時間：2022-03-02 02:43:01
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論文摘要：本文論述了激光探測系統信息接口技術；討論了激光探測接口的一般設計思想。
1引言
激光具有波長單一和良好的方向性，所以和傳統的探測方法相比，激光探測具有精度高，抗干擾能力強等特點，在激光測距、激光雷達、激光告警、激光制導、目標識別等軍事領域，都得到了廣泛應用。針對不同武器系統的需求，激光探測系統接口呈現出多樣性。
近年來，隨著應用需求和集成化度的增加，激光探測系內部、激光探測系統和各武器平臺之間集成了不同廠商的硬件設備、數據平臺、網絡協議等，由此帶來的異構性給探測系統的互操作性、兼容性及平滑升級能力帶來了問題。
對激光探測系統而言，接口技術的設計是整個系統集成的關鍵技術。一個激光探測系統的設計、實施，有很大的工作量是在接口的處理上，好的接口設計可以提高系統的穩定性、運行效率、升級能力等，本文以激光探測系統接口技術為研究對象，著重分析其接口技術類型、設計考慮因素和驗證方法。
2激光探測系統幾種主要接口技術
接口是多要素或多系統之間的公共邊界部分，對激光探測系統的接口包括機械接口、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，常用做系統內及系統間接口信號標準。驅動能力一般為幾毫安到幾十毫安，在激光探測系統中主要應用是作為長距離的總線數據和控制信號的傳輸
2CMOS電平接口：速度范圍與TTL相仿，驅動能力要弱一些。
3ECL電平接口：為高速電氣接口，速率可達幾百兆，但相應功耗較大，電磁輻射與干擾與較大。
4LVDS電平接口：在標準中推薦的最大操作速率是655Mbps，電流驅動模式，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，如時鐘信號。
6RS-232電平接口：為低速串行通信接口標準，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、發端的數據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，多用于點對點接口通訊。
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。多用于多點接口通迅。RS485電平接口可驅動32個負載，忍受-7V到12V共模干擾。
9光隔離接口：能實現電氣隔離，更高速率的器件價格較昂貴。
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：經常采用的是10Base-T和100Base-T兩種主流標準，主要應用激光探測系統和分系統之間的接口通訊和數據傳輸。以太網接口具有性價比高、數據傳輸速率高、資源共享能力強和廣泛的技術支持等眾多優點。
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，總線上的設備檢測令牌中的地址是否與自身相符，通過發送和接收數據對主機作出響應，其最大的優點是安裝配置簡單。
3激光探測系統接口方案設計考慮因素
隨著大規模數字處理芯片和高速接口芯片的迅猛發展，激光探測系統也呈現出智能化、小型化、模塊化的趨勢。在激光探測系統中，信息接口的設計逐漸向標準化、網絡化、多節點、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：雜散信號通過感應和輻射的方式進入接口信道的干擾。串模干擾的產生原因主要是傳輸中插件等所產生的接觸電勢、熱電勢等噪聲引起的。
b)共模干擾：干擾同時作用在兩根信號往返線上，而且幅指相同。共模干擾產生的原因，主要是傳輸線路較長，在發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和靜電感應進入信道的干擾，接口傳輸線應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一端浮地的結構形式配合，不要將屏蔽線層當作信號線和公用線。
b)傳輸線的平衡和匹配
采用平衡電路和平衡傳輸結構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標準串口電路。
接口信號傳輸時還要考慮與傳輸線特性阻抗的匹配問題。一般長線傳輸的驅動器接收器都適用于驅動特性阻抗為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，因此要設法將兩者匹配，最好將發送端和接收端匹配。
控制信號線的具體配置：控制信號線要和強電、數據總線、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：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外線路的電氣連接，從而減弱露流、地阻抗耦合等傳導性干擾的影響。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，并設計具體的接口電路。
3.2.3選擇接口芯片時應根據激光探測系統CPU/MPU類型，總線類型／寬度和系統所完成的功能并按照高效、經濟、可靠，方便、簡單的原則來確定。
