-2 使用I/O口较少的键盘电路

③图22-6-3所示电路为不用专用IC的键盘电路。

扫描方法如下:硬件部分分为两块:一块是普通键盘矩阵,另外一块是中断和接口电路,主要由相应数目的二极管和电阻组成。具体对6个I/O口的情况而言,实现5×5的按键矩阵的中断和接口电路,共需要10只二极管、12只电阻和1只三极管。10只二极管按其在电路中所起的作用可分为两组:第一组包括D6,D7,D8,D9和D10,用于保证按键信息的单一流向;第二组包括D1,D2,D3,D4和D5,它们在电路上对NPN三极管的基极构成“或”的逻辑关系,对单片机进行初始化。除了PORT6以外,其余的I/O口均被置成高电平,这样当有键按下时,三极管的基极由低变高,三极管导通:集电极由高电平跳变成低电平,向单片机发出中断信号,从而启动键盘扫描程序。

图22-6-3 不用专用IC的键盘电路

④图22-6-4是一个非常典型的矩阵键盘,特点是电路简单,缺点是I/O口使用的比较多,扫描方法也比较简单。

图22-6-4 典型的矩阵键盘

⑤如图22-6-5所示为节省资源的键盘电路。

⑥如图22-6-6所示为复合矩阵按键典型排列情况。

⑦键盘电路如图22-6-7所示。

图22-6-5 节省资源的键盘电路

图22-6-6 复合矩阵按键典型排列

图22-6-7 键盘电路

6.2.3 输出接口电路设计

输出接口是操作者对机电系统进行监测的窗口,通过输出接口,机电系统向操作者显示自身的运行状态、关键参数及运行结果等,并进行故障报警。

(1)常见LED驱动电路的分析

电容降压电路是一种常见的小电流电源电路,由于其具有体积小﹑成本低﹑电流相对恒定等优点,也常应用于LED的驱动电路中。

图22-6-8为一个实际的采用电容降压的LED驱动电路。大部分应用电路中没有连接压敏电阻或瞬变电压抑制晶体管,建议连接上,因压敏电阻或瞬变电压抑制晶体管能在电压突变瞬间(如雷电﹑大用电设备启动等)有效地将突变电流泄放,从而保护二极管和其他晶体管,它们的响应时间一般在毫秒级。

图22-6-8 一个实际的采用电容降压的LED驱动电路

电容C1的作用为降压和限流,电容的特性是通交流﹑隔直流,当电容连接于交流电路中时,其容抗计算公式为

式中 XC——电容的容抗;

f——输入交流电源的频率;

C——降压电容的容量。

流过电容降压电路的电流计算公式为

式中 I——流过电容的电流;

U——电源电压;

XC——电容的容抗。

在220V﹑50Hz的交流电路中,当负载电压远远小于220V时,电流与电容的关系式为I=69C,其中电容的单位为μF,电流的单位为mA。

(2)七段LED显示器接口电路设计

①数码管的外形及管脚。选择数码管需要注意以下问题:共阴还是共阳,字体大小,字数,字的显示颜色等。最常用的数码管型号为“3641AH”,即该数码管字高0.36in、四字一体、共阴、红色。3641AH的外形及管脚定义如图22-6-9所示,图22-6-10为共阴和共阳数码管。

图22-6-9 数码管的外形及管脚

建议不要直接用单片机驱动数码管,这样做单片机的程序量和单片机处理显示的时间都会大幅度增加,并且如果用单片机管脚直接驱动段LED,则无法保证亮度,如果用单片机扩展三极管来驱动段LED,则8个字的数码管需要16个三极管,太麻烦。而且当单片机系统还需要键盘的时候,无疑使用数码管驱动芯片最合适,性价比最高的LED驱动芯片是HD7279A。

图22-6-10 共阴和共阳数码管

②数码管、键盘驱动芯片HD7279A的应用

HD7279A可以驱动8位共阴数码管或64只独立的LED,在驱动数码管的同时还能检测64键的键盘矩阵,如图22-6-11所示。HD7279A需要与单片机连接的管脚共有5个,见表22-6-4。

