時(shí)間：2022-03-02 02:43:01
序論：在您撰寫接口技術(shù)論文時(shí)，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
論文摘要：本文論述了激光探測系統(tǒng)信息接口技術(shù)；討論了激光探測接口的一般設(shè)計(jì)思想。
1引言
激光具有波長單一和良好的方向性，所以和傳統(tǒng)的探測方法相比，激光探測具有精度高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在激光測距、激光雷達(dá)、激光告警、激光制導(dǎo)、目標(biāo)識別等軍事領(lǐng)域，都得到了廣泛應(yīng)用。針對不同武器系統(tǒng)的需求，激光探測系統(tǒng)接口呈現(xiàn)出多樣性。
近年來，隨著應(yīng)用需求和集成化度的增加，激光探測系內(nèi)部、激光探測系統(tǒng)和各武器平臺之間集成了不同廠商的硬件設(shè)備、數(shù)據(jù)平臺、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等，由此帶來的異構(gòu)性給探測系統(tǒng)的互操作性、兼容性及平滑升級能力帶來了問題。
對激光探測系統(tǒng)而言，接口技術(shù)的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)。一個(gè)激光探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)施，有很大的工作量是在接口的處理上，好的接口設(shè)計(jì)可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、運(yùn)行效率、升級能力等，本文以激光探測系統(tǒng)接口技術(shù)為研究對象，著重分析其接口技術(shù)類型、設(shè)計(jì)考慮因素和驗(yàn)證方法。
2激光探測系統(tǒng)幾種主要接口技術(shù)
接口是多要素或多系統(tǒng)之間的公共邊界部分，對激光探測系統(tǒng)的接口包括機(jī)械接口、電氣接口、電子接口、軟件接口等，本文著重討論電子接口。按物理電氣特性劃分，常用的激光探測系統(tǒng)接口類型可分為以下幾類：
1TTL電平接口：最通用的接口類型，常用做系統(tǒng)內(nèi)及系統(tǒng)間接口信號標(biāo)準(zhǔn)。驅(qū)動能力一般為幾毫安到幾十毫安，在激光探測系統(tǒng)中主要應(yīng)用是作為長距離的總線數(shù)據(jù)和控制信號的傳輸
2CMOS電平接口：速度范圍與TTL相仿，驅(qū)動能力要弱一些。
3ECL電平接口：為高速電氣接口，速率可達(dá)幾百兆，但相應(yīng)功耗較大，電磁輻射與干擾與較大。
4LVDS電平接口：在標(biāo)準(zhǔn)中推薦的最大操作速率是655Mbps，電流驅(qū)動模式，信號的噪聲和EMI都較小。
5GTL接口電平：低電壓，低擺幅，常用作背板總線型信號的傳輸，雖然使用頻率一般在100MHz以下，但上升沿一般都比較陡，特別是對沿敏感的信號，如時(shí)鐘信號。
6RS-232電平接口：為低速串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，電平為±12V，用于DTE與DCE之間的連接。RS-232接口采用不平衡傳輸方式，收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號是相對于信號地的電平而言，其共模抑制能力低，傳輸距離近，多用于點(diǎn)對點(diǎn)接口通訊。
7RS-422/RS-485接口：采用平衡方式傳輸，采用差分方式，使其在通訊速率、抗干擾性和傳輸距離較RS-232接口有較大改善。多用于多點(diǎn)接口通迅。RS485電平接口可驅(qū)動32個(gè)負(fù)載，忍受-7V到12V共模干擾。
9光隔離接口：能實(shí)現(xiàn)電氣隔離，更高速率的器件價(jià)格較昂貴。
10線圈耦合接口：電氣隔離特性好，但允許信號帶寬有限
11以太網(wǎng)：經(jīng)常采用的是10Base-T和100Base-T兩種主流標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用激光探測系統(tǒng)和分系統(tǒng)之間的接口通訊和數(shù)據(jù)傳輸。以太網(wǎng)接口具有性價(jià)比高、數(shù)據(jù)傳輸速率高、資源共享能力強(qiáng)和廣泛的技術(shù)支持等眾多優(yōu)點(diǎn)。
12USB接口：USB總線接口是一種基于令牌的接口，USB主控制器廣播令牌，總線上的設(shè)備檢測令牌中的地址是否與自身相符，通過發(fā)送和接收數(shù)據(jù)對主機(jī)作出響應(yīng)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是安裝配置簡單。
3激光探測系統(tǒng)接口方案設(shè)計(jì)考慮因素
隨著大規(guī)模數(shù)字處理芯片和高速接口芯片的迅猛發(fā)展，激光探測系統(tǒng)也呈現(xiàn)出智能化、小型化、模塊化的趨勢。在激光探測系統(tǒng)中，信息接口的設(shè)計(jì)逐漸向標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、多節(jié)點(diǎn)、高速等方向展
3.1接口信號傳輸中的干擾噪聲
3.1.1接口信號傳輸中的主要干擾形式
a)串模干擾：雜散信號通過感應(yīng)和輻射的方式進(jìn)入接口信道的干擾。串模干擾的產(chǎn)生原因主要是傳輸中插件等所產(chǎn)生的接觸電勢、熱電勢等噪聲引起的。
b)共模干擾：干擾同時(shí)作用在兩根信號往返線上，而且幅指相同。共模干擾產(chǎn)生的原因，主要是傳輸線路較長，在發(fā)送端和接收端之間存在著接地的電位差。
3.1.2接口信號傳輸中的抗干擾措施
a)傳輸線的選擇
為了抑制由于雜散電磁場通過電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)進(jìn)入信道的干擾，接口傳輸線應(yīng)盡量選用雙絞線和屏蔽線，并將屏蔽層接地，而且屏蔽層的接地要于激光探測系統(tǒng)一端浮地的結(jié)構(gòu)形式配合，不要將屏蔽線層當(dāng)作信號線和公用線。
b)傳輸線的平衡和匹配
采用平衡電路和平衡傳輸結(jié)構(gòu)是抑制共模干擾的有力措施。目前廣泛使用的是差分式平衢性線電路，例如RS-422/RS-485標(biāo)準(zhǔn)串口電路。
接口信號傳輸時(shí)還要考慮與傳輸線特性阻抗的匹配問題。一般長線傳輸?shù)尿?qū)動器接收器都適用于驅(qū)動特性阻抗為50Ω—150Ω的同軸電纜和雙絞線，一般接口接收器的輸入阻抗要比傳輸線的特性阻抗大，因此要設(shè)法將兩者匹配，最好將發(fā)送端和接收端匹配。
控制信號線的具體配置：控制信號線要和強(qiáng)電、數(shù)據(jù)總線、地址總線分開，盡量選用雙絞線和屏蔽線，并將屏蔽層接地。
c)隔離技術(shù)：電位隔離是常用的抗干擾方法，接口信號采用光電隔離和電磁隔離可以切斷接口內(nèi)外線路的電氣連接，從而減弱露流、地阻抗耦合等傳導(dǎo)性干擾的影響。3.2接口硬件的選擇原則：
3.2.1為各類接口選擇合適的總線接口芯片、接口總線，并設(shè)計(jì)具體的接口電路。
3.2.3選擇接口芯片時(shí)應(yīng)根據(jù)激光探測系統(tǒng)CPU/MPU類型，總線類型／寬度和系統(tǒng)所完成的功能并按照高效、經(jīng)濟(jì)、可靠，方便、簡單的原則來確定。
3.2.4設(shè)計(jì)具體的接口電路應(yīng)具體考慮電源問題
3.2.5數(shù)據(jù)／命令的鎖存和驅(qū)動
激光探測系統(tǒng)內(nèi)部及激光探測系統(tǒng)和其他系統(tǒng)間實(shí)施數(shù)據(jù)／命令傳輸時(shí)，一般采用數(shù)據(jù)鎖存技術(shù)來適應(yīng)雙方讀寫的時(shí)間要求。
3.3接口的實(shí)時(shí)性
由于激光探測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求很高，設(shè)計(jì)時(shí)要使時(shí)鐘抖動、通道間時(shí)延、工作周期失真以及系統(tǒng)噪聲最小化，所以設(shè)計(jì)接口時(shí)盡量選用高通訊速率和同步工作方式。
接口軟件的設(shè)計(jì)原則
同步通訊系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要充分考慮數(shù)據(jù)流量的控制，最好在數(shù)據(jù)發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)每隔一段時(shí)間插入一段空閑時(shí)間，從而保證數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
