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第三章人机接口技术1概述2计算机控制系统的人机交互通道3显示器原理及接口技术4键盘接口技术5报警器接口技术6通信接口技术1、概述本章讲述计算机控制系统中显示器及其接口技术;键盘设计;单片机与打印机,报警器、以及单片机与工控机的接口,不同控制系统的相互通信等外围设备接口技术。人机接口技术的主要功能是显示并记录来自计算机控制系统的过程参数,将过程参数集中起来,实现适当的信息处理和操作的集中化。为了便于过程的全面协调和监控,实现计算机过程控制状态、参数的显示、报警、记录和操作。具体内容包括显示设备、键盘、打印输出设备等。2、计算机控制系统的人机交互通道2.1人机接口的功能和类型2.2人机交互通道的特点1、人机接口的功能和类型计算机控制中,人对系统状态的了解、掌握和指挥依赖于人机通道中数据的传递,这里包括人对系统的了解和干预、控制参数的输入、系统状态的打印汇报等等内容。人机交互通道的主要形式如图3-1所示。按键键盘语音输入鼠标/轨迹球拨码盘触摸屏控制系统主处理系统及其扩展电路打印机CRTLED/LCD报警设备图3-1人机交互通道主要类型2、人机交互通道的特点人机交互式通道的任务就是要建立应用系统与人之间的信息传递渠道,不同的测控系统应该根据自身的特点和性质来建立这条信息渠道。总结各种渠道的特点,在计算机测控系统中,人机交互通道具有以下几个特点:人机交互通道具有以下几个特点直观性:目前在计算机控制系统中,广泛采用人性化的人机界面设计,这一技术利益于计算机硬件技术的飞速发展,尤其是仿真技术、组态软件的应用改变了以前实物操作界面的概念。操作人员可以利用鼠标和键盘轻松实现控制。专用性:计算机控制系统的配置要按照测控系统的功能要求设计,不同的系统要求各不相同。通用性:人机交互系统的很多电路为数字电路,许多外部设备也是具有标准的接口控制和通信要求,所以可以采用通用的接口集成芯片设计,其设计和使用都非常方便。3、显示器原理及接口技术适合工控机使用的显示器,包括CRT和液晶显示器、适合单片机控制系统的LED/LCD显示器件等。3.1CRT显示器及其接口3.2LED显示器件原理及其接口技术3.3液晶显示器LCD接口技术及其显示原理3.1CRT显示器及其接口CRT显示器是计算机控制系统的重要人机对话设备,通过串行通信接口或视频接口与微机通信,显示器屏上可直观地显示数据、字符、图形,通过系统软件和硬件功能,可随时增删、修改和变换显示内容。CRT显示器与计算机系统接口方式有两种,一种是通过专用显示驱动电路板实现,一种是利用USB接口技术实现数据交换。3.2LED显示器件原理及其接口技术(一)LED显示器件原理及类型1.工作原理LED数码管有共阳极和共阴极两种形式.如图3-2LED数码管具有以下特点:(1)能在低电压、小电流条件下驱动发,能与CMOS、TTL电路兼容。(2)发光响应时间极短(0.1μs)高频特性好,单色性好,亮度高。(3)体积小,重量轻,抗冲击性能好。(4)寿命长,使用寿命在10万小时以上,甚至可达100万小时,成本低。2.LED数码管的分类(见课本P61)8段LED显示器的结构原理12345678910abcdefgdp(a)段排列gfCOMabedCOMcdp(b)共阴极COMabcdefgdpCOM(c)共阳极abcdefgdp8段LED显示器段选码原理图DDDDDDDD01234567COMabcdefgdp七段字符的段选码显示字符共阴极段选码共阳极段选码显示字符共阴极段选码共阳极段选码03FHC0HC39HC6H106HF9HD5FHA1H25BHA4HE79H86H34FHB0HF71H84H466H99H0.BFH40H56DH92H1.86H79H67DH82H2.DBH24H707HF8H3.CFH30H87FH80H4.E6H19H96FH90H………A77H88H8.FFH00HB7CH83H无显示00HFFH(二)LED接口技术LED显示器有静态显示和动态显示两种方式.1.LED静态显示方式N位静态显示器要求有N×8根I/O口,占有I/O资源较多,故在位数较多时往往采用动态显示方式。