表22-6-4 HD7279A需要与单片机连接的管脚

图22-6-11 数码管及键盘驱动芯片HD7279A

图22-6-12 HD7279接线图

HD7279接线图如图22-6-12所示。HD7279A的工作电压是5V,VDD接+5V、VSS接GND。该芯片有两个正电源管脚VDD,因为HD7279A驱动的是共阴数码管,需要从电源管脚吸收电流来完成驱动,单段(1个LED)的典型驱动电流为(5-1.6)/200=17mA,满负荷时64段同时点亮,需要17×64=1088mA的驱动电流。在使用该芯片时需要给VDD管脚加较大的去耦电容,建议使用470μF/16V电解,电容同时用10μF钽电容和0.1μF陶瓷电容并联作旁路。而且在满足亮度要求的前提下,尽量使用较大的LED串联电阻,以减小驱动电流,从而使HD7279A工作更稳定。

HD7279A内部使用动态扫描的方式驱动数码管,需要外部匹配阻容振荡电路。RC管脚是频率输入端。CLKO是振荡输出端,当使用两片HD7279A时,可将一片CLKO管脚连到另一片的RC管脚,而无需使用两套振荡电路。

假设HD7279A实际驱动了2个3641AH数码管,排列如图22-6-13所示。HD7279A的管脚SA、SB、SC、SD、SE、SF、SG、DP应该和两个数码管的A、B、C、D、E、F、G、DP管脚都连接。DIG0~DIG7连接到如图22-6-13对应的数码位置,DIG0到DIG7的连接一定不要随意颠倒,否则HD7279A的移位命令将导致显示错误。

图22-6-13 HD7279A实际驱动2个3641AH数码管

对HD7279A编程的关键就是控制好时序图中T1~T8这8个延时的长度。

(3)8×8 LED点阵显示驱动技术

①显示内容。在8×8 LED点阵上显示柱形,让其先从左到右平滑移动三次,其次从右到左平滑移动三次,再次从上到下平滑移动三次,最后从下到上平滑移动三次,如此循环下去。

②电路原理图。8×8 LED点阵显示驱动电路原理图如图22-6-14所示。

③硬件电路连线

a.把“单片机系统”区域中的P1端口用8芯排芯连接到“点阵模块”区域中的“DR1~DR8”端口上。

b.把“单片机系统”区域中的P3端口用8芯排芯连接到“点阵模块”区域中的“DC1~DC8”端口上。

④程序设计内容。

图22-6-14 8×8 LED点阵显示驱动电路原理图

8×8点阵LED结构如图22-6-15所示,从图中可以看出,8×8点阵共需要64个发光二极管,且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上,当对应的某一列置1电平,某一行置0电平,则相应的二极管就亮;因此要实现一根柱形的亮法,对应的一列为一根竖柱,或者对应的一行为一根横柱。实现柱形亮的方法如下所述。

图22-6-15 8×8点阵LED结构

一根竖柱:对应的列置1,逐行置0,采用逐行扫描的方法来实现。

一根横柱:对应的行置0,逐列置1,采用逐列扫描的方法来实现。

⑤C语言程序

#include <AT89X52.H>

unsigned char code taba[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f};

unsigned char code tabb[]={0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80};

void delay(void)

{

unsigned char i,j;

for(i=10;i>0;i--)

for(j=248;j>0;j--);

}

void delay1(void)

{

unsigned char i,j,k;

for(k=10;k>0;k--)

for(i=20;i>0;i--)

for(j=248;j>0;j--);

}

void main(void)

{

unsigned char i,j;

while(1)

{

for(j=0;j<3;j++) //from left to right 3 time

{

for(i=0;i<8;i++)

{

P3=taba[i];

P1=0xff;

delay1();

}

}

for(j=0;j<3;j++) //from right to left 3 time

{

for(i=0;i<8;i++)

{

P3=taba[7-i];

P1=0xff;

delay1();

}

}

for(j=0;j<3;j++) //from top to bottom 3 time

{

for(i=0;i<8;i++)

{

P3=0x00;

P1=tabb[7-i];

delay1();

}

}

for(j=0;j<3;j++)//from bottom to top 3 time

{

for(i=0;i<8;i++)

{

P3=0x00;

P1=tabb[i];

delay1();