異步通訊系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要充分考慮合理的數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式，可以根據(jù)系統(tǒng)要求選擇冗余校驗(yàn)、校驗(yàn)和、冗余校驗(yàn)的方法。
4激光探測系統(tǒng)接口方案設(shè)計(jì)驗(yàn)證
構(gòu)建高速有效的激光探測系統(tǒng)接口是非常有挑戰(zhàn)性的，并且設(shè)計(jì)者需要在設(shè)計(jì)接口前后就考慮多個(gè)因素，詳細(xì)的系統(tǒng)級的驗(yàn)證都是必須的。
4.1設(shè)計(jì)前的驗(yàn)證
基于指令集模擬器和硬件模擬器軟硬件模擬技術(shù)是一種高效、低代價(jià)的系統(tǒng)驗(yàn)證方法。接口設(shè)計(jì)軟件采用匯編，C，C++等語言編寫，用戶編寫的接口源程序經(jīng)過交叉編譯器和連接器編譯，輸入到軟件指令集模擬器進(jìn)行軟件模擬。而接口硬件驗(yàn)證則采用硬件描述語言如VHDL設(shè)計(jì)，經(jīng)過編譯后由硬件模擬器模擬。但設(shè)計(jì)前的驗(yàn)證也有一定的局限性，比如只能驗(yàn)證數(shù)字接口和驗(yàn)證環(huán)境理想化等缺點(diǎn)。這些都需要設(shè)計(jì)后的驗(yàn)證
4.2設(shè)計(jì)后的驗(yàn)證
最常見的驗(yàn)證方法是制作模擬激光探測系統(tǒng)內(nèi)部接口和系統(tǒng)間外部接口的通用信號源，通用信號源可以模擬探測系統(tǒng)內(nèi)部的如主回波、時(shí)統(tǒng)、顯示、鍵盤等信號，也可以模擬輸入外部操控命令，并將激光探測系統(tǒng)狀態(tài)、測量數(shù)據(jù)等信息顯示輸出。
4.3通過驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)問題，修改設(shè)計(jì)，然后再模擬，最終完成滿足要求的軟硬件接口設(shè)計(jì)。
1.1 課程設(shè)計(jì)目的 1
1.2 課程設(shè)計(jì)的預(yù)備知識 1
1.3 課程設(shè)計(jì)任務(wù) 1
1.4 課程設(shè)計(jì)要求 1
第2章 總體方案設(shè)計(jì) 1
2.1 數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)方案論證 1
2.2 設(shè)計(jì)方案的總體框圖 2
第3章 各部分電路的實(shí)現(xiàn) 2
3.1 傳感器電路 2
3.2 A/D轉(zhuǎn)換器MAX197 4
3.3 8279驅(qū)動顯示器 6
第4章 各個(gè)部分流程圖及設(shè)計(jì) 9
4.1 A/D轉(zhuǎn)換器MAX197的流程圖 9
4.2 8279 的程序及框圖 11
4.3 數(shù)字式溫度計(jì)的整體程序 12
第5章 15
關(guān)鍵詞：單片機(jī)接口電路微機(jī)硬件
MSP430超低功耗微處理器是TI公司推出的一種新型單片機(jī)。它具有16位精簡指令結(jié)構(gòu)，內(nèi)含12位快速ADC/SlopeADC,內(nèi)含60K字節(jié)FLASHROM，2K字節(jié)RAM，片內(nèi)資源豐富，有ADC、PWM、若干TIME、串行口、WATCHDOG、比較器、模擬信號，有多種省電模式，功耗特別小，一顆電池可工作10年。開發(fā)簡單，仿真器價(jià)格低廉，不需昂貴的編程器。
MSP430其特點(diǎn)有：1.8V～3.6V低電壓供電；高效16位RISCCPU可以確保任務(wù)的快速執(zhí)行，縮短了工作時(shí)間，大多數(shù)指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期里完成；6微秒的快速啟動時(shí)間可以延長待機(jī)時(shí)間并使啟動更加迅速，降低了電池的功耗。MSP430產(chǎn)品系列可以提供多種存儲器選擇，簡化了各類應(yīng)用中MSP430的設(shè)計(jì)；ESD保護(hù)，抗干擾力特強(qiáng)。與其它微控制器相比，帶Flash的微控制器可以將功耗降低為原來1/5，既縮小了線路板空間又降低了系統(tǒng)成本。
MSP430具有如此多的優(yōu)點(diǎn)，可以預(yù)測在今后會有廣泛的應(yīng)用。但是目前仍有許多5V電池的邏輯器件和數(shù)字器件在使用，因此在許多設(shè)計(jì)中3V（含3.3V）邏輯系統(tǒng)和5V邏輯系統(tǒng)共存，而且不同的電源電壓在同一電路板中混用。隨著更低電壓標(biāo)準(zhǔn)的引進(jìn)，不同電源電壓邏輯器件間的接口問題會在很長一段時(shí)間內(nèi)存在。本文討論MSP430與單片機(jī)中最常用的LSTTL電路、CMOS電路及計(jì)算機(jī)HCMOS電路的3V和5V系統(tǒng)中邏輯器件間的接口方法。理解這些方法可避免不同電壓的邏輯器件接口時(shí)出現(xiàn)問題，保證所設(shè)計(jì)的電路數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
1邏輯電平不同，接口時(shí)出現(xiàn)的問題
在混合電壓系統(tǒng)中，不同電源電壓的邏輯器件相互接口時(shí)會存在三個(gè)主要問題：第一是加到輸入和輸出引腳上的最大允許電壓的限制問題；第二是兩個(gè)電源間電流的互串問題；第三是必須滿足的輸入轉(zhuǎn)換門限電平問題。器件對加到輸入腳或輸出腳的電壓通常是有限制的。這些引腳有二極管或分離元件接到Vcc。如果接入的電壓過高，電流將會通過二極管或分離元件流向電源。例如3V器件的輸入端接上5V信號，則5V電源將會向3V電源充電，持續(xù)的電流將會損壞二極管和電路元件。在等待或掉電方式時(shí)，3V電源降落到0V，大電流將流到地，這使總線上的高電平電壓被下拉到地。這些情況將引起數(shù)據(jù)丟失和元件損壞。必須注意的：不管是在3V的工作狀態(tài)或是0V的等狀態(tài)都不允許電流直接流向Vcc。另外用5V的器件來驅(qū)動3V的器件有很多不同情況，各種電路間的轉(zhuǎn)換電平也存在不同情況。驅(qū)動器必須滿足接收器的輸入轉(zhuǎn)換電平，并要有足夠的容限保證不損壞電路元件。
2可用5V容限輸入的3V邏輯器件
3V的邏輯器件可以有5V輸入容限的器件有LVC、LVT、ALVT、LCX、LVX、LPT和FCT3等系列。此外，還有不帶總線保持輸入的飛利浦ALVC也是5V容限。
2.1ESD保護(hù)電路
3V器件可以有5V的輸入容限。一般數(shù)字電路的輸入端都有一個(gè)靜電放電（ESD）保護(hù)電路。如圖1（a）所示，傳統(tǒng)的CMOS電路通過接地的二極管D1、D2對負(fù)向高電壓限幅實(shí)現(xiàn)保護(hù)，正向高是則由二極管D3箝位。這種電路為了防止電流流向Vcc電源，最大輸入電壓被限制在Vcc+0.5V。對Vcc為3V的器件來說，當(dāng)輸入端直接與大多數(shù)5V器件輸出端接口時(shí)允許的輸入電壓太低大多數(shù)3V系統(tǒng)加到輸入端的電壓可達(dá)3.6V以上。有些3V系統(tǒng)可以使用兩個(gè)MOS場效應(yīng)管或晶體管T1、T2代替二極管D1、D2，如圖1（b）所示。T1、T2的作用相當(dāng)于快速劑納二極管對高電壓限幅。由于去掉了接到Vcc的二極管D3，因此最大輸入電壓不受Vcc的限制。典型情況下，這種電路的擊穿電壓在7～10V之間，因此可以適合任何5V系統(tǒng)的輸入電壓。
由上述分析可知，改進(jìn)后具有ESD保護(hù)電路的3V系統(tǒng)的輸入端可以與5V系統(tǒng)的輸出端接口。
2.2總線保護(hù)電路
總線保護(hù)電路就是有一個(gè)MOS場效應(yīng)管用作上拉或下拉器件，在輸入端浮空（高阻）的情況下保護(hù)輸入端處于最后有效的邏輯電平。圖2（a）中的電路為一LVC器件總線保護(hù)電路，采取改進(jìn)措施而使其輸入端具有5V的容限。其基本原理如下：P溝道MOS場效應(yīng)管具有一個(gè)內(nèi)在的寄生二極管，它連接在漏極和襯底之間，通常源極與襯底是連在一起的，這就限制了輸入電壓不能高于Vcc+0.5V。現(xiàn)在的措施是用常閉接點(diǎn)S1將源極與襯底相連，當(dāng)輸入端電壓比Vcc高0.5V時(shí)，比較器使S2閉合，S1斷開，輸入端電流不會通過二極管流向Vcc而使輸入具有5V的容限。圖2（b）是LVT和LAVT器件總線保持電路的例子。這種電路用了一個(gè)串聯(lián)的肖特基二極管D，消除了從輸入到Vcc的電流通路，從而可以承受5V輸入電壓。對于3V的總體保持LVC、LVT和ALVT系列器件可以承受5V的輸入電壓。但對于3V的ALVC、VCX等系列器件則不能，它們的輸入電壓被限制在Vcc+0.5V。
圖3是用于3VCMOS器件輸出電路的簡化形式。當(dāng)輸出端電壓高于Vcc+0.5V（二極管壓降）時(shí)，P溝道MOS場效應(yīng)管的內(nèi)部二極管會形成一條從輸出端到Vcc的電流通路。這種電路在與5V器件相接時(shí)需要加保護(hù)電路。
