论文部分内容阅读
摘 要：现代科技发展的需要成就了机电一体化的重要地位。本文简单描述了机电一体化的发展情况和背景。通过机电一体化在世界各国发展的现状，浅析未来机电一体化发展的前景和方向。在机电一体化发展的过程中接口技术也以此为基础得以发展，而且它在在机电一体化中发展中扮演的角色也日趋重要。本文首先简单地介绍了机电一体化控制系统，并以此为例，分别通过对机电接口、人机接口两个主要接口问题的探讨分析了机电一体化中的接口问题。
关键词：机电一体化；发展趋势；接口技术；机电接口；人机接口
中图分类号：G71 文献标识码：A 文章编号：1009-0118（2012）-02-0-02
机械系统和微电子系统有机地结合在一起就构成了完整的机电一体化系统。但是由于各个要素性质不同，工作条件以及工作方式的不同，使它们之间必须有一个媒介，这个媒介就是接口。只有通过接口的转换、调剂、协调，机电系统各部分才能正常通信，进行能量交换、变送，才能构成一个完整的系统。机电一体化接口正是扮演着联系条件这一重要角色。接口性能的好坏往往决定了机电一体化系统能否正常高速地运作，所以机电一体化产品质量的好坏可以从接口的性能上来分析判断。换言之，接口设计的好坏决定着系统综合性能的好坏。因此，把机电以及其有关的各个方面的技术完美融合，设计出智能化的高优机电一体化产品是研究机电接口技术的最终目标与任务。
一、机电一体化的概述
电子技术与机械技术的联系与生俱来，从电子技术产生开始就有。电子技术的发展时刻影响着机械技术的创新，它们渐渐形成一中新兴技术即机电一体化。大规模集成电路的出现标志着电子技术发展的高峰，也大大的促进了机电一体化的发展，使她有了明显进展，使它的魅力凸显在人类的面前，它的发展开始成为科技发展的焦点。在机械系统中采用电子技术，机械系统通过接口以及软件与电子设计融合起来的技术被称为机电一体化。
科学技术的不断发展推动着机电一体化的不断发展不断更新，它逐渐发展成为一门独特的新型学科。它的发展大体可以分为三个阶段：（一）初级阶段，这一阶段终止于20世纪60年代。这个阶段里，在机械产品中使用电子技术的初步成果来改善其性能已成为人们的习惯。尤其在二战中，军备的竞争刺激了电子技术在机械产品中的使用，使机电一体化有了较大的发展。但这一时期落后的电子技术阻碍了机电一体化的发展，使它处于初级阶段；（二）高速发展阶段。20世纪七八十年代电子技术的发展大大促进了机电一体化的发展，机电一体化开始真正的影响世界；（三）20世纪90年代后期，智能化开始成为机电一体化的目标，机电一体化开始向更加深层次的方向发展。机电一体化的研究和发展开始成为体系，各国也对机电一体化的发展更加重视。
技术和产品是机电一体化的两个主要层面。简单的叠加机械技术、微电子技术以及其它新技术不是机电一体化，它是机械电子完美糅合的综合技术。机电一体化正是因此有别于机械电气化。机械电气化是机电一体化的基础。机电一体化取代机械电气化的发展后，简单的取代和扩大的系统被智能化，功能化所取代。机电接口技术作为机电一体化重要组成部分的也随着设计实践的日趋丰富、设计理念的日趋成熟吸引了更多人力财力的投入和关注。
二、关于机电一体化中的接口问题探讨
（一）机电一体化接口技术的内涵
机电一体化技术是在电子、机械、计算机、控制理论等现代高新群体基础上建立起来的一种先进技术。机电接口技术是机电一体化发展中的一门新兴技术，它的主要内容是解决机电一体化系统中各要素之间的接口问题。这门技术的研究能使系统中信息能量的交互，技术的融合更有效的进行，使机电一体化系统达到最优化设计。