}

}

}

}

(4) 通信接口

表22-6-5 通信接口

(5)ISD2500系列语音录放电路

①管脚排列图。ISD2500管脚排列见图22-6-16。

图22-6-16 ISD2500管脚排列图

表22-6-6 按键录放音模式

②应用原理图。ISD2500应用原理见图22-6-17。

注:MICREF可不用,即不接任何元件,但噪声会变大。

③工作模式。

a.按键录放音模式。按键录放音模式见表22-6-6。

b.工作模式。2500系列内置了若干操作模式,可用最少的外围器件实现最多的功能。操作模式也由地址端控制:当最高两位都为1时,其他地址端置高就选择某个(或某几个)模式。因此操作模式和直接寻址相互排斥。操作模式可由微控制器,也可由硬件实现。使用操作模式有以下两点注意。

(a)所有操作最初都是从0地址,即存储空间的起始端开始。后续操作根据所选用的模式可从其他地址开始。而且,电路由录转为放,或由放转为录时(M6模式除外),或执行了掉电周期后,地址计数器复位为0。

(b)当/CE变低,最高两位地址位同高时,执行操作模式。这种操作模式一直有效,除非/CE再次由高变低,芯片重新锁存当前的地址/模式端电平,然后执行相应操作。2500系列操作模式见表22-6-7,2500模式作用见表22-6-8,、PD、的作用重新定义如表22-6-9所示。

图22-6-17 ISD2500应用原理

表22-6-7 2500系列操作模式简表

表22-6-8 2500系列模式作用简表

表22-6-9 、PD、的作用重新定义

④ISD2500系列管脚说明。

表22-6-10 ISD2500系列管脚说明

6.3 机电接口电路设计

6.3.1 机电接口电路类型与特点

所谓机电接口,是指机电产品中的机械装置与控制微机的接口。按照信息的传递方向可以将机电接口分为信息采集接口(传感器接口)与控制输出接口,其各自的任务与特点见表22-6-11。

6.3.2 信号采集通道接口中的A/D转换接口电路设计

TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器,使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构,TLC2543与外围电路的连线简单,能够节省51系列单片机I/O资源。自动完成采样,有转换结束标志管脚,分辨率较高,且价格适中,因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。

表22-6-11 机电接口电路类型与特点

表22-6-12 信号采集通道接口中的A/D转换接口电路设计

6.3.3 控制量输出通道中的D/A转换接口电路设计

D/A集成芯片很多,D/A芯片可分为:电流输出型,如DAC0832、AD7522等;电压输出型,如AD558、AD7224等。电压输出型又可分为单极性输出和双极性输出等。下面介绍两种典型的,目的在于掌握D/A芯片的用途及接口电路设计方法。

(1)TLC5617双路10位数模转换器

TLC5617是双路10位电压输出数字-模拟转换(DAC),可实现单路输出或双路同时输出,输出电压范围为基准电压的两倍。TLC5617通过CMOS兼容的3线串行总线与单片机连接,最大时钟频率20MHz。TLC5617接收单片机的16位控制字,产生模拟输出。芯片管脚定义见表22-6-13。TLC5617芯片管脚见图22-6-18,TLC5617操作时序见图22-6-19。

图22-6-18 TLC5617芯片管脚图

表22-6-13 TLC5617芯片管脚定义

图22-6-19 TLC5617操作时序图

图22-6-20 TLC5617的16位控制字结构

表22-6-14 编程位D15~D12的功能

(2)TLC5617的16位控制字结构

TLC5617的16位控制字结构如图22-6-20所示。D15~D12是编程位,控制通道选择等。D11~D2是数据位,控制输出电压大小。D1~D0没用,补零即可。编程位D15~D12的功能见表22-6-14、图22-6-21。 

输出电压与输入数据满足如下对应关系:输出电压=2×Vref×输入数据/1024。其中,Vref是给定的参考电压。

图22-6-21 编程位D15~D12的功能

6.3.4 控制量输出通道中的功率接口电路设计

在机电产品中,被控对象所需要的驱动功率一般都比较大,而计算机发出的数字控制信号或经D/A转换后所得到的模拟控制信号的功率都很小,必须经过功率放大后才能用来驱动被控对象。实现功率放大功能的接口电路被称为功率接口电路。