3.2.4設計具體的接口電路應具體考慮電源問題
3.2.5數據／命令的鎖存和驅動
激光探測系統內部及激光探測系統和其他系統間實施數據／命令傳輸時，一般采用數據鎖存技術來適應雙方讀寫的時間要求。
3.3接口的實時性
由于激光探測系統對數據處理和傳輸的實時性要求很高，設計時要使時鐘抖動、通道間時延、工作周期失真以及系統噪聲最小化，所以設計接口時盡量選用高通訊速率和同步工作方式。
接口軟件的設計原則
同步通訊系統軟件設計要充分考慮數據流量的控制，最好在數據發送方發送數據時每隔一段時間插入一段空閑時間，從而保證數據同步傳輸的可靠性。
異步通訊系統軟件設計要充分考慮合理的數據校驗方式，可以根據系統要求選擇冗余校驗、校驗和、冗余校驗的方法。
4激光探測系統接口方案設計驗證
構建高速有效的激光探測系統接口是非常有挑戰性的，并且設計者需要在設計接口前后就考慮多個因素，詳細的系統級的驗證都是必須的。
4.1設計前的驗證
基于指令集模擬器和硬件模擬器軟硬件模擬技術是一種高效、低代價的系統驗證方法。接口設計軟件采用匯編，C，C++等語言編寫，用戶編寫的接口源程序經過交叉編譯器和連接器編譯，輸入到軟件指令集模擬器進行軟件模擬。而接口硬件驗證則采用硬件描述語言如VHDL設計，經過編譯后由硬件模擬器模擬。但設計前的驗證也有一定的局限性，比如只能驗證數字接口和驗證環境理想化等缺點。這些都需要設計后的驗證
4.2設計后的驗證
最常見的驗證方法是制作模擬激光探測系統內部接口和系統間外部接口的通用信號源，通用信號源可以模擬探測系統內部的如主回波、時統、顯示、鍵盤等信號，也可以模擬輸入外部操控命令，并將激光探測系統狀態、測量數據等信息顯示輸出。
4.3通過驗證，發現問題，修改設計，然后再模擬，最終完成滿足要求的軟硬件接口設計。
1.1 課程設計目的 1
1.2 課程設計的預備知識 1
1.3 課程設計任務 1
1.4 課程設計要求 1
第2章 總體方案設計 1
2.1 數字溫度計設計方案論證 1
2.2 設計方案的總體框圖 2
第3章 各部分電路的實現 2
3.1 傳感器電路 2
3.2 A/D轉換器MAX197 4
3.3 8279驅動顯示器 6
第4章 各個部分流程圖及設計 9
4.1 A/D轉換器MAX197的流程圖 9
4.2 8279 的程序及框圖 11
4.3 數字式溫度計的整體程序 12
第5章 15
關鍵詞：單片機接口電路微機硬件
MSP430超低功耗微處理器是TI公司推出的一種新型單片機。它具有16位精簡指令結構，內含12位快速ADC/SlopeADC,內含60K字節FLASHROM，2K字節RAM，片內資源豐富，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。開發簡單，仿真器價格低廉，不需昂貴的編程器。
MSP430其特點有：1.8V～3.6V低電壓供電；高效16位RISCCPU可以確保任務的快速執行，縮短了工作時間，大多數指令可以在一個時鐘周期里完成；6微秒的快速啟動時間可以延長待機時間并使啟動更加迅速，降低了電池的功耗。MSP430產品系列可以提供多種存儲器選擇，簡化了各類應用中MSP430的設計；ESD保護，抗干擾力特強。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成本。
MSP430具有如此多的優點，可以預測在今后會有廣泛的應用。但是目前仍有許多5V電池的邏輯器件和數字器件在使用，因此在許多設計中3V（含3.3V）邏輯系統和5V邏輯系統共存，而且不同的電源電壓在同一電路板中混用。隨著更低電壓標準的引進，不同電源電壓邏輯器件間的接口問題會在很長一段時間內存在。本文討論MSP430與單片機中最常用的LSTTL電路、CMOS電路及計算機HCMOS電路的3V和5V系統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出現問題，保證所設計的電路數據傳輸的可靠性。
1邏輯電平不同，接口時出現的問題
在混合電壓系統中，不同電源電壓的邏輯器件相互接口時會存在三個主要問題：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；第二是兩個電源間電流的互串問題；第三是必須滿足的輸入轉換門限電平問題。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，持續的電流將會損壞二極管和電路元件。在等待或掉電方式時，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。這些情況將引起數據丟失和元件損壞。必須注意的：不管是在3V的工作狀態或是0V的等狀態都不允許電流直接流向Vcc。另外用5V的器件來驅動3V的器件有很多不同情況，各種電路間的轉換電平也存在不同情況。驅動器必須滿足接收器的輸入轉換電平，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保護電路