机电一体化系统的基本组成
（二）机电接口的功能
机电接口作为联系条件，在各要素之间传递和转换信息和能量，并将机电一体化各组成技术的特性糅合。和计算机接口一样机电接口包括硬件和软件，硬件的主要任务是在各要素之间或人与机电一体化系统之间建立连接，通信、能量变送的物理通道。软件主要是提供系统信息交互、转换。调整的方法和过程，协调和综合一体化组成技术，使各要素集成融合，以实现新的功能。
（三）机电接口的分类
机械系统与微电子系统有着不同的技术与理论基础，使它们在性质上差别很大，如果缺少机电接口在各个要素之间对各个变量起到调剂、缓和、配对的作用，它们之间的联系就难以建立起来。因此，机电接口在机电一体化系统中起着必不可少的作用：（1）行电平转换和功率放大。计算机的，而控制设备则可能是CMOS电平，电平转换在这里就必须要进行；此外，负载的大小决定着是否进行功率放大；（2）抗干扰隔离。干扰信号太多会严重影响机电一体化系统的稳定性和精度，因此在微机系统和控制设备中使用光电耦合器、脉冲变压器或继电器把它们隔离起来；（3）进行数字/模拟转换或模拟/数字转换。微机系统只能进行数字量的处理，而传感器检测到的大多是模拟量，这样增加A/D与D/A转换电路到微机系统与被控过程系统之间成为必然为微机系统和被控对象的通信，匹配扫除障碍，使微机系统的控制更加顺利。
1、模拟信号输入接口
在机电一体化系统中，被控过程的各个参数与状态都通过传感器和变送装置转化给微机系统的电信号。这些信号一般为连续的电信号即模拟信号。这些直接传送只能处理数字信号的计算机是无法完成的。为达到信息交互的目的，只能采用能够将连续电信号解析成离散数字信号的模拟信号输入接口。
2、模拟信号输出接口
微机系统是根据输入设备采集到的反映被控对象工作状况的信息，按照存储器中预先存储的程序，选择相应的控制算法或是控制策略，自动地进行信息处理和运算，实时地向输出设备发出控制命令，达到预定的控制目标。但是直接控制生产过程的信号一般为模拟信号，如交流变频器、直流电动机调速器等。计算机作为进入数字化时代的代表产物，它输出的控制命令不可能是模拟信号，只有将计算机输出的数字信号通过接口转化为模拟信号才能够达到预定的控制目的。
（1）输入通道接口
缓冲器、隔离电路、转换电路以及译码器等四大重要部分组成了输入通道接口。它的作用是将那些控制命令中的开关信号、逻辑电平信号以及一些系统设置离散数字信号传递给上机。数字输入通道（DI）在很多文献或是使用中被叫做开关信号输入通道，就是因为这些电平各异的数字信号在系统中被作为开关信号来使用。两种逻辑状态1和0构成了数字信号的全部，但是它的电平一般与微机的电平不尽相同。这就促使了数字输入通道有一个重要的任务是解决逻辑电平的差异不兼容以及降低噪声对执行过程的影响。
（2）输出通道接口
数字输出通道接口（DO）的作用是将计算机通过选择相应的算法或策略进行运算处理过的数字信号传递给I/O设备，然后传递给执行装置（如接触器或LED指示灯）。从本质上来说它是逻辑数字信号的输出通道。它主要是解决内外部公共地的隔离问题以及驱动开关的功率是否合适的问题。
三、人机接口
（一）输入接口
1、拨盘输入接口
拨盘是工程中一种常见的输入设备，在机电一体化系统中使用的也较多。一般在系统参数较少，比较简单时，使用拨盘比较简单方便，并且输入可以被保持。参数较多时，最好使用其他设备。拨盘种类繁多，十进制在人机接口方面使用最方便的是十进制输入、BCD码输出的BCD码拨盘。BCD码拨盘的输入方式是以BCD码形式输入，它与控制微机的并行口或扩展口相连不需要其他任何部件，可以很方便地直接相连。