LED静态显示方式图7-5 LED静态显示方式abcdefgdpabcdefgdpabcdefgdpabcdefgdpGNDCOMCOMCOMCOMI/O(1)I/O(2)I/O(3)I/O(4)2.LED动态显示方式所谓动态扫描显示,就是让各位数码管按照一定顺序轮流显示,其优点是:(1)能显著降低显示器的功耗,这对电池供电的便携式数字仪表尤为必要;(2)能大大减少显示器的外部接线,给安装调试带来方便;(3)能采用BCD码多路输出的方式工作,不仅简化了译码/驱动器的数量,还容易和微型计算机相连。只要位扫描信号频率足够高,由于人眼的“视觉暂留”现象,就观察不到闪烁现象。LED动态显示方式abcdefgdpabcdefgdpabcdefgdpabcdefgdpCOMCOMCOMCOMI/O(1)D0D1D2D3I/O(2)图7-6LED动态显示方式LED静态显示硬件译码接口电路dpgfedcbadpgfedcbadpgfedcbadpgfedcbaPORT0BCAGGGBA1Y0Y1COMCOMCOMCOMLEDLEDLEDLED1243AAAAA46523IOW74LS138+5VD0D4321DDDDDD567PORT1图6-5LED静态显示硬件译码接口电路BACDCD4511BU1abcdefgBACDCD4511BU2abcdefgBACDCD4511BU3abcdefgBACDCD4511BU4abcdefgBLLTLEBLLTLEBLLTLEBLLTLELED动态显示软件译码接口电路图6-6LED动态显示软件译码接口电路dpgfedcbadpgfedcbadpgfedcbadpgfedcbaGNDOC1413COMCLKU2374PORT7Y7BBBBCCCC11223443+5VD1D2D30D1Q2Q3Q0QBCAGGGBA1Y0YYYYYY124365CLKOC1D2D3D4D5D6D7D0DD1D2D3D4D5D6D70D1Q2Q3Q0Q465QQQQ7U1374COMCOMCOMCOMLEDLEDLEDLED1243+5VAAAAA46523IOW138PORT0D1D2D30DLED动态显示软件译码程序流程图指向缓冲区首址取显示位指针取要显示的数将数变为段选码送段选码到段选通道送位选码到位选通道延迟一定时间是最右边位吗?YN退出修改缓冲区指针和位码图6-7LED动态显示软件译码程序流程图3.3液晶显示器LCD接口技术及其显示原理液晶是介于固体和液体之间的中间物质。利用液晶电光效应制作成的显示器就是液晶显示器。1、TN型液晶显示器件的特点常用TN型液晶显示器件具有下列优点:(1)工作电压低(2~6V),微功耗(1μW/cm2以下),能与COMS电路匹配。(2)显示柔和,字迹清晰;不怕强光冲刷,光照越强对比度越大,显示效果越好。(3)体积小,重量轻,平板型。(4)设计、生产工艺简单。(5)高可靠、长寿命、廉价。2、TN型液晶显示器件的基本构造3、点阵式液晶显示器与微处理器的接口(见课本P65~P70)(1)点阵LCD的驱动原理(2)点阵LCD的工作原理液晶模块与单片机并行连接原理图4键盘接口技术4.1按键、键盘种类及接口任务4.2编码键盘的接口键盘处理程序的主要任务键盘可分为非编码键盘和编码键盘两种。前者是用软件来识别和产生代码,后者则用硬件来识别。在单片机组成的控制系统及智能化仪器中,用得最多的是非编码键盘。键盘处理程序的主要任务是:(1)确定是否有键按下。(2)当有键按下时,则对键进行译码,找出按下的是哪一个键;若无键按下,即返回。(3)如按下的是数字键,便送显示缓冲单元;若为功能键,即转到对应的键服务程序。(4)去抖动。按键从开启到闭合稳定,或者从闭合到全部打开,操作手法随人而异,一般要有数毫秒的弹跳时间(即抖动)。