3V器件可以有5V的輸入容限。一般數字電路的輸入端都有一個靜電放電（ESD）保護電路。如圖1（a）所示，傳統的CMOS電路通過接地的二極管D1、D2對負向高電壓限幅實現保護，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，當輸入端直接與大多數5V器件輸出端接口時允許的輸入電壓太低大多數3V系統加到輸入端的電壓可達3.6V以上。有些3V系統可以使用兩個MOS場效應管或晶體管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系統的輸入電壓。
由上述分析可知，改進后具有ESD保護電路的3V系統的輸入端可以與5V系統的輸出端接口。
2.2總線保護電路
總線保護電路就是有一個MOS場效應管用作上拉或下拉器件，在輸入端浮空（高阻）的情況下保護輸入端處于最后有效的邏輯電平。圖2（a）中的電路為一LVC器件總線保護電路，采取改進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場效應管具有一個內在的寄生二極管，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。現在的措施是用常閉接點S1將源極與襯底相連，當輸入端電壓比Vcc高0.5V時，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。這種電路用了一個串聯的肖特基二極管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。當輸出端電壓高于Vcc+0.5V（二極管壓降）時，P溝道MOS場效應管的內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器件相接時需要加保護電路。
圖4是一種帶保護電路的CMOS器件輸出電路。當輸出端電壓高于Vcc時，比較器使S1開路，S2閉合，電流通路消失。這樣在三態方式時就能與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場效應管來獲得輸出電壓擺幅達到電源電壓的要求。電流不會通過NPN雙極晶體管回流到Vcc，但在P溝道MOS場效應管中的內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驅動器共用一條總線。在三態方式時，電路可以得到保護。當出現總線爭奪即兩個驅動器都以高電平驅動總線時，比較器將P溝道MOS場效應管斷開。當3V器件處于等待方式而3V電源為0時，比較器和肖特基二極管可以起保護作用。
3接口電路的有關參數
了解了3V器件為什么具有5V容限后，在MSP430與LSTTL、HCMOS、CMOS電路實現相互聯接之間，要先了解各種電路和器件的參數，如表1所示。
表1各種電路和器件參數
參數
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接口實現
不同電源電壓的邏輯器件相互接口時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。此外還有負載電流的配合問題，即前級電路的輸出電流應大于后級電路對輸入電流的要求，同時不應造成器件損壞。還有就是在高速或有嚴重干擾的場合，必須考慮接口對系統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。因為對于負載電流配合問題只是一個帶負載能力。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，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，就出現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
在接口時使CMOS和MSP430使用同一電源，例如3V電源可以直接驅動。如果實際情況不允許，則根據1表，通過ALVT系列的器件就可以實現CMOS驅動MSP430。
4.3HCMOS-MSP430
同上述CMOS分析一樣，同樣選用ALVT來驅動MSP430。
4.4MSP430驅動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。如果輸出電流比規定的要大，就需要輸出驅動器。圖7所示為限制MSP430輸出電流的電阻最小值。設計以Vcc=3V，通過這些器件可以驅動需要大電流的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器74LVC245，所不同的是用兩個電源而不是一個電源。74LVS4245的電平移位在其內部進行。雙電源能保證兩邊端口的輸出擺幅都能達到滿電源幅值，并且有很好的噪聲抑制性能。因此該器件用來驅動5VCMOS器件是很理想的。缺點是增加了功耗。
5.274LVC07
關鍵詞：EPP增強并口uPSD323XPSDsoftEXPRESS
引言