圖4是一種帶保護(hù)電路的CMOS器件輸出電路。當(dāng)輸出端電壓高于Vcc時(shí)，比較器使S1開路，S2閉合，電流通路消失。這樣在三態(tài)方式時(shí)就能與5V器件相接。
2.3biCMOS輸出電路
LVT和ALVT器件的biCMOS輸出電路如圖5所示。它用雙極NPN晶體管和CMOS場效應(yīng)管來獲得輸出電壓擺幅達(dá)到電源電壓的要求。電流不會通過NPN雙極晶體管回流到Vcc，但在P溝道MOS場效應(yīng)管中的內(nèi)在二極管仍然會形成一條從輸出端到Vcc的電流通路（為了簡化，圖5中沒有畫出該二極管）。因此這種電路不能接高于Vcc的電壓。
對圖5電路所加的保護(hù)電路如圖6所示。增加了反向偏置的肖特基二極管，用以防止電流從輸出端流到Vcc。圖6中的輸出端與5V驅(qū)動器共用一條總線。在三態(tài)方式時(shí)，電路可以得到保護(hù)。當(dāng)出現(xiàn)總線爭奪即兩個(gè)驅(qū)動器都以高電平驅(qū)動總線時(shí)，比較器將P溝道MOS場效應(yīng)管斷開。當(dāng)3V器件處于等待方式而3V電源為0時(shí)，比較器和肖特基二極管可以起保護(hù)作用。
3接口電路的有關(guān)參數(shù)
了解了3V器件為什么具有5V容限后，在MSP430與LSTTL、HCMOS、CMOS電路實(shí)現(xiàn)相互聯(lián)接之間，要先了解各種電路和器件的參數(shù)，如表1所示。
表1各種電路和器件參數(shù)
參數(shù)
電路電源電壓范圍輸入電平輸出電平
V（V）VIH（V）VIL（V）VOH（V）VOL（V）
LSTTL4.5～5.520.82.70.4
CMOS3～18（取Vcc=5）3.51.54.50.5
HCMOS2～63.515.20.4
MSP4301.83.60.8Vcc0.2VccVcc-0.60.6
ALVT系列3.3或2.51.70.82.00.2～0.55
LVC系列1.65～5.50.7Vcc0.3Vcc2.7～5.50.1～0.55
4接口實(shí)現(xiàn)
不同電源電壓的邏輯器件相互接口時(shí)存在的主要問題是邏輯信號電平的配合問題，就是前級電路輸出的電平要滿足后級電路對輸入電平的要求。此外還有負(fù)載電流的配合問題，即前級電路的輸出電流應(yīng)大于后級電路對輸入電流的要求，同時(shí)不應(yīng)造成器件損壞。還有就是在高速或有嚴(yán)重干擾的場合，必須考慮接口對系統(tǒng)和抗干擾性能帶來的不良影響。這里主要討論邏輯信號電平的配合問題。因?yàn)閷τ谪?fù)載電流配合問題只是一個(gè)帶負(fù)載能力。而抗干擾問題則用本文中提到的方法都可以忽略。
4.1LSTTL-MSP430
如表1所示，LSTTL電路的高電平輸出電壓VOH約為2.7V，MSP430的高電平輸入約為0.8VCC，LSTTL電路的低電平輸出電壓VOL約為0.4V，MSP430的低電平輸入電壓VIL的0.2VCC。如果0.8Vcc小于2.7V且0.2Vcc大于0.4V時(shí)，不存在邏輯信號電平的配合問題，可以直接連接。如果0.8Vcc大于2.7V或0.2Vcc小于0.4V時(shí)，就出現(xiàn)了邏輯信號電平的配合問題。為了增大LSTTL電路的輸出高電平，利用TI公司的LVC系列。從表1中可以看到LVC系列產(chǎn)品的高電平輸出電壓和低電平輸出電壓都符合要求。
4.2CMOS-MSP430
在接口時(shí)使CMOS和MSP430使用同一電源，例如3V電源可以直接驅(qū)動。如果實(shí)際情況不允許，則根據(jù)1表，通過ALVT系列的器件就可以實(shí)現(xiàn)CMOS驅(qū)動MSP430。
4.3HCMOS-MSP430
同上述CMOS分析一樣，同樣選用ALVT來驅(qū)動MSP430。
4.4MSP430驅(qū)動LSTTL、CMOS和HCMOS
MSP430的輸出引腳（P0.x、P1.x、P2.x、P3.x、P4.x、Oy）都有規(guī)定的外接電阻。外接電阻的大小取決于電源電壓Vcc的大小。如果輸出電流比規(guī)定的要大，就需要輸出驅(qū)動器。圖7所示為限制MSP430輸出電流的電阻最小值。設(shè)計(jì)以Vcc=3V，通過這些器件可以驅(qū)動需要大電流的LSTTL、HCMOS和CMOS電路接口。
5兩種電平移位器件
5.1雙電源電平移位器74LVC4245
74LC4245是一種雙電源的電平移位器，如圖8所示。5V端用5V電源作為Vcc(A)，而3V端則用3V作為Vcc(B)。它的功能類似于常用的收發(fā)器74LVC245，所不同的是用兩個(gè)電源而不是一個(gè)電源。74LVS4245的電平移位在其內(nèi)部進(jìn)行。雙電源能保證兩邊端口的輸出擺幅都能達(dá)到滿電源幅值，并且有很好的噪聲抑制性能。因此該器件用來驅(qū)動5VCMOS器件是很理想的。缺點(diǎn)是增加了功耗。
5.274LVC07
關(guān)鍵詞：EPP增強(qiáng)并口uPSD323XPSDsoftEXPRESS
引言
在IBM公司推出PC機(jī)時(shí)，并行端口已經(jīng)是PC機(jī)的一部分。并口設(shè)計(jì)之初，是為能代替速度較慢的串行端口驅(qū)動當(dāng)時(shí)的高性能點(diǎn)陣式打印機(jī)。并口可以同時(shí)傳輸8位數(shù)據(jù)，而串口只能一位一位地傳輸，傳輸速度慢。隨著技術(shù)的進(jìn)步和對傳輸速度要求的提高，最初的標(biāo)準(zhǔn)并行端口即SPP模式的并行端口的速度已不能滿足要求。1994年3月，IEEE1284委員會頒布了IEEE1284標(biāo)準(zhǔn).IEEE1284標(biāo)準(zhǔn)提供的在主機(jī)和外設(shè)之間的并口傳輸速度，相對于最初的并行端口快了50～100倍。IEEE1284標(biāo)準(zhǔn)定義了5種數(shù)據(jù)傳輸模式，分別是兼容模式、半字節(jié)模式、字節(jié)模式、EPP模式和ECP模式。其中EPP模式、ECP模式為雙向傳輸模式。EPP模式比ECP模式更簡潔、靈活、可靠，在工業(yè)界得到了更多的實(shí)際應(yīng)用。本文介紹的一種基于uPSD323X的EPP增強(qiáng)并口的設(shè)計(jì)核心是，使用uPSD323X內(nèi)部的CPLD實(shí)現(xiàn)EPP接口。
1EPP接口協(xié)議介紹
EPP(EnhancedParallelPort,增強(qiáng)并行端口)協(xié)議最初是由Intel、Xirocm、Zenith三家公司聯(lián)合提出的，于1994年在IEEE1284標(biāo)準(zhǔn)中。EPP協(xié)議有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：EPP1.7和EPP1.9。EPP接口控制信號由硬件自動產(chǎn)品，整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸可以在一個(gè)ISAI/O周期完成，通信速率能達(dá)到500KB/s～2MB/s。
EPP引腳定義如表1所列。
表1EPP接口引腳定義
對應(yīng)并口引腳EPP信號方向說明
1nWrit輸出指示主機(jī)是向外設(shè)寫（低電平）還是從外設(shè)讀（高電平）
2～9Data0～7輸入/輸出雙向數(shù)據(jù)總線
10Interrupt輸入下降沿向主機(jī)申請中斷
11nWait輸入低電平表示外設(shè)準(zhǔn)備好傳輸數(shù)據(jù)，高電平表示數(shù)據(jù)傳輸完成
12Spare輸入空余線
13Spare輸入空余線
14nDStrb輸出數(shù)據(jù)選通信號，低電平有效
15Spare輸入空余線
16Ninit輸出初始化信號，低電平有效
17nAStrb輸出地址數(shù)據(jù)選通信號，低電平有效
18～25GroundGND地線
1.1EPP接口時(shí)序
EPP協(xié)議定義了4種并口周期：數(shù)據(jù)寫周期、數(shù)據(jù)讀周期、地址寫周期和地址讀周期。數(shù)據(jù)周期用于計(jì)算機(jī)與外設(shè)間傳送數(shù)據(jù)；地址周期用于傳送地址、通道、命令、控制和狀態(tài)等輔助信息。圖1是EPP數(shù)據(jù)寫的時(shí)序圖。圖1中，nIOW信號實(shí)際上在進(jìn)行EPP數(shù)據(jù)寫時(shí)并不會產(chǎn)生，只不過是表示所有的操作都發(fā)生在一個(gè)I/O周期內(nèi)。在t1時(shí)刻，計(jì)算機(jī)檢測nWait信號，如果nWait為低，表明外設(shè)已經(jīng)準(zhǔn)備好，可以啟動一個(gè)EPP周期了。在t2時(shí)刻，計(jì)算機(jī)把nWrite信號置為低，表明是寫周期，同時(shí)驅(qū)動數(shù)據(jù)線。在t3時(shí)刻，計(jì)算機(jī)把nDataStrobe信號置為低電平，表明是數(shù)據(jù)周期。當(dāng)外設(shè)在檢測到nDataStrobe為低后讀取數(shù)據(jù)并做相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，且在t4時(shí)刻把nWait置為高，表明已經(jīng)讀取數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)可以結(jié)束該EPP周期。在t5和t6時(shí)刻，計(jì)算機(jī)把nDataStrobe和nWrite置為高。這樣，一個(gè)完整的EPP數(shù)據(jù)寫周期就完成了。如果就圖1中的nDataStrobe信號換為nAddStrobe信號，就是EPP地址寫周期。