6.3.4.1 PWM整流电路

在电力系统中,电压和电流应是完好的正弦波。但是在实际的电力系统中,由于非线性负载的影响,实际的电网电压和电流波形总是存在不同程度的畸变,给电力输配电系统附近的其他电气设备带来许多问题,因而就有必要采取措施限制其对电网和其他设备的影响。随着电力电子技术的迅速发展,各种电力电子装置在电力系统、工业、交通、家庭等众多领域中的应用日益广泛,大量的非线性负载被引入电网,导致了日趋严重的谐波污染。电网谐波污染的根本原因在于电力电子装置的开关工作方式,引起网侧电流、电压波形的严重畸变。目前,随着功率半导体器件研制与生产水平的不断提高,各种新型电力电子变流装置不断涌现,特别是用于交流电机调速传动的变频器性能的逐步完善,为工业领域节能和改善生产工艺提供了十分广阔的应用前景。相关资料表明,电力电子装置生产量在未来的十年中将以每年不低于10%的速度递增,同时,由这类装置所产生的高次谐波约占总谐波源的70%以上。

为了抑制电力电子装置产生的谐波,其中的一种方法就是对整流器本身进行改进,使其尽量不产生谐波,且电流和电压同相位。这种整流器称为高功率因数变流器或高功率因数整流器。高功率因数变流器主要采用PWM整流技术,一般需要使用自关断器件。对电流型整流器,可直接对各个电力半导体器件的通断进行PWM调制,使输入电流成为接近正弦且与电源电压同相的PWM波形,从而得到接近1的功率因数。对电压型整流器,需要将整流器通过电抗器与电源相连。只要对整流器各开关器件施以适当的PWM控制,就可以对整流器网侧交流电流的大小和相位进行控制,不仅可实现交流电流接近正弦波,而且可使交流电流的相位与电源电压同相,即系统的功率因数总是接近于1。

表22-6-15 PWM整流器基础器件和整流电路

6.3.4.2 光耦合器驱动接口设计

表22-6-16 光耦合器驱动接口设计

6.3.4.3 继电器

(1)电磁继电器

表22-6-17 电磁继电器

(2)固态继电器

固态继电器SSR(solid state reley)使用数字信号作输入控制,输入与输出之间使用光耦隔离,输出器件为大功率三极管、功率场效应管、单/双向可控硅等,是一种无触点的电子开关,可实现相当于电磁继电器一样的功能。固态继电器的输出形式有交流输出和直流输出两种,它们分别在交流或直流电源上作负载的开关,不能混用。

直流型SSR负载为感性负载时,如直流电磁阀或电磁铁,应在负载两端并联一只二极管,二极管的电流应等于负载工作电流,电压应大于负载工作电压的4倍。

交流型SSR又分为电压过零导通型(简称过零型)、电压随机导通型(简称随机型)。交流过零型固体继电器采用了过零控制电路,具有电压过零时开启、负载电流过零时关断的特性,在负载上可以得到一个完整的正弦波形,减少了对负载的冲击和对电网的污染。过零型与随机型的工作波形图见表22-6-18。

表22-6-18 过零型与随机型的工作波形图

过零型交流固态继电器原理分析如下。

如图22-6-22所示,固态继电器由三部分组成:输入电路、隔离(耦合)和输出电路组成,在输入电路控制端加入信号后,IC1光电耦合器内光敏三极管呈导通状态,R1串接电阻对输入信号进行限流,以保证光耦合器不致损坏。LED发光二极管指示输入端控制信号,VD1可防止当输入信号正负极性接反时以保护光耦IC1。

V1在线路中起到交流电压检测作用,使固态继电器在电压过零时开启、负载电流过零时关断。当IC1光敏三极管截止时(控制端无信号输入时),V1通过R2获得基极电流使之饱和导通,从而使SCR可控硅门极触发电压UGT被箝在低电位而处于关断状态,最终导致BTA双向可控硅在门极控制端R6上无触发脉冲而处于关断状态。

当IC1光敏三极管导通时(控制端有信号输入时),SCR可控硅的工作状态由交流电压零点检测三极管V1来确定其工作状态。如电源电压经R2与R3分压,A处电压大于过零电压时(VA>VBE1),V1处饱和导通状态,SCR、BTA可控硅都处于关断状态;如电源电压经R2与R3分压,A处电压小于过零电压时(VA>VBE1),V1处截止状态,SCR可控硅通过R4获得触发信号而导通,从而使BTA在R6上也获得触发信号也呈导通状态,对负载电源进行关断控制。如此时控制端信号关断后,负载电流也随之减小至BTA,双向可控硅的维持电流IH时可自行关断,切断负载电源。