在IBM公司推出PC機時，并行端口已經是PC機的一部分。并口設計之初，是為能代替速度較慢的串行端口驅動當時的高性能點陣式打印機。并口可以同時傳輸8位數據，而串口只能一位一位地傳輸，傳輸速度慢。隨著技術的進步和對傳輸速度要求的提高，最初的標準并行端口即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標準.IEEE1284標準提供的在主機和外設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標準定義了5種數據傳輸模式，分別是兼容模式、半字節模式、字節模式、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，在工業界得到了更多的實際應用。本文介紹的一種基于uPSD323X的EPP增強并口的設計核心是，使用uPSD323X內部的CPLD實現EPP接口。
1EPP接口協議介紹
EPP(EnhancedParallelPort,增強并行端口)協議最初是由Intel、Xirocm、Zenith三家公司聯合提出的，于1994年在IEEE1284標準中。EPP協議有兩個標準：EPP1.7和EPP1.9。EPP接口控制信號由硬件自動產品，整個數據傳輸可以在一個ISAI/O周期完成，通信速率能達到500KB/s～2MB/s。
EPP引腳定義如表1所列。
表1EPP接口引腳定義
對應并口引腳EPP信號方向說明
1nWrit輸出指示主機是向外設寫（低電平）還是從外設讀（高電平）
2～9Data0～7輸入/輸出雙向數據總線
10Interrupt輸入下降沿向主機申請中斷
11nWait輸入低電平表示外設準備好傳輸數據，高電平表示數據傳輸完成
12Spare輸入空余線
13Spare輸入空余線
14nDStrb輸出數據選通信號，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輸出地址數據選通信號，低電平有效
18～25GroundGND地線
1.1EPP接口時序
EPP協議定義了4種并口周期：數據寫周期、數據讀周期、地址寫周期和地址讀周期。數據周期用于計算機與外設間傳送數據；地址周期用于傳送地址、通道、命令、控制和狀態等輔助信息。圖1是EPP數據寫的時序圖。圖1中，nIOW信號實際上在進行EPP數據寫時并不會產生，只不過是表示所有的操作都發生在一個I/O周期內。在t1時刻，計算機檢測nWait信號，如果nWait為低，表明外設已經準備好，可以啟動一個EPP周期了。在t2時刻，計算機把nWrite信號置為低，表明是寫周期，同時驅動數據線。在t3時刻，計算機把nDataStrobe信號置為低電平，表明是數據周期。當外設在檢測到nDataStrobe為低后讀取數據并做相應的數據處理，且在t4時刻把nWait置為高，表明已經讀取數據，計算機可以結束該EPP周期。在t5和t6時刻，計算機把nDataStrobe和nWrite置為高。這樣，一個完整的EPP數據寫周期就完成了。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，并且數據線由外設驅動。
從EPP讀、寫周期可以看出，EPP模式的數據傳輸過程是一個信號互鎖的過程。以EPP寫周期為例子，當檢測到nWait為低后，nDataStrobe控制信號就會變低，nWait狀態信號會由于nDataStrobe控制信號的變低為而高。當計算機檢測到
nWait狀態信號變高后，nDataStrobe控制信號就會變高，一個完整的EPP寫周期結束。因此，EPP數據的傳輸以接口最慢的設備來進行，可以是主機，也可以是外設。
1.2EPP增強并口的定義
EPP增強并口模式使用與標準并口（SPP，StandardParalledPort）模式相同的基地址，定義了8個I/O地址?；刂?0是SPP數據口，基地址+1是SPP狀態口，基地址+2是SPP控制口。這3個口實際上就是SPP模式下的數據、狀態和控制口，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I/O口中寫數據將產生一個連鎖的EPP地址寫周期，從這個I/O口中讀數據將產生一個連鎖的EPP地址讀周期。在不同的EPP應用系統中，EPP地址口可以根據實際需要設計為設備選擇、通道選擇、控制寄存器、狀態信息等。給EPP應用系統提供了極大的靈活性。
基地址+4是EPP數據口。向這個I/O口中寫數據將產生一個連鎖的EPP數據寫周期，從這個I/O口讀數據將產生一個連鎖的EPP數據寫周期?；刂?5～+7與基地址+4一起提供對EPP數據口的雙字操作能力。EPP允許主機在此個時鐘周期內寫1個32位雙字，EPP電路再把32位雙字拆為個字節依次從EPP數據口中送出去。也可以用其所長6位字方式進行數據傳送。
由于EPP通過硬件自動握手，對EPP地址口和EPP數據口的讀寫操作都自動產生控制信號而無需軟件生成。
2uPSD323X及其開發環境PSDsoftEXPRESS
ST公司的uPSD323X是帶8032內核的Flash可編程系統器件，將于8032MCU、地址鎖存器、Flash、SRAM、PLD等集成在一個芯片內。其主要特點如下：具有在線編程能力和超強的保密功能；2片Flash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），可以實現EPP接口等及一些不太復雜的接口和控制功能；2個異步串口、I2C接口、USB接口、5通道脈沖寬度調節器、50個I/O引腳等。由于uPSD323X采用的是8032內核，因此可以完全得到KeilC51編程器的PSDsoftEXPRESS是ST公司針對PSD系列產品（包括uPSD）開發的基于Windows平臺的一套軟件開發環境。經過不斷升級，目前最新版是PSDsoftEXPRESS7.9。它提供非常容易的點擊設計窗口環境用戶不需要自己編程，也不需要了解HDL語言，只有點擊鼠標即可完成對地址鎖存器、Flash、可編程邏輯電路等外設的所有配置和寫入。它支持所有PSD器件的開發，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網站（/psd）免費下載。