2、键盘输入接口
键盘是一组键体开关，它们按照一定的顺序排列，并能通过键体里的功能电路，向计算机输入特定的编码，一般为ASCⅡ码。常见的键盘有编码键盘：它是通过数字电路直接产生对应于按键的编码。编码键盘使用起来相当方便，但是结构复杂，成本高，使用较少。非编码式键盘：一般它的键体是根据矩阵形式排列的，通过一定的方式对形成的矩阵进行不断的扫描不断获取按键的动作行为，一旦有输入，就会被输入送入主机，通过分析查表，得到数字编码，传递给主机处理器。构造简单，按键可以重新定义等优点使其使用相当广泛。
（二）输出接口
由于发光二级管具有很多优点，例如结构简单、体积小、使用寿命长、可靠性高以及性价比高，因此在机电一体化系统中被作为典型的输出设备被广泛使用。LED显示器主要分为两种，一种是LED段位显示器，如7段LED数码管，另一种是点阵式LED显示器。7段LED数码管机构原理都很简单，它通过控制不同组合的二极管导通就可以显示出各种字符。点阵式LED由于能够显示复杂符号、字母以及表格等，所以其应用比较广泛，特别是作为大型LED显示屏和智能化仪器。
总而言之，机电一体化系统是机械系统通过不断地融合新技术而发展起来的。因此，对机电一体化研究的复杂性以及多学科性就将研究的重点放在了对此技术在机械技术上的创新和发展。通过探讨研究机电一体化系统中的接口问题，发展接口技术，能使系统中信息的交互和能量的传递和变送更加顺利，有机地结合系统各个部分各个要素，使其作为一个完整的系统运作。接口问题的深入研究能大大推动接口技术的发展，接口技术的大力发展必然会使得机电一体化以及机电一体化系统理论的大步发展。
参考文献：
[1]李建勇.机电一体化技术[M].北京:科学出版社,2004.
[2]李运华.机电控制[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.
[3]费仁元,张慧慧,郑刚.机电接口技术的内涵和发展[J].北京工业大学学报,2003,(4).
关键词：机电一体化；发展趋势；接口技术；机电接口；人机接口
中图分类号：G71 文献标识码：A 文章编号：1009-0118（2012）-02-0-02
机械系统和微电子系统有机地结合在一起就构成了完整的机电一体化系统。但是由于各个要素性质不同，工作条件以及工作方式的不同，使它们之间必须有一个媒介，这个媒介就是接口。只有通过接口的转换、调剂、协调，机电系统各部分才能正常通信，进行能量交换、变送，才能构成一个完整的系统。机电一体化接口正是扮演着联系条件这一重要角色。接口性能的好坏往往决定了机电一体化系统能否正常高速地运作，所以机电一体化产品质量的好坏可以从接口的性能上来分析判断。换言之，接口设计的好坏决定着系统综合性能的好坏。因此，把机电以及其有关的各个方面的技术完美融合，设计出智能化的高优机电一体化产品是研究机电接口技术的最终目标与任务。
一、机电一体化的概述
电子技术与机械技术的联系与生俱来，从电子技术产生开始就有。电子技术的发展时刻影响着机械技术的创新，它们渐渐形成一中新兴技术即机电一体化。大规模集成电路的出现标志着电子技术发展的高峰，也大大的促进了机电一体化的发展，使她有了明显进展，使它的魅力凸显在人类的面前，它的发展开始成为科技发展的焦点。在机械系统中采用电子技术，机械系统通过接口以及软件与电子设计融合起来的技术被称为机电一体化。