固态继电器的优缺点及主要参数与选用见表22-6-19。

图22-6-22 过零型交流固态继电器原理图

表22-6-19 固态继电器的优缺点及主要参数与选用

6.3.5 被控量反馈通道中的接口电路设计

在机电控制系统中,有时需要采用闭环控制的方式,实时监测被控量的参数变化,将系统输出值与期望值进行比较,并利用二者的偏差进行自动调节控制,实现精确的跟随或重现某种过程。

6.3.5.1 速度反馈接口

机电设备的速度检测元件多采用测速发电机。测速发电机是一种能将转速信息转换为输出电动势的微特电机。当被测机构与测速发电机同轴连接时,只要检测出测速发电机的输出电动势,就能获得被测机构的转速。

测速发电机的输出电动势E和转速n成线性关系,其换算公式为

  (22-6-1)

式中 Ua——输出发电机输出电压;

n——转速;

RL——测速发电机负载电阻;

Ra——测速发电机电枢电阻;

Φ——每极总磁通;

Ce——常数。

图22-6-23为测速发电机速度反馈接口电路图。逐次逼近型A/D转换器ADC0809用于将测速发电机的电压数值转换为数字量。IN0~IN7为8条模拟量输入通道,ADDA、ADDB、ADDC为选择输入通道的地址输入线,同时为0时选取IN0输入通道。数据转换完成后EOC发出中断信号,并将转换结果通过DB0~DB7送入微机。

6.3.5.2 位移反馈接口

(1)角度位移量反馈

对于执行机构角度位移量的检测,可以采用旋转变压器与光电编码器两种方法。采用旋转变压器检测位移量的接口与测速发电机类似,不再赘述。

图22-6-23 测速发电机速度反馈接口

光电编码器可以通过光电转换直接将执行机构的角度位移量转换为二进制编码输入计算机。图22-6-24所示为8位光电编码盘,在编码盘上开若干透光孔(透光孔呈同心圆布置,黑色框表示可以透光),在编码盘下方设置8个光敏元件分别连接计算机数道。当编码盘随同执行机构转过一定角度后,读取光敏元件的二进制编码即可获得执行机构的角度位置信息。

图22-6-24 光电编码盘

需要指出的是,为避免制造精度等因素引起的误差,光电编码盘多采用循环码编码方式。循环码可以通过式(22-6-2)转换为二进制码。

  (22-6-2)

式中 Bm——二进制码中第m位的值;

Rm——循环码中第m位的值;

n——循环码最高位下标。

(2)直线位移量反馈

光栅是检测机构直线位移量的最常用方式,由标尺光栅和指示光栅两部分组成,如图22-6-25所示,指示光栅与标尺光栅的条纹间有一个微小夹角α。当光栅下方光源照过光栅时,在指示光栅上就会形成明暗相间的条纹,即莫尔条纹。而当指示光栅相对于标尺光栅左右移动时,莫尔条纹上下移动。

图22-6-25 标尺光栅及指示光栅

设莫尔条纹宽度为W,在指示光栅上方设置两个光敏元件Ta、Tb,间距为W/4。从零时刻开始记录Ta、Tb的高电平、低电平交替次数即可获得指示光栅的位移量,而记录Ta、Tb波形的相位关系就可以获得指示光栅的位移方向。

图22-6-26 位移反馈逻辑电路

如图22-6-26所示为位移反馈逻辑电路, VA、VB分别连接光敏元件Ta和Tb,四位并入并出寄存器74LS95B的输出Q0、Q1、Q2、Q3分别为光敏元件Ta、Tb本次及上次的输出结果。通过图中逻辑电路判断指示光栅的位移量,左移CPD输出高电平,右移CPU输出高电平,保持原位则CPU、CPD均输出低电平。输出结果经8位计数器送入计算机,获得指示光栅的位移量。8位计数器电路见图22-6-27。

图22-6-27 8位计数器电路