圖2是EPP地址讀周期。與EPP寫周期類似，不同的是nWtrite信號置為高，表明是讀周期，并且數(shù)據(jù)線由外設(shè)驅(qū)動。
從EPP讀、寫周期可以看出，EPP模式的數(shù)據(jù)傳輸過程是一個(gè)信號互鎖的過程。以EPP寫周期為例子，當(dāng)檢測到nWait為低后，nDataStrobe控制信號就會變低，nWait狀態(tài)信號會由于nDataStrobe控制信號的變低為而高。當(dāng)計(jì)算機(jī)檢測到
nWait狀態(tài)信號變高后，nDataStrobe控制信號就會變高，一個(gè)完整的EPP寫周期結(jié)束。因此，EPP數(shù)據(jù)的傳輸以接口最慢的設(shè)備來進(jìn)行，可以是主機(jī)，也可以是外設(shè)。
1.2EPP增強(qiáng)并口的定義
EPP增強(qiáng)并口模式使用與標(biāo)準(zhǔn)并口（SPP，StandardParalledPort）模式相同的基地址，定義了8個(gè)I/O地址?；刂?0是SPP數(shù)據(jù)口，基地址+1是SPP狀態(tài)口，基地址+2是SPP控制口。這3個(gè)口實(shí)際上就是SPP模式下的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制口，保證了EPP模式和SPP模式的軟硬件兼容性。
基地址+3是EPP地址口。這個(gè)I/O口中寫數(shù)據(jù)將產(chǎn)生一個(gè)連鎖的EPP地址寫周期，從這個(gè)I/O口中讀數(shù)據(jù)將產(chǎn)生一個(gè)連鎖的EPP地址讀周期。在不同的EPP應(yīng)用系統(tǒng)中，EPP地址口可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)為設(shè)備選擇、通道選擇、控制寄存器、狀態(tài)信息等。給EPP應(yīng)用系統(tǒng)提供了極大的靈活性。
基地址+4是EPP數(shù)據(jù)口。向這個(gè)I/O口中寫數(shù)據(jù)將產(chǎn)生一個(gè)連鎖的EPP數(shù)據(jù)寫周期，從這個(gè)I/O口讀數(shù)據(jù)將產(chǎn)生一個(gè)連鎖的EPP數(shù)據(jù)寫周期。基地址+5～+7與基地址+4一起提供對EPP數(shù)據(jù)口的雙字操作能力。EPP允許主機(jī)在此個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)寫1個(gè)32位雙字，EPP電路再把32位雙字拆為個(gè)字節(jié)依次從EPP數(shù)據(jù)口中送出去。也可以用其所長6位字方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。
由于EPP通過硬件自動握手，對EPP地址口和EPP數(shù)據(jù)口的讀寫操作都自動產(chǎn)生控制信號而無需軟件生成。
2uPSD323X及其開發(fā)環(huán)境PSDsoftEXPRESS
ST公司的uPSD323X是帶8032內(nèi)核的Flash可編程系統(tǒng)器件，將于8032MCU、地址鎖存器、Flash、SRAM、PLD等集成在一個(gè)芯片內(nèi)。其主要特點(diǎn)如下：具有在線編程能力和超強(qiáng)的保密功能；2片F(xiàn)lash保存器，1片是128K或者256K的主Flash存儲器，另一片是32K的從Flash存儲器；片內(nèi)8K的SDRAM；可編程的地址解碼電路（DPLD），使存儲器地址可以映射到8032尋址范圍內(nèi)的任何空間；帶有16位宏單元的3000門可編程邏輯電路（CPLD），可以實(shí)現(xiàn)EPP接口等及一些不太復(fù)雜的接口和控制功能；2個(gè)異步串口、I2C接口、USB接口、5通道脈沖寬度調(diào)節(jié)器、50個(gè)I/O引腳等。由于uPSD323X采用的是8032內(nèi)核，因此可以完全得到KeilC51編程器的PSDsoftEXPRESS是ST公司針對PSD系列產(chǎn)品（包括uPSD）開發(fā)的基于Windows平臺的一套軟件開發(fā)環(huán)境。經(jīng)過不斷升級，目前最新版是PSDsoftEXPRESS7.9。它提供非常容易的點(diǎn)擊設(shè)計(jì)窗口環(huán)境用戶不需要自己編程，也不需要了解HDL語言，只有點(diǎn)擊鼠標(biāo)即可完成對地址鎖存器、Flash、可編程邏輯電路等外設(shè)的所有配置和寫入。它支持所有PSD器件的開發(fā)，使用PSDsoftEXPRESS工具對uPSD323X系列器件的可編程邏輯電路的操作簡單、直觀。PSDsoftEXPRESS工具可以在ST網(wǎng)站（/psd）免費(fèi)下載。
3用uPSD323X實(shí)現(xiàn)EPP接口設(shè)計(jì)
3.1硬件接口
EPP增強(qiáng)并口的速度最高可達(dá)到500KB/s～2MB/s,這對外設(shè)的接口設(shè)計(jì)提供了一個(gè)很高的要求，如果外設(shè)響應(yīng)太慢，系統(tǒng)的整體性能將大大下降。用戶可編程邏輯器件，系統(tǒng)的整體性能將大大降低。用戶可編程邏輯器件，如FPGA（FieldProgrammableGatesArray,現(xiàn)場可編程門陣列）和CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice,復(fù)雜可編程邏輯器件），可以實(shí)現(xiàn)EPP增強(qiáng)并口的接口設(shè)計(jì)，這種實(shí)現(xiàn)方案可以達(dá)到并口中的速度極限，并且保密性好。ST公司的uPSD323X內(nèi)部集成了可編程邏輯電路（CPLD），因此使用uPSD323X可以很好地實(shí)現(xiàn)EPP增強(qiáng)并口的接口設(shè)計(jì)。
EPP接口（EPP1.7）外設(shè)硬件接口原理如圖3所示。在本設(shè)計(jì)中，uPSD323X通過中斷的方式接收PC機(jī)并口的數(shù)據(jù)，并且當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)時(shí)，PC機(jī)采用的也是中斷方式接收外設(shè)的數(shù)據(jù)。
在上述硬件電路的基于上實(shí)現(xiàn)EPP并口通信還需做兩部分的工作：一部分工作是在PSDsoftEXPRESS工具中完成對CPLD的數(shù)據(jù)的鎖存；另一部分工作是在KEILC51環(huán)境下編寫中斷服務(wù)程序，實(shí)現(xiàn)EPP數(shù)據(jù)的讀取和發(fā)送。
圖3
3．2對CPLD的編程及其實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鎖存的過程
在PSDsoftEXPRESS工具中，將PA端口（EPPD0～EPPD7）配置成帶有時(shí)鐘上升沿觸發(fā)的寄存器類型（PTclockedregister）的輸入宏，PB0（nWait）配置成上升沿觸發(fā)的D類型寄存器（D-typeregister）的輸出宏，PB3（nWrite）、PB4(nDstrb)、PB2(nAstrb)配置成CPLD邏輯輸入（logicinput）口。NDstrb信號和nAstrb信號各自取反再相與后的值作為輸入宏單元和輸出宏單元的時(shí)鐘。上述對PA、PB端口的配置用方程式表示如下：
PORTAEQUATIONS：
=======================
！EPPD7_LD_0=nAstrb&nDstrb;
EPPD0.LD=EPPD3_LD_0.FB;
!EPPD3_LD_0=nAstrb&nDstrb;
EPPD1.LD=EPPD3_LD_0.FB;
!nWait_C_0=nAstrb&nDstrb;
EPPD2.LD=EPPD3_LD_0.FB;
EPPD3.LD=EPPD3_LD_0.FB;
EPPD4.LD=FPPD7_LD_0.FB;
EPPD5.LD=EPPD7_LD_0.FB;
EPPD6.LD=EPPD7_LD_0.FB;
EPPD7.LD=EPPD7_LD_0.FB;
PORTBEQUATIONS:
=======================
nWait.D:=1;
nWait.PR=0;
nWait.C=nWait_C_0.FB;
nWait.OE=1;
nDstrb.LE=1;
nAstrb.LE=1;