科学技术的不断发展推动着机电一体化的不断发展不断更新，它逐渐发展成为一门独特的新型学科。它的发展大体可以分为三个阶段：（一）初级阶段，这一阶段终止于20世纪60年代。这个阶段里，在机械产品中使用电子技术的初步成果来改善其性能已成为人们的习惯。尤其在二战中，军备的竞争刺激了电子技术在机械产品中的使用，使机电一体化有了较大的发展。但这一时期落后的电子技术阻碍了机电一体化的发展，使它处于初级阶段；（二）高速发展阶段。20世纪七八十年代电子技术的发展大大促进了机电一体化的发展，机电一体化开始真正的影响世界；（三）20世纪90年代后期，智能化开始成为机电一体化的目标，机电一体化开始向更加深层次的方向发展。机电一体化的研究和发展开始成为体系，各国也对机电一体化的发展更加重视。
技术和产品是机电一体化的两个主要层面。简单的叠加机械技术、微电子技术以及其它新技术不是机电一体化，它是机械电子完美糅合的综合技术。机电一体化正是因此有别于机械电气化。机械电气化是机电一体化的基础。机电一体化取代机械电气化的发展后，简单的取代和扩大的系统被智能化，功能化所取代。机电接口技术作为机电一体化重要组成部分的也随着设计实践的日趋丰富、设计理念的日趋成熟吸引了更多人力财力的投入和关注。
二、关于机电一体化中的接口问题探讨
（一）机电一体化接口技术的内涵
机电一体化技术是在电子、机械、计算机、控制理论等现代高新群体基础上建立起来的一种先进技术。机电接口技术是机电一体化发展中的一门新兴技术，它的主要内容是解决机电一体化系统中各要素之间的接口问题。这门技术的研究能使系统中信息能量的交互，技术的融合更有效的进行，使机电一体化系统达到最优化设计。
机电一体化系统的基本组成
（二）机电接口的功能
机电接口作为联系条件，在各要素之间传递和转换信息和能量，并将机电一体化各组成技术的特性糅合。和计算机接口一样机电接口包括硬件和软件，硬件的主要任务是在各要素之间或人与机电一体化系统之间建立连接，通信、能量变送的物理通道。软件主要是提供系统信息交互、转换。调整的方法和过程，协调和综合一体化组成技术，使各要素集成融合，以实现新的功能。
（三）机电接口的分类
机械系统与微电子系统有着不同的技术与理论基础，使它们在性质上差别很大，如果缺少机电接口在各个要素之间对各个变量起到调剂、缓和、配对的作用，它们之间的联系就难以建立起来。因此，机电接口在机电一体化系统中起着必不可少的作用：（1）行电平转换和功率放大。计算机的，而控制设备则可能是CMOS电平，电平转换在这里就必须要进行；此外，负载的大小决定着是否进行功率放大；（2）抗干扰隔离。干扰信号太多会严重影响机电一体化系统的稳定性和精度，因此在微机系统和控制设备中使用光电耦合器、脉冲变压器或继电器把它们隔离起来；（3）进行数字/模拟转换或模拟/数字转换。微机系统只能进行数字量的处理，而传感器检测到的大多是模拟量，这样增加A/D与D/A转换电路到微机系统与被控过程系统之间成为必然为微机系统和被控对象的通信，匹配扫除障碍，使微机系统的控制更加顺利。
1、模拟信号输入接口
在机电一体化系统中，被控过程的各个参数与状态都通过传感器和变送装置转化给微机系统的电信号。这些信号一般为连续的电信号即模拟信号。这些直接传送只能处理数字信号的计算机是无法完成的。为达到信息交互的目的，只能采用能够将连续电信号解析成离散数字信号的模拟信号输入接口。
2、模拟信号输出接口
微机系统是根据输入设备采集到的反映被控对象工作状况的信息，按照存储器中预先存储的程序，选择相应的控制算法或是控制策略，自动地进行信息处理和运算，实时地向输出设备发出控制命令，达到预定的控制目标。但是直接控制生产过程的信号一般为模拟信号，如交流变频器、直流电动机调速器等。计算机作为进入数字化时代的代表产物，它输出的控制命令不可能是模拟信号，只有将计算机输出的数字信号通过接口转化为模拟信号才能够达到预定的控制目的。