3用uPSD323X實現EPP接口設計
3.1硬件接口
EPP增強并口的速度最高可達到500KB/s～2MB/s,這對外設的接口設計提供了一個很高的要求，如果外設響應太慢，系統的整體性能將大大下降。用戶可編程邏輯器件，系統的整體性能將大大降低。用戶可編程邏輯器件，如FPGA（FieldProgrammableGatesArray,現場可編程門陣列）和CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice,復雜可編程邏輯器件），可以實現EPP增強并口的接口設計，這種實現方案可以達到并口中的速度極限，并且保密性好。ST公司的uPSD323X內部集成了可編程邏輯電路（CPLD），因此使用uPSD323X可以很好地實現EPP增強并口的接口設計。
EPP接口（EPP1.7）外設硬件接口原理如圖3所示。在本設計中，uPSD323X通過中斷的方式接收PC機并口的數據，并且當外設準備好數據上傳到PC機時，PC機采用的也是中斷方式接收外設的數據。
在上述硬件電路的基于上實現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的數據的鎖存；另一部分工作是在KEILC51環境下編寫中斷服務程序，實現EPP數據的讀取和發送。
圖3
3．2對CPLD的編程及其實現數據鎖存的過程
在PSDsoftEXPRESS工具中，將PA端口（EPPD0～EPPD7）配置成帶有時鐘上升沿觸發的寄存器類型（PTclockedregister）的輸入宏，PB0（nWait）配置成上升沿觸發的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數據的鎖存過程如下：以計算機向外設傳輸數據（即EPP數據寫周期）為例子，計算機首先檢測nWait信號，如果nWait為低計算機把nWrite信號置為低，表明是寫周期，同時將數據放到數據總線上，然后置低nDstrb信號。此時，nDstrb信號會出現一個上升沿，此上升沿會將PA端口的數據鎖存到輸入宏；同時，此上升沿使nWait信號變高，表示外設正忙阻計算機發數年。當計算機檢測到nWait信號為高后就會將數據握手信號nDstrb變高，EPP數據寫周期結束。上述EPP數據的鎖存和nWait握手信號的產生都由硬件產生，因此數據傳輸速度快。整個數據傳輸過程可以在一個I/O周期內完成，鎖存到輸入宏的數據的讀取和nWait信號的清除則在外部中斷0服務程序軟件完成。
3．3中斷服務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。當發生EPP數據讀寫時，nDstrb信號就會產生一個下降沿，引起外中斷定中斷。當發生EPP地址讀寫時，nAstrb信號就會產生一個下降沿，引起外中斷1中斷。外部中斷0和外部中斷1的中斷服務程序的功能是相同的，只不過前者接收或發送的是數據而后者是地址、命令等。以外部中斷0的中斷服務程序為例，詳細介紹數據正向傳輸（計算機向外設發送數據）和反向傳輸（外設向計算機傳送數據）時中斷服務程序的功能。外部中斷0中斷服務程序流程如圖4所示。
（1）數據正向傳輸
當發生EPP數據寫周期時，即數據正向傳輸時，計算機首先檢測nWait信號。如果nWait為低，表示外設已準備好接收數據。計算機把nWrite信號置為低，表明是寫周期，同時將數據放到數據總線上，然后置低nDstrb。NDstrb信號就會產生一個下降沿，此下降沿一方面將PA端口的數據鎖存到輸入宏并使nWait信號變高，表示外設正忙另一方面引起外部中斷0中斷，在外部中斷0的中斷服務程序中讀取輸入宏鎖存的數據，然后將nWait信號清零通知計算機現在外設已經準備好可以再次接收數據了。
（2）數據反向傳輸
外設準備好數據需要上傳到計算機時，uPSD323X就會將數據放到PA端口，同時置低Intr信號線，向計算機申請一個中斷，計算機中由一個硬件驅動程序來處理并口的硬件中斷。驅動程序在并口中斷服務程序中，通過讀取EPP數據口獲得外設上傳的數據。由于EPP接口的握手信號由硬件產生，當計算機讀取EPP數據口時同樣會檢測nWait信號。如果nWait為低，計算機把nWrite信號置高，表明是讀周期，然后置低nDstrb,nDstrb信號就會產生一個下降沿。此下降沿使nWait信號變高，同時引起uPSD323X外部中斷定中斷。在外部中斷0的中斷服務程序中，為確保計算機將PA端口的數據取走，需不斷檢測nDstrb是否為高。當nDstrb為高時，表示計算機已將PA端口聽數據讀走，然后中斷服務程序將nWait置低，EPP數據讀周期結束。
（一）內涵