EPP數(shù)據(jù)的鎖存過程如下：以計(jì)算機(jī)向外設(shè)傳輸數(shù)據(jù)（即EPP數(shù)據(jù)寫周期）為例子，計(jì)算機(jī)首先檢測nWait信號，如果nWait為低計(jì)算機(jī)把nWrite信號置為低，表明是寫周期，同時(shí)將數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)總線上，然后置低nDstrb信號。此時(shí)，nDstrb信號會出現(xiàn)一個(gè)上升沿，此上升沿會將PA端口的數(shù)據(jù)鎖存到輸入宏；同時(shí)，此上升沿使nWait信號變高，表示外設(shè)正忙阻計(jì)算機(jī)發(fā)數(shù)年。當(dāng)計(jì)算機(jī)檢測到nWait信號為高后就會將數(shù)據(jù)握手信號nDstrb變高，EPP數(shù)據(jù)寫周期結(jié)束。上述EPP數(shù)據(jù)的鎖存和nWait握手信號的產(chǎn)生都由硬件產(chǎn)生，因此數(shù)據(jù)傳輸速度快。整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過程可以在一個(gè)I/O周期內(nèi)完成，鎖存到輸入宏的數(shù)據(jù)的讀取和nWait信號的清除則在外部中斷0服務(wù)程序軟件完成。
3．3中斷服務(wù)程序的功能描述及流程
由硬件原理圖可以看出，EPP并口的nDstrb和nAstrb信號線分別連到uPSD323X的外部中斷定和外部中斷1引腳。當(dāng)發(fā)生EPP數(shù)據(jù)讀寫時(shí)，nDstrb信號就會產(chǎn)生一個(gè)下降沿，引起外中斷定中斷。當(dāng)發(fā)生EPP地址讀寫時(shí)，nAstrb信號就會產(chǎn)生一個(gè)下降沿，引起外中斷1中斷。外部中斷0和外部中斷1的中斷服務(wù)程序的功能是相同的，只不過前者接收或發(fā)送的是數(shù)據(jù)而后者是地址、命令等。以外部中斷0的中斷服務(wù)程序?yàn)槔敿?xì)介紹數(shù)據(jù)正向傳輸（計(jì)算機(jī)向外設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)）和反向傳輸（外設(shè)向計(jì)算機(jī)傳送數(shù)據(jù)）時(shí)中斷服務(wù)程序的功能。外部中斷0中斷服務(wù)程序流程如圖4所示。
（1）數(shù)據(jù)正向傳輸
當(dāng)發(fā)生EPP數(shù)據(jù)寫周期時(shí)，即數(shù)據(jù)正向傳輸時(shí)，計(jì)算機(jī)首先檢測nWait信號。如果nWait為低，表示外設(shè)已準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)把nWrite信號置為低，表明是寫周期，同時(shí)將數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)總線上，然后置低nDstrb。NDstrb信號就會產(chǎn)生一個(gè)下降沿，此下降沿一方面將PA端口的數(shù)據(jù)鎖存到輸入宏并使nWait信號變高，表示外設(shè)正忙另一方面引起外部中斷0中斷，在外部中斷0的中斷服務(wù)程序中讀取輸入宏鎖存的數(shù)據(jù)，然后將nWait信號清零通知計(jì)算機(jī)現(xiàn)在外設(shè)已經(jīng)準(zhǔn)備好可以再次接收數(shù)據(jù)了。
（2）數(shù)據(jù)反向傳輸
外設(shè)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)需要上傳到計(jì)算機(jī)時(shí)，uPSD323X就會將數(shù)據(jù)放到PA端口，同時(shí)置低Intr信號線，向計(jì)算機(jī)申請一個(gè)中斷，計(jì)算機(jī)中由一個(gè)硬件驅(qū)動程序來處理并口的硬件中斷。驅(qū)動程序在并口中斷服務(wù)程序中，通過讀取EPP數(shù)據(jù)口獲得外設(shè)上傳的數(shù)據(jù)。由于EPP接口的握手信號由硬件產(chǎn)生，當(dāng)計(jì)算機(jī)讀取EPP數(shù)據(jù)口時(shí)同樣會檢測nWait信號。如果nWait為低，計(jì)算機(jī)把nWrite信號置高，表明是讀周期，然后置低nDstrb,nDstrb信號就會產(chǎn)生一個(gè)下降沿。此下降沿使nWait信號變高，同時(shí)引起uPSD323X外部中斷定中斷。在外部中斷0的中斷服務(wù)程序中，為確保計(jì)算機(jī)將PA端口的數(shù)據(jù)取走，需不斷檢測nDstrb是否為高。當(dāng)nDstrb為高時(shí)，表示計(jì)算機(jī)已將PA端口聽數(shù)據(jù)讀走，然后中斷服務(wù)程序?qū)Wait置低，EPP數(shù)據(jù)讀周期結(jié)束。
（一）內(nèi)涵
機(jī)電接口主要就是機(jī)電一體化產(chǎn)品中機(jī)械裝置與控制微機(jī)之間的接口，其是基于機(jī)電一體化而產(chǎn)生的。機(jī)電接口根據(jù)信息傳輸方向的不同，可以分為信息采集接口、輸出接口[1]。在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，傳感器是一種較為常用的設(shè)備，在輸出信號的時(shí)候，一般采用模擬量方式進(jìn)行檢測，時(shí)刻掌握發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，并且檢測差動變壓器位置。然而，在輸出控制量的時(shí)候，存在一個(gè)比較特殊的形式，就是數(shù)字系統(tǒng)。機(jī)電接口技術(shù)主要就是研究機(jī)電系統(tǒng)各項(xiàng)組成技術(shù)與子系統(tǒng)連接問題的綜合技術(shù)，其主要包括電子技術(shù)、信息技術(shù)、機(jī)械技術(shù)等，共同構(gòu)成了一個(gè)綜合系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)了信息的交互與融合，在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。機(jī)電接口主要是由硬件與軟件共同構(gòu)成，在機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行中，與環(huán)境及操作者之間成立一種有效連接，在物理通道中展開信息與能量的輸入、轉(zhuǎn)換及傳輸。在信息轉(zhuǎn)換的過程中，需要進(jìn)行有效的交互與調(diào)整，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化技術(shù)的協(xié)調(diào)與綜合，保證各系統(tǒng)的有效運(yùn)行，充分發(fā)揮系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的工作目標(biāo)。
（二）分類
目前，機(jī)電接口主要包括以下幾種：智能接口、動力接口、機(jī)電接口、人機(jī)接口[2]。智能接口應(yīng)用較為復(fù)雜，不同技術(shù)形式產(chǎn)生的信息形式也不同，并且在使用過程中，可以根據(jù)不同要求展開相應(yīng)的改變。在各種信息轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)倪^程中，智能接口可以確保不同技術(shù)與子系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)完整系統(tǒng)。動力接口可以有效連接動力源與機(jī)電系統(tǒng)，之后給予機(jī)電系統(tǒng)相應(yīng)的驅(qū)動動力。在機(jī)電系統(tǒng)中，動力類型有很多種，主要包括直流電、交流電、液壓等，在系統(tǒng)中運(yùn)用不同動力類型的時(shí)候，需要選用不同的接口形式，確保系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。機(jī)電接口的作用就是實(shí)現(xiàn)各種驅(qū)動系統(tǒng)的有效連接，并且將驅(qū)動信號轉(zhuǎn)變成執(zhí)行信號，在轉(zhuǎn)變的過程中滿足傳感器運(yùn)行要求。人機(jī)接口是機(jī)電系統(tǒng)與操作者之間存在的接口，通過這一接口，可以在操作者眼前呈現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并且有效監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)人性化操作目標(biāo)。
二、機(jī)電一體化發(fā)展及其發(fā)展趨勢
（一）機(jī)電接口技術(shù)對機(jī)電一體化發(fā)展的影響