弹跳将引起按一次键被输入多次的误操作。所以,在键盘处理程序中,必须设法去掉抖动,可以采用延时的办法,也可以用硬件去抖动电路。(5)对于任何一个键,无论按下的时间长短,均作一次处理。也有些系统为每一次按键设计一定的时限,超过时间者,作两次处理,按下时间更长者,作三次处理。(6)处理同时按键。对于两个或者多个按键同时按下的重键问题,可采用不同的方法来处理。最常用的办法为n键锁定技术,即只处理一个键,任何其他按下又松开的键不产生代码。通常采用“先入有效”或“后留有效”的原则进行处理。“先入有效”的方法是,当两个或两个以上的按键按下时,只有第一个按下的键是有效的,其余均无效;“后留有效”的办法是,当多个键按下时,只有最后松开的键是有效的,其余均无效。编码键盘编码键盘的特点是使用方便,键盘码产生速度快,占用CPU时间少,但对按键的检测与消除抖动干扰是靠硬件电路来完成的,因而硬件电路复杂、成本高。而非编码键盘硬件电路简单,成本低,但占用CPU的时间较长。独立式编码键盘电路结构(中断方式)并行I/O口+5V中断请求图3-15独立式编码键盘电路结构(中断方式)并行I/O口+5V独立式编码键盘电路结构(查询方式)非编码矩阵式键盘矩阵式键盘又叫行列式键盘,是用I/O口线组成的行、列矩阵结构,在每根行线与列线的交叉处,二线不直接相通而是通过一个按键跨接接通。采用这种矩阵结构只需M根行输出线和N根列输入线,就可连接M×N个按键。通过键盘扫描程序的行输出与列输入就可确认按键的状态,再通过键盘处理程序便可识别键值。键盘与CPU的接口可采用并行端口8255A、锁存器或缓冲器一类。图5-6给出了一种8×8非编码矩阵式键盘的接口电路。行输出电路由行扫描锁存器74LS273、反相器与行线X0~X7连接组成,列输入电路由三态缓冲器74LS244与列线Y0~Y7以及上拉电阻组成。X、Y线的每一个交叉处跨接一个键,其键值分别是十进制数的01,02,……,64。该键盘的接口地址为PORT1。矩阵式键盘接口电路V5+4001162432485633091725414957086474LS244D1D2D3D4D5D6D70DD1D2D3D4D5D6D70DCLKPORT174LS13874LS273IOWIOR1G2GY7Y0YYYYYY124365XXXXXXXX12436507图5-7矩阵式键盘接口电路矩阵式键盘扫描及键处理程序流程图矩阵式键盘扫描及键处理程序流程图5-8图有键按下否?NY有键按下吗?YN键值寄存器清0输出所有行为低电平输出所有行为低电平延时100ms输出某行为低电平此行有键按下?行键值加08求出下一行为低电平各行扫描完?返回YN列键值加1列值右移1位进位位为0吗?计算键值Y键值送缓冲单元转功能键入口地址NYN5、报警器接口技术报警技术是计算机控制系统中常用的一项技术措施,也是生产过程必备的安全手段。生产过程中对于一些重要参数或系统部位,都会考虑设置上、下限检查及报警系统,以便提醒运行操作人员注意,或采取紧急措施。报警原理:就是把计算机采集的数据,或经计算机进行数据处理、数字滤波、标度变换之后,与该参数运行中的上、下限给定值进行比较,如果高于(或低于)上限(或下限),则进行报警,否则就作为采样的正常值,以便进行显示和控制。5、报警器接口技术报警系统信号一般设置成延时预告信号、瞬时预告信号两种,实现的方法可以是声光报警信号,有些也采用语音报警的方法。报警接口按其特点可分为两种:一种是纯软件接口,一种是硬件接口。软件报警接口技术简单的软件报警程序设计硬件直接报警接口具有缓冲区域的复杂报警软件接口软件报警接口技术这种的基本作法是把被测参数,经传感器、变送器、A/D、CPU处理后,再与规定的上、下限进行比较,根据比较的结果进行报警或处理,整个过程都由软件实现。软件报警接口,主要由软件实
本文标题:第三章 人机接口技术
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