機電接口主要就是機電一體化產品中機械裝置與控制微機之間的接口，其是基于機電一體化而產生的。機電接口根據信息傳輸方向的不同，可以分為信息采集接口、輸出接口[1]。在機電一體化產品中，傳感器是一種較為常用的設備，在輸出信號的時候，一般采用模擬量方式進行檢測，時刻掌握發電機轉速，并且檢測差動變壓器位置。然而，在輸出控制量的時候，存在一個比較特殊的形式，就是數字系統。機電接口技術主要就是研究機電系統各項組成技術與子系統連接問題的綜合技術，其主要包括電子技術、信息技術、機械技術等，共同構成了一個綜合系統，在實際應用中，實現了信息的交互與融合，在機電系統設計中發揮了至關重要的作用。機電接口主要是由硬件與軟件共同構成，在機電系統運行中，與環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、轉換及傳輸。在信息轉換的過程中，需要進行有效的交互與調整，實現機電一體化技術的協調與綜合，保證各系統的有效運行，充分發揮系統功能，實現預期的工作目標。
（二）分類
目前，機電接口主要包括以下幾種：智能接口、動力接口、機電接口、人機接口[2]。智能接口應用較為復雜，不同技術形式產生的信息形式也不同，并且在使用過程中，可以根據不同要求展開相應的改變。在各種信息轉換與傳輸的過程中，智能接口可以確保不同技術與子系統的有機結合，構成一個完整系統。動力接口可以有效連接動力源與機電系統，之后給予機電系統相應的驅動動力。在機電系統中，動力類型有很多種，主要包括直流電、交流電、液壓等，在系統中運用不同動力類型的時候，需要選用不同的接口形式，確保系統可以正常運行。機電接口的作用就是實現各種驅動系統的有效連接，并且將驅動信號轉變成執行信號，在轉變的過程中滿足傳感器運行要求。人機接口是機電系統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系統運行狀態，并且有效監控系統運行，實現人性化操作目標。
二、機電一體化發展及其發展趨勢
（一）機電接口技術對機電一體化發展的影響
近些年來，隨著社會經濟的快速發展，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。經濟的快速發展離不開科學技術水平的提高，傳統機械技術已經無法滿足現代人們日益增長的技術需求，需要對其進行改進與完善。從而在此形勢下，機電一體化技術應運而生，其主要包括電子技術、信息技術、機械技術等，充分滿足了現代社會發展的技術要求。在機電一體化技術初始發展中，只是將電子技術與機械技術進行融合，接口十分簡單、便捷[3]。然而，隨著科學技術的不斷發展與進步，機電一體化技術水平也在不斷提升。目前，機電一體化技術不再是簡單的機電一體化產品，逐漸形成了一個復雜的系統，其系統內部接口也日益復雜?，F階段，機電一體化技術研究越來越深入、成熟，然而，簡單的技術研究已經無法滿足系統的運行需求，需要充分重視其復雜性研究。針對機電一體化技術而言，其復雜性較強，如果只是單純研究系統設計及其集成理論，根本無法充分實現系統的作用，為此，需要加深對機電接口技術的研究，在設計方面，加強對有關理論的融合，確保機電一體化系統的全面實施。在機電一體化技術發展過程中，越來越向智能化、系統化、微型化、網絡化方向發展，其系統內部接口要求越來越高，不僅要確保接口技術與系統技術的有效融合，還要確保信息傳輸的順暢。
（二）機電一體化發展歷程及趨勢
機電一體化發展主要經歷3個階段。一是，在20世紀50年代，電子技術發展越來越成熟，人們嘗試在機械工業中應用電子技術，進而刺激了機械產品與電子技術的融合，初步產生機電一體化概念。二是，在20世紀80年代，機電一體化已經發展了30來年，不管是技術還是產品性能都得到了很大的提升，技術更加成熟，產品性能更加健全。三是，在20世紀90年代末，微細加工技術、電子通信技術、光學技術等得到了快速發展，并且逐漸融入發到了機電一體化當中，使得機電一體化技術越來越成熟。我國機電一體化起步比較晚，現今已經取得了一定的成績，在機械工業中得到了廣泛應用。隨著信息技術的快速發展，人工智能機電一體化建設取得了很大的進步，在數控機床和機器人制造中得到了廣泛運用，促進了機械工業的進一步發展。系統化發展使機械系統更加開放，為多子系統的協調發展與綜合管理提供了可靠依據。同時，在綠色生產概念下，機械綠色化也是工業發展的必然趨勢，是人類保護生態環境資源的重要手段[4]。
關鍵詞：計算機接口技術；教學改革；proteus
1引言
《計算機接口技術》課程是計算機科學與技術專業的一門專業主干課程，是大學本科生掌握計算機硬件基礎知識和常用接口技術的入門課程[1]。課程由微型計算機工作原理和微處理器、匯編語言程序設計、常用接口技術三個部分組成。該課程目的使學生通過本門課程的學習，掌握計算機系統的構成，建立起整機概念，并培養學生具有一定的獨立分析和解決問題的能力，為后續課程的學習以及將來的工作奠定堅實的基礎。但由于本門課程是一門實踐性很強的課程，并且具有知識點多、概念抽象、理論性強等特點，學生掌握起來并非易事，就以往學生的反應，此門課程學習難度大，知識不易理解，普遍存在“重軟件、輕硬件”的現象，大大降低了學生的學習熱情，動手實踐能力的培養也受到很大的限制，如何能夠提高學生學習熱情，激發學生的學習欲望，是需要解決的問題，筆者結合多年的教學經驗和教學實踐，在實驗教學過程中進行了一些教學改革的初步探索。
2引用