近些年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，對一些事物的要求也在明顯提高。經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展離不開科學(xué)技術(shù)水平的提高，傳統(tǒng)機(jī)械技術(shù)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代人們?nèi)找嬖鲩L的技術(shù)需求，需要對其進(jìn)行改進(jìn)與完善。從而在此形勢下，機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其主要包括電子技術(shù)、信息技術(shù)、機(jī)械技術(shù)等，充分滿足了現(xiàn)代社會發(fā)展的技術(shù)要求。在機(jī)電一體化技術(shù)初始發(fā)展中，只是將電子技術(shù)與機(jī)械技術(shù)進(jìn)行融合，接口十分簡單、便捷[3]。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，機(jī)電一體化技術(shù)水平也在不斷提升。目前，機(jī)電一體化技術(shù)不再是簡單的機(jī)電一體化產(chǎn)品，逐漸形成了一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其系統(tǒng)內(nèi)部接口也日益復(fù)雜?，F(xiàn)階段，機(jī)電一體化技術(shù)研究越來越深入、成熟，然而，簡單的技術(shù)研究已經(jīng)無法滿足系統(tǒng)的運(yùn)行需求，需要充分重視其復(fù)雜性研究。針對機(jī)電一體化技術(shù)而言，其復(fù)雜性較強(qiáng)，如果只是單純研究系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其集成理論，根本無法充分實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的作用，為此，需要加深對機(jī)電接口技術(shù)的研究，在設(shè)計(jì)方面，加強(qiáng)對有關(guān)理論的融合，確保機(jī)電一體化系統(tǒng)的全面實(shí)施。在機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展過程中，越來越向智能化、系統(tǒng)化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，其系統(tǒng)內(nèi)部接口要求越來越高，不僅要確保接口技術(shù)與系統(tǒng)技術(shù)的有效融合，還要確保信息傳輸?shù)捻槙场?/p>
（二）機(jī)電一體化發(fā)展歷程及趨勢
機(jī)電一體化發(fā)展主要經(jīng)歷3個(gè)階段。一是，在20世紀(jì)50年代，電子技術(shù)發(fā)展越來越成熟，人們嘗試在機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用電子技術(shù)，進(jìn)而刺激了機(jī)械產(chǎn)品與電子技術(shù)的融合，初步產(chǎn)生機(jī)電一體化概念。二是，在20世紀(jì)80年代，機(jī)電一體化已經(jīng)發(fā)展了30來年，不管是技術(shù)還是產(chǎn)品性能都得到了很大的提升，技術(shù)更加成熟，產(chǎn)品性能更加健全。三是，在20世紀(jì)90年代末，微細(xì)加工技術(shù)、電子通信技術(shù)、光學(xué)技術(shù)等得到了快速發(fā)展，并且逐漸融入發(fā)到了機(jī)電一體化當(dāng)中，使得機(jī)電一體化技術(shù)越來越成熟。我國機(jī)電一體化起步比較晚，現(xiàn)今已經(jīng)取得了一定的成績，在機(jī)械工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，人工智能機(jī)電一體化建設(shè)取得了很大的進(jìn)步，在數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人制造中得到了廣泛運(yùn)用，促進(jìn)了機(jī)械工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。系統(tǒng)化發(fā)展使機(jī)械系統(tǒng)更加開放，為多子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展與綜合管理提供了可靠依據(jù)。同時(shí)，在綠色生產(chǎn)概念下，機(jī)械綠色化也是工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，是人類保護(hù)生態(tài)環(huán)境資源的重要手段[4]。
關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)接口技術(shù)；教學(xué)改革；proteus
1引言
《計(jì)算機(jī)接口技術(shù)》課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)主干課程，是大學(xué)本科生掌握計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)知識和常用接口技術(shù)的入門課程[1]。課程由微型計(jì)算機(jī)工作原理和微處理器、匯編語言程序設(shè)計(jì)、常用接口技術(shù)三個(gè)部分組成。該課程目的使學(xué)生通過本門課程的學(xué)習(xí)，掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成，建立起整機(jī)概念，并培養(yǎng)學(xué)生具有一定的獨(dú)立分析和解決問題的能力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)以及將來的工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但由于本門課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，并且具有知識點(diǎn)多、概念抽象、理論性強(qiáng)等特點(diǎn)，學(xué)生掌握起來并非易事，就以往學(xué)生的反應(yīng)，此門課程學(xué)習(xí)難度大，知識不易理解，普遍存在“重軟件、輕硬件”的現(xiàn)象，大大降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，動手實(shí)踐能力的培養(yǎng)也受到很大的限制，如何能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，是需要解決的問題，筆者結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)實(shí)踐，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中進(jìn)行了一些教學(xué)改革的初步探索。
2引用
proteus仿真軟件Proteus嵌入式系統(tǒng)仿真與開發(fā)平臺是英國labcenterelec⁃tronics公司開發(fā)，是目前世界上最先進(jìn)、最完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真平臺。它包括原理圖編輯與仿真軟件包isis和布線編輯軟件包ares兩部分組成。Proteus7.5SP3及其以上版本新增對8086CPU及其相關(guān)接口芯片的仿真。硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備由于結(jié)構(gòu)固定、資源有限且成本高、損耗大以及壽命低等缺點(diǎn)，pro⁃teus的引用對于改善教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)知識的求知欲，以及學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果，是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，此外，學(xué)生只要在自己的電腦上安裝proteus軟件后，可以不受時(shí)間和空間的限制，進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真操作，既節(jié)約了成本，又能充分發(fā)揮學(xué)生自己的思維和想象，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)來說是一個(gè)課堂的延伸[2]。對于8086來說，將其編寫好的源程序可通過外加EMU8086編譯器生成.exe文件，然后在proteus上進(jìn)行仿真，達(dá)到教學(xué)目的。Proteus的引用不僅可在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上使用，也可在理論教學(xué)中使用，教師可以在課堂上邊講理論知識，邊進(jìn)行教學(xué)演示，直觀形象，使學(xué)生對生澀難懂的知識進(jìn)行有效的消化、吸收，是教學(xué)的有力的輔助工具。