（1）输入通道接口
缓冲器、隔离电路、转换电路以及译码器等四大重要部分组成了输入通道接口。它的作用是将那些控制命令中的开关信号、逻辑电平信号以及一些系统设置离散数字信号传递给上机。数字输入通道（DI）在很多文献或是使用中被叫做开关信号输入通道，就是因为这些电平各异的数字信号在系统中被作为开关信号来使用。两种逻辑状态1和0构成了数字信号的全部，但是它的电平一般与微机的电平不尽相同。这就促使了数字输入通道有一个重要的任务是解决逻辑电平的差异不兼容以及降低噪声对执行过程的影响。
（2）输出通道接口
数字输出通道接口（DO）的作用是将计算机通过选择相应的算法或策略进行运算处理过的数字信号传递给I/O设备，然后传递给执行装置（如接触器或LED指示灯）。从本质上来说它是逻辑数字信号的输出通道。它主要是解决内外部公共地的隔离问题以及驱动开关的功率是否合适的问题。
三、人机接口
（一）输入接口
1、拨盘输入接口
拨盘是工程中一种常见的输入设备，在机电一体化系统中使用的也较多。一般在系统参数较少，比较简单时，使用拨盘比较简单方便，并且输入可以被保持。参数较多时，最好使用其他设备。拨盘种类繁多，十进制在人机接口方面使用最方便的是十进制输入、BCD码输出的BCD码拨盘。BCD码拨盘的输入方式是以BCD码形式输入，它与控制微机的并行口或扩展口相连不需要其他任何部件，可以很方便地直接相连。
2、键盘输入接口
键盘是一组键体开关，它们按照一定的顺序排列，并能通过键体里的功能电路，向计算机输入特定的编码，一般为ASCⅡ码。常见的键盘有编码键盘：它是通过数字电路直接产生对应于按键的编码。编码键盘使用起来相当方便，但是结构复杂，成本高，使用较少。非编码式键盘：一般它的键体是根据矩阵形式排列的，通过一定的方式对形成的矩阵进行不断的扫描不断获取按键的动作行为，一旦有输入，就会被输入送入主机，通过分析查表，得到数字编码，传递给主机处理器。构造简单，按键可以重新定义等优点使其使用相当广泛。
（二）输出接口
由于发光二级管具有很多优点，例如结构简单、体积小、使用寿命长、可靠性高以及性价比高，因此在机电一体化系统中被作为典型的输出设备被广泛使用。LED显示器主要分为两种，一种是LED段位显示器，如7段LED数码管，另一种是点阵式LED显示器。7段LED数码管机构原理都很简单，它通过控制不同组合的二极管导通就可以显示出各种字符。点阵式LED由于能够显示复杂符号、字母以及表格等，所以其应用比较广泛，特别是作为大型LED显示屏和智能化仪器。
总而言之，机电一体化系统是机械系统通过不断地融合新技术而发展起来的。因此，对机电一体化研究的复杂性以及多学科性就将研究的重点放在了对此技术在机械技术上的创新和发展。通过探讨研究机电一体化系统中的接口问题，发展接口技术，能使系统中信息的交互和能量的传递和变送更加顺利，有机地结合系统各个部分各个要素，使其作为一个完整的系统运作。接口问题的深入研究能大大推动接口技术的发展，接口技术的大力发展必然会使得机电一体化以及机电一体化系统理论的大步发展。
参考文献：
[1]李建勇.机电一体化技术[M].北京:科学出版社,2004.
[2]李运华.机电控制[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.
[3]费仁元,张慧慧,郑刚.机电接口技术的内涵和发展[J].北京工业大学学报,2003,(4).