proteus仿真軟件Proteus嵌入式系統仿真與開發平臺是英國labcenterelec⁃tronics公司開發，是目前世界上最先進、最完整的嵌入式系統設計與仿真平臺。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及其相關接口芯片的仿真。硬件實驗設備由于結構固定、資源有限且成本高、損耗大以及壽命低等缺點，pro⁃teus的引用對于改善教學實驗環境，激發學生學習知識的求知欲，以及學習興趣，提高教學效果，是一個不錯的選擇，此外，學生只要在自己的電腦上安裝proteus軟件后，可以不受時間和空間的限制，進行設計仿真操作，既節約了成本，又能充分發揮學生自己的思維和想象，對實驗教學來說是一個課堂的延伸[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上進行仿真，達到教學目的。Proteus的引用不僅可在實驗教學上使用，也可在理論教學中使用，教師可以在課堂上邊講理論知識，邊進行教學演示，直觀形象，使學生對生澀難懂的知識進行有效的消化、吸收，是教學的有力的輔助工具。實踐證明，引用proteus，達到了提高教學效果的目的，更加利于學生學習興趣的培養。Proteus是教學的一個有利的補充，但它只是一個仿真軟件，不能完全代替實物實踐，仿真實驗和實驗箱上的實驗還是有區別的，由于實際電路運行時表現的各種電氣特性等，使在proteus上調通的，在硬件上不一定能夠成功的實現，基于以上認知，采取proteus仿真實驗和實物實驗相結合的方法進行教學。要求學生先課下通過proteus軟件進行仿真，模擬實驗效果，再到實驗室進行實際硬件電路的操作，查看實驗效果，這種教學搭配，充分利用proteus仿真軟件的形象直觀性，增強學生好奇心，激發學生學習熱情，同時提高學生的學習效率，達到更好的學習效果。
3課時安排
計算機接口技術課程主要分為微機原理、匯編語言程序設計和接口技術三大模塊，共64學時，為兼顧各個模塊之間的承上啟下以及知識的連續性，主要分配學時如下表1：微機原理主要講授微機基本知識，如微處理器、微型計算機、微機系統的概念以及微機的結構和工作原理、時序知識、指令系統等，匯編語言程序設計涉及內容有匯編語言源程序的格式、變量屬性、分支結構、循環結構和子程序設計，接口技術涉及內容有存儲器、輸入輸出接口、常用I/O接口芯片等。實踐教學在整個課程中起著重要作用，通過實踐，對理論知識進行消化和理解，同時學生的動手能力能夠得到很好的鍛煉，培養學生分析解決問題的能力，做到理論與實踐有效的結合，實踐教學總學時16學時，具體分配如下表2，其中匯編語言程序設計部分安排4學時，由于此部分上機實踐只需計算機即可，不需其他硬件，學生在課上學習好程序的設計和調試方法后，可以利用課下時間在圖書館或宿舍完成作業和上機實踐，節約課上學時，為其他內容的講授提供充足的時間。接口技術實驗共分為6次實驗，分別為proteus的使用、8259中斷控制器、8255并行接口芯片、8253定時計數器以及A/D、D/A轉換。每次實驗安排2學時，要求學生課下提前預習，為下次實驗做充分的準備，保證每次實驗順利地進行，完成相應的實驗任務。其中proteus的使用這一實驗安排1次，是因為在本門課程學習之先，學生已學習過《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的實驗主要介紹EMU8086編譯器的使用，學會使用proteus進行8086的仿真。常用接口芯片部分的5次實驗均設置了基本實驗部分和提高部分兩個層次，其中基本部分要求每一個學生必須完成，按照電路原理圖進行連線，編寫實驗程序，完成實驗效果。提高部分要求學生在完成基本部分后，有余力的學生可對電路進行設計并編寫相應的程序改善接口的性能。每一個層次的實驗，要求學生進行現場演示。
4實驗考核
實驗評分標準分為實驗操作部分、現場提問環節以及實驗報告三個部分組成。學生抽簽決定實驗考核內容，并進行現場演示，教師根據學生實驗操作過程、結果以及對現場的提問回答情況等形式進行現場評分，以激勵學生學習主動性，達到教學目的。實驗操作部分占實驗總成績的比例為50%，現場提問環節所占比例為30%，實驗報告占20%，其中實驗報告要求學生重點報告在實驗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驗的心得體會，避免抄襲和實驗報告的形式化。
5充分利用多媒體
在進行實驗教學過程中，充分利用多媒體，提升教學效果。為提高學生學習的熱情，對于在實驗過程中難懂的知識點，可以采用動畫進行直觀形象的演示，使學生更加能夠領會實驗的內容和目的，便于理解和記憶。
6結論
《計算機接口技術》是一門理論性和實踐性都很強的課程，對于此門課程的教學也是一個不斷學習和探索的過程。對于本門課程的改革實踐，實驗教學效果有了很大改善，學生主動性、學習熱情有所提高。此課程是一門公認的教師難教、學生難學的課程[3]。隨著時代的發展，計算機接口技術課程也應與時俱進，需要不斷完善教學體系，更新教學內容，尋求新的教學方法，提高教學效果，充分調動學生的學習積極性和主動性，提高學生的綜合能力、科學素質，為社會培養更多高素質的復合型人才。本課程的改革是一項長期艱巨的任務，需要不斷探索和完善。
作者:鄢艷紅 單位:廣州中醫藥大學醫學信息工程學院
參考文獻：
[1]王志軍,楊延軍,王道憲.微機原理實驗課程內容的層次化設計[J].實驗室研究與探索,2012,31(1):105-106.