實(shí)踐證明，引用proteus，達(dá)到了提高教學(xué)效果的目的，更加利于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)。Proteus是教學(xué)的一個(gè)有利的補(bǔ)充，但它只是一個(gè)仿真軟件，不能完全代替實(shí)物實(shí)踐，仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)箱上的實(shí)驗(yàn)還是有區(qū)別的，由于實(shí)際電路運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)的各種電氣特性等，使在proteus上調(diào)通的，在硬件上不一定能夠成功的實(shí)現(xiàn)，基于以上認(rèn)知，采取proteus仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行教學(xué)。要求學(xué)生先課下通過proteus軟件進(jìn)行仿真，模擬實(shí)驗(yàn)效果，再到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際硬件電路的操作，查看實(shí)驗(yàn)效果，這種教學(xué)搭配，充分利用proteus仿真軟件的形象直觀性，增強(qiáng)學(xué)生好奇心，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，同時(shí)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果。
3課時(shí)安排
計(jì)算機(jī)接口技術(shù)課程主要分為微機(jī)原理、匯編語言程序設(shè)計(jì)和接口技術(shù)三大模塊，共64學(xué)時(shí)，為兼顧各個(gè)模塊之間的承上啟下以及知識的連續(xù)性，主要分配學(xué)時(shí)如下表1：微機(jī)原理主要講授微機(jī)基本知識，如微處理器、微型計(jì)算機(jī)、微機(jī)系統(tǒng)的概念以及微機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理、時(shí)序知識、指令系統(tǒng)等，匯編語言程序設(shè)計(jì)涉及內(nèi)容有匯編語言源程序的格式、變量屬性、分支結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)和子程序設(shè)計(jì)，接口技術(shù)涉及內(nèi)容有存儲器、輸入輸出接口、常用I/O接口芯片等。實(shí)踐教學(xué)在整個(gè)課程中起著重要作用，通過實(shí)踐，對理論知識進(jìn)行消化和理解，同時(shí)學(xué)生的動手能力能夠得到很好的鍛煉，培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力，做到理論與實(shí)踐有效的結(jié)合，實(shí)踐教學(xué)總學(xué)時(shí)16學(xué)時(shí)，具體分配如下表2，其中匯編語言程序設(shè)計(jì)部分安排4學(xué)時(shí)，由于此部分上機(jī)實(shí)踐只需計(jì)算機(jī)即可，不需其他硬件，學(xué)生在課上學(xué)習(xí)好程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試方法后，可以利用課下時(shí)間在圖書館或宿舍完成作業(yè)和上機(jī)實(shí)踐，節(jié)約課上學(xué)時(shí)，為其他內(nèi)容的講授提供充足的時(shí)間。接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)共分為6次實(shí)驗(yàn)，分別為proteus的使用、8259中斷控制器、8255并行接口芯片、8253定時(shí)計(jì)數(shù)器以及A/D、D/A轉(zhuǎn)換。每次實(shí)驗(yàn)安排2學(xué)時(shí)，要求學(xué)生課下提前預(yù)習(xí)，為下次實(shí)驗(yàn)做充分的準(zhǔn)備，保證每次實(shí)驗(yàn)順利地進(jìn)行，完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。其中proteus的使用這一實(shí)驗(yàn)安排1次，是因?yàn)樵诒鹃T課程學(xué)習(xí)之先，學(xué)生已學(xué)習(xí)過《電路制圖與仿真》這門課程，此門課程主要介紹proteus軟件的使用，因此在proteus的實(shí)驗(yàn)主要介紹EMU8086編譯器的使用，學(xué)會使用proteus進(jìn)行8086的仿真。常用接口芯片部分的5次實(shí)驗(yàn)均設(shè)置了基本實(shí)驗(yàn)部分和提高部分兩個(gè)層次，其中基本部分要求每一個(gè)學(xué)生必須完成，按照電路原理圖進(jìn)行連線，編寫實(shí)驗(yàn)程序，完成實(shí)驗(yàn)效果。提高部分要求學(xué)生在完成基本部分后，有余力的學(xué)生可對電路進(jìn)行設(shè)計(jì)并編寫相應(yīng)的程序改善接口的性能。每一個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場演示。
4實(shí)驗(yàn)考核
實(shí)驗(yàn)評分標(biāo)準(zhǔn)分為實(shí)驗(yàn)操作部分、現(xiàn)場提問環(huán)節(jié)以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告三個(gè)部分組成。學(xué)生抽簽決定實(shí)驗(yàn)考核內(nèi)容，并進(jìn)行現(xiàn)場演示，教師根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作過程、結(jié)果以及對現(xiàn)場的提問回答情況等形式進(jìn)行現(xiàn)場評分，以激勵學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，達(dá)到教學(xué)目的。實(shí)驗(yàn)操作部分占實(shí)驗(yàn)總成績的比例為50%，現(xiàn)場提問環(huán)節(jié)所占比例為30%，實(shí)驗(yàn)報(bào)告占20%，其中實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求學(xué)生重點(diǎn)報(bào)告在實(shí)驗(yàn)過程中遇到什么問題，以及解決此問題的思路和方法以及實(shí)驗(yàn)的心得體會，避免抄襲和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式化。
5充分利用多媒體
在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，充分利用多媒體，提升教學(xué)效果。為提高學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，對于在實(shí)驗(yàn)過程中難懂的知識點(diǎn)，可以采用動畫進(jìn)行直觀形象的演示，使學(xué)生更加能夠領(lǐng)會實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和目的，便于理解和記憶。
6結(jié)論
《計(jì)算機(jī)接口技術(shù)》是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，對于此門課程的教學(xué)也是一個(gè)不斷學(xué)習(xí)和探索的過程。對于本門課程的改革實(shí)踐，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果有了很大改善，學(xué)生主動性、學(xué)習(xí)熱情有所提高。此課程是一門公認(rèn)的教師難教、學(xué)生難學(xué)的課程[3]。隨著時(shí)代的發(fā)展，計(jì)算機(jī)接口技術(shù)課程也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，需要不斷完善教學(xué)體系，更新教學(xué)內(nèi)容，尋求新的教學(xué)方法，提高教學(xué)效果，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，提高學(xué)生的綜合能力、科學(xué)素質(zhì)，為社會培養(yǎng)更多高素質(zhì)的復(fù)合型人才。本課程的改革是一項(xiàng)長期艱巨的任務(wù)，需要不斷探索和完善。
作者:鄢艷紅 單位:廣州中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院
參考文獻(xiàn)：