由于機械系統與微電子系統在性質上有很大差別，兩者間的聯系須通過機電接口進行調整、匹配、緩沖，因此機電接口起著非常重要的作用：
（1）行電平轉換和功率放大。一般微機的I/O芯片都是TTL電平，而控制設備則不一定，因此必須進行電平轉換；另外，在大負載時還需要進行功率放大；
（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系統和控制設備在電器上加以隔離；
（3）進行A/D或D/A轉換。當被控對象的檢測和控制信號為模擬量時，必須在微機系統和被控對象之間設置A/D和D/A轉換電路，以保證微機所處理的數字量與被控的模擬量之間的匹配。
1、模擬信號輸入接口。在機電一體化系統中，反映被控對象運行狀態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、轉速檢測用的測速發電機等）計算機要對被控對象進行控制，必須獲得反映系統運行的狀態信號，而計算機只能接受數字信號，要達到獲取信息的目的，就應將模擬電信號轉換為數字信號的接口——模擬信號輸入接口。
2、模擬信號輸出接口。在機電一體化系統中，控制生產過程執行器的信號通常是模擬電壓或電流信號，如交流電動機變頻調速、直流電動機調速器、滑差電動機調速器等。而計算機只能輸出數字信號，并通過運算產生控制信號，達到控制生產過程的目的，應有將數字信號轉換成模擬電信號的接口——模擬信號輸出接口。任務是把計算機輸出的數字信號轉換為模擬電壓或電流信號，以便驅動相應的執行器，達到控制對象的目的。模擬信號輸出接口一般由控制接口、數字模擬信號轉換器、多路模擬開關和功率放大器幾部分構成。
3、開關信號通道接口。機電一體化系統的控制系統中，需要經常處理一類最基本的輸入/輸出信號，即數字量（開關量）信號包括：開關的閉合與斷開；指示燈的亮與滅；繼電器或接觸器的吸合與釋放；電動機的啟動與停止；閥門的打開與關閉等。這些信號的共同特征是以二進制的邏輯“1”和“0”出現的。在機電一體化控制系統中，對應二進制數碼的每一位都可以代表生產過程中的一個狀態，此狀態作為控制依據。
（1）輸入通道接口。開關信號輸入通道接口的任務是將來自控制過程的開關信號、邏輯電平信號以及一些系統設置開關信號傳送給計算機。這些信號實質是一種電平各異的數字信號，所以開關信號輸入通道又稱為數字輸入通道（DI）。由于開關信號只有兩種邏輯狀態“ON”和“OFF”或數字信號“1”和“0”，但是其電平一般與計算機的數字電平不相同，與計算機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計問題，它主要由輸入緩沖器、電平隔離與轉換電路和地址譯碼電路等組成。
（2）輸出通道接口。開關信號輸出通道的作用是將計算機通過邏輯運算處理后的開關信號傳遞給開關執行器（如繼電器或報警指示器）。它實質是邏輯數字的輸出通道，又稱為數字輸出通道（DO）。DO通道接口設計主要考慮的是內部與外部公共地隔離和驅動開關執行器的功率。開關量輸出通道接口主要由輸出鎖存器、驅動器和輸出口地址譯碼電路等組成。
二、人機接口
人機接口是操作者與機電系統（主要是控制微機）之間進行信息交換的接口。按照信息的傳遞方向，可以分為輸入與輸出接口兩大類。機電系統通過輸出接口向操作者顯示系統的各種狀態、運行參數及結果等信息；另一方面，操作者通過輸入接口向機電系統輸入各種控制命令，干預系統的運行狀態，以實現所要求的功能。
1、輸入接口。
（1）撥盤輸入接口。撥盤是機電一體化系統中常見的一種輸入設備，若系統需要輸入少量的參數，如修正系數、控制目標等，采用撥盤較為方便，這種方式具有保持性。撥盤的種類很多，作為人機接口使用最方便的是十進制輸入、BCD碼輸出的BCD碼撥盤。BCD碼撥盤可直接與控制微機的并行口或擴展口相連，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，向計算機提供被按鍵的代碼。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，則由設計的鍵盤程序來實現。前者使用方便，但結構復雜，成本高；后者電路簡單，便于設計。
2、輸出接口。在機電一體化系統中，發光二極管顯示器（LED）是典型的輸出設備，由于LED顯示器結構簡單、體積小、可靠性高、壽命長、價格便宜，因此使用廣泛。常用的LED顯示器有7段發光二極管和點陣式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光二極管是否點亮而顯示不同字形的。點陣式LED顯示器一般用來顯示復雜符號、字母及表格等，在大屏幕顯示及智能化儀器中有廣泛應用。
結語：
接口技術是研究機電一體化系統中的接口問題，使系統中信息和能量的傳遞和轉換更加順暢，使系統各部分有機地結合在一起，形成完整的系統。接口技術是在機電一體化技術的基礎上發展起來的，隨著機電一體化技術的發展而變得越來越重要；同時接口技術的研究也必然促進機電一體化的發展。從某種意義上講，機電一體化系統的設計，就是根據功能要求選擇了各部分后所進行的接口設計。接口的好與壞直接影響到機電一體化系統的控制性能，以及系統運行的穩定性和可靠性，因此接口技術是機電一體化系統的關鍵環節。
參考文獻：
[1]費仁元，張慧慧，鄭剛。機電接口技術的內涵和發展。北京工業大學學報。2003.（4）
[2]佘明輝?；跈C電一體化系統接口技術的研究。江西電力職業技術學院學報。2006.（4）