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由于機(jī)械系統(tǒng)與微電子系統(tǒng)在性質(zhì)上有很大差別，兩者間的聯(lián)系須通過機(jī)電接口進(jìn)行調(diào)整、匹配、緩沖，因此機(jī)電接口起著非常重要的作用：
（1）行電平轉(zhuǎn)換和功率放大。一般微機(jī)的I/O芯片都是TTL電平，而控制設(shè)備則不一定，因此必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換；另外，在大負(fù)載時(shí)還需要進(jìn)行功率放大；
（2）抗干擾隔離。為防止干擾信號的串入，可以使用光電耦合器、脈沖變壓器或繼電器等把微機(jī)系統(tǒng)和控制設(shè)備在電器上加以隔離；
（3）進(jìn)行A/D或D/A轉(zhuǎn)換。當(dāng)被控對象的檢測和控制信號為模擬量時(shí)，必須在微機(jī)系統(tǒng)和被控對象之間設(shè)置A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路，以保證微機(jī)所處理的數(shù)字量與被控的模擬量之間的匹配。
1、模擬信號輸入接口。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，反映被控對象運(yùn)行狀態(tài)信號是傳感器或變送器的輸出信號，通常這些輸出信號是模擬電壓或電流信號（如位置檢測用的差動變壓器、溫度檢測用的熱偶電阻、溫敏電阻、轉(zhuǎn)速檢測用的測速發(fā)電機(jī)等）計(jì)算機(jī)要對被控對象進(jìn)行控制，必須獲得反映系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)信號，而計(jì)算機(jī)只能接受數(shù)字信號，要達(dá)到獲取信息的目的，就應(yīng)將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的接口——模擬信號輸入接口。
2、模擬信號輸出接口。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，控制生產(chǎn)過程執(zhí)行器的信號通常是模擬電壓或電流信號，如交流電動機(jī)變頻調(diào)速、直流電動機(jī)調(diào)速器、滑差電動機(jī)調(diào)速器等。而計(jì)算機(jī)只能輸出數(shù)字信號，并通過運(yùn)算產(chǎn)生控制信號，達(dá)到控制生產(chǎn)過程的目的，應(yīng)有將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬電信號的接口——模擬信號輸出接口。任務(wù)是把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓或電流信號，以便驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行器，達(dá)到控制對象的目的。模擬信號輸出接口一般由控制接口、數(shù)字模擬信號轉(zhuǎn)換器、多路模擬開關(guān)和功率放大器幾部分構(gòu)成。
3、開關(guān)信號通道接口。機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，需要經(jīng)常處理一類最基本的輸入/輸出信號，即數(shù)字量（開關(guān)量）信號包括：開關(guān)的閉合與斷開；指示燈的亮與滅；繼電器或接觸器的吸合與釋放；電動機(jī)的啟動與停止；閥門的打開與關(guān)閉等。這些信號的共同特征是以二進(jìn)制的邏輯“1”和“0”出現(xiàn)的。在機(jī)電一體化控制系統(tǒng)中，對應(yīng)二進(jìn)制數(shù)碼的每一位都可以代表生產(chǎn)過程中的一個(gè)狀態(tài)，此狀態(tài)作為控制依據(jù)。
（1）輸入通道接口。開關(guān)信號輸入通道接口的任務(wù)是將來自控制過程的開關(guān)信號、邏輯電平信號以及一些系統(tǒng)設(shè)置開關(guān)信號傳送給計(jì)算機(jī)。這些信號實(shí)質(zhì)是一種電平各異的數(shù)字信號，所以開關(guān)信號輸入通道又稱為數(shù)字輸入通道（DI）。由于開關(guān)信號只有兩種邏輯狀態(tài)“ON”和“OFF”或數(shù)字信號“1”和“0”，但是其電平一般與計(jì)算機(jī)的數(shù)字電平不相同，與計(jì)算機(jī)連接的接口只需考慮邏輯電平的變換以及過程噪聲隔離等設(shè)計(jì)問題，它主要由輸入緩沖器、電平隔離與轉(zhuǎn)換電路和地址譯碼電路等組成。
（2）輸出通道接口。開關(guān)信號輸出通道的作用是將計(jì)算機(jī)通過邏輯運(yùn)算處理后的開關(guān)信號傳遞給開關(guān)執(zhí)行器（如繼電器或報(bào)警指示器）。它實(shí)質(zhì)是邏輯數(shù)字的輸出通道，又稱為數(shù)字輸出通道（DO）。DO通道接口設(shè)計(jì)主要考慮的是內(nèi)部與外部公共地隔離和驅(qū)動開關(guān)執(zhí)行器的功率。開關(guān)量輸出通道接口主要由輸出鎖存器、驅(qū)動器和輸出口地址譯碼電路等組成。
二、人機(jī)接口
人機(jī)接口是操作者與機(jī)電系統(tǒng)（主要是控制微機(jī)）之間進(jìn)行信息交換的接口。按照信息的傳遞方向，可以分為輸入與輸出接口兩大類。機(jī)電系統(tǒng)通過輸出接口向操作者顯示系統(tǒng)的各種狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)及結(jié)果等信息；另一方面，操作者通過輸入接口向機(jī)電系統(tǒng)輸入各種控制命令，干預(yù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)所要求的功能。
1、輸入接口。
（1）撥盤輸入接口。撥盤是機(jī)電一體化系統(tǒng)中常見的一種輸入設(shè)備，若系統(tǒng)需要輸入少量的參數(shù)，如修正系數(shù)、控制目標(biāo)等，采用撥盤較為方便，這種方式具有保持性。撥盤的種類很多，作為人機(jī)接口使用最方便的是十進(jìn)制輸入、BCD碼輸出的BCD碼撥盤。BCD碼撥盤可直接與控制微機(jī)的并行口或擴(kuò)展口相連，以BCD碼形式輸入信息。
（2）鍵盤輸入接口。鍵盤是一組按鍵集合，向計(jì)算機(jī)提供被按鍵的代碼。常用的鍵盤有：
1）編碼鍵盤，自動提供被按鍵的編碼（如ASCII碼或二進(jìn)制碼）；
2）非編碼鍵盤，僅僅簡單地提供按鍵的通或斷（“0”或“1”電位），而按鍵的掃描和識別，則由設(shè)計(jì)的鍵盤程序來實(shí)現(xiàn)。前者使用方便，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高；后者電路簡單，便于設(shè)計(jì)。
2、輸出接口。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，發(fā)光二極管顯示器（LED）是典型的輸出設(shè)備，由于LED顯示器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠性高、壽命長、價(jià)格便宜，因此使用廣泛。常用的LED顯示器有7段發(fā)光二極管和點(diǎn)陣式LED顯示器。7段LED顯示器原理很簡單，是同名管腳上所加電平高低來控制發(fā)光二極管是否點(diǎn)亮而顯示不同字形的。點(diǎn)陣式LED顯示器一般用來顯示復(fù)雜符號、字母及表格等，在大屏幕顯示及智能化儀器中有廣泛應(yīng)用。
結(jié)語：
接口技術(shù)是研究機(jī)電一體化系統(tǒng)中的接口問題，使系統(tǒng)中信息和能量的傳遞和轉(zhuǎn)換更加順暢，使系統(tǒng)各部分有機(jī)地結(jié)合在一起，形成完整的系統(tǒng)。接口技術(shù)是在機(jī)電一體化技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展而變得越來越重要；同時(shí)接口技術(shù)的研究也必然促進(jìn)機(jī)電一體化的發(fā)展。從某種意義上講，機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，就是根據(jù)功能要求選擇了各部分后所進(jìn)行的接口設(shè)計(jì)。接口的好與壞直接影響到機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制性能，以及系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，因此接口技術(shù)是機(jī)電一體化系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
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