機械專業微機原理與接口技術課程綜合實驗

張艷榮，曹偉青

(西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031)

對于機械專業的學生來說，學習微機原理與接口技術課程的目標是將計算機技術與本專業知識相結合，應用計算機技術解決本專業領域中出現的實際問題，比如可以將計算機應用于機械制造過程的自動化、機械設備的故障診斷、機器人控制等領域。為了讓學生能夠深入地理解微機在機械領域的應用，本實驗對實驗室已有的硬件系統進行了二次開發：使用HK8688TE微機接口實驗儀[1]，通過添加較少的外圍芯片，實現了對德普施工件傳輸實驗臺[2]的傳輸線速度的測量。它將傳感器技術、基礎電子電路、計算機技術[3-5]和數據處理技巧[6]綜合在一起，能夠提高學生工程實踐能力、綜合應用能力、創新精神和創新能力[7-11]。

1 實驗內容及方案設計

1.1 測速原理

本實驗利用安裝在傳輸線下面的紅外對射式傳感器測量傳輸線的運行速度。測量原理如下：傳輸線由安裝在它下面的鏈條帶動而運動，如圖1所示。

圖1 紅外對射傳感器運動速度測量示意圖

紅外對射式傳感器的發射和接收窗口被固定在傳動鏈條的兩側，當鏈條在電動機的拖動下運動時，鏈條的滾子會有規律地遮擋傳感器發出的紅外線，在傳感器的輸出端上就會得到連續的脈沖。

由于鏈條的滾子之間的距離(即節距d)相等，所以測得傳感器輸出的脈沖頻率(F)，就可以推算出鏈條的運動速度V為

V=d·F

(1)

測量傳感器輸出脈沖頻率F的方法如下：在時間間隔T內對傳感器輸出的脈沖信號進行計數，假設計數值為N，則F為

F=N/T

(2)

把(2)代入式(1)，有：

V=d·N/T

(3)

式(3)中的鏈條節距d不是整數(d=12.7 mm)，為了提高測量精度，計算鏈條速度需要采用浮點數運算，這將大大增加程序的復雜度。為了降低計算復雜度，如果取時間間隔T=d=12.7 s，則鏈條速度為

V=N

(4)

根據式(4)，只需要在12.7 s的開門時間內對傳感器輸出的脈沖信號進行計數，并在計數結束后顯示該計數值，如此往復不斷，即可實時測量傳輸線的速度。

1.2 硬件設計

1.2.1 門控信號的產生

使用8253的計數通道2對傳感器輸出的脈沖進行計數。根據式(4)，計數通道2的門控信號需要提供12.7 s的開門時間，它由微機接口實驗儀HK8688TE提供的標準脈沖(19.19 kHz)經過分頻實現。為了提供12.7 s的開門時間，計數通道的分頻系數為

19.19 kHz(12.7 s2) = 487 426

該數值超過了8 253一個計數通道的最高計數值(65 536)，因此需要進行2次分頻：首先把19.19 kHz的標準脈沖送入8253的計數通道0進行第1次分頻(工作在方式3)，然后把計數通道0的輸出送入計數通道1進行第2次分頻(工作在方式3)，即可得到預計的開門信號。

兩次分頻的分頻系數可以是總分頻系數487 426的任意2個因子，只要每個因子不超過65 536即可。例如，如果取第1次分頻系數為2 000，則第2次分頻系數則為244。

1.2.2 計數顯示方案

每次計數完成，需要把計數值(也就是鏈條速度)顯示到8段碼數碼顯示器上。本實驗采用中斷方式實現該功能。具體方法如下：計數通道2門控信號的下降沿作為8259的中斷申請的觸發沿，這樣每次計數結束，CPU就立刻接到來自8259的“計數結束”中斷請求信號，從而及時地從8253中讀出計數值并顯示出來。

1.2.3 硬件設計

實驗原理框圖如圖2所示。

圖2 傳輸線測量實驗原理圖

實驗臺上紅外對射式傳感器的輸出信號為0～5 V的數字信號，但信號毛刺太多，如果直接送入8253進行計數，則測量結果很不準確，所以，該信號先送入施密特觸發器74LS14進行整形，然后才送到8253計數通道2的時鐘輸入端。

19.19 kHz的標準脈沖通過8253的計數通道0和1兩次分頻后產生12.7 s的門控信號，它一方面送入計數通道2的門控信號輸入端，另一方面取非后送入中斷控制器8259A的0號中斷請求輸入端，取非的原因是8259需要上升沿觸發。

8279接收來自CPU的顯示數據，然后通過驅動電路將數據顯示在8段碼顯示器上。

1.3 軟件設計

本實驗需要設計2個主要程序，主程序和中斷服務程序。主程序和中斷服務程序的流程圖分別如圖3(a)和圖3(b)所示。

圖3 傳輸線測速實驗主程序和中斷服務程序流程圖

主程序運行過程如下：主程序負責所有接口芯片的初始化工作，然后顯示實驗名稱“speed”，并進入暫停狀態，等待來自8259的中斷請求；當有中斷請求時，系統退出暫停狀態，轉去執行中斷服務程序；在中斷服務程序中，系統讀出8253通道2的當前計數值并返回主程序；接下來，主程序負責顯示當前計數值，也就是傳輸線的速度，之后仍回到暫停狀態等待下一個中斷請求的到來。程序這樣一直執行下去，實時顯示傳輸線的當前速度，直到關機。

中斷服務程序的任務如下：先保護現場，接著命令8253鎖存計數通道2的當前計數值，然后讀出該計數值，最后恢復現場，打開中斷，從中斷服務程序返回。

2 實驗結果和系統擴展

圖4為系統初始化后未開始測速的顯示：8段碼顯示器顯示speed，表示該實驗為傳輸線速度實驗。圖5為測速開始后的測速結果：傳輸線當前速度為81 mm/s。

圖4 系統初始化顯示

圖5 傳輸線速度顯示

本實驗是一個基本綜合實驗，在程序加載后自動不停歇地運行，直至關機。對于學有余力的學生，可以在本實驗基礎上進行擴展，比如加入“啟動”和“停止”按鍵，通過按鍵隨時控制系統的啟動和停止。如果給系統配備了機械手，可以在本實驗基礎上根據傳輸線速度和其他的傳感器控制機械手抓取傳輸線上正在傳輸的工件。

3 結束語

針對機械專業學生的特點，依托實驗室現有硬件系統，實現了對德普施工件傳輸實驗臺的傳輸線速度的測量。本實驗系統將傳感器技術，基礎電子電路和計算機技術綜合在一起，使機械專業學生對微機接口技術在機械方向上的應用有清晰和較完整的認識。本實驗系統有助于激發學生的潛能及學習興趣，使學生的實踐能力得到提高，學生的綜合能力在實驗完成的過程中能夠得到很好的鍛煉。

在推導速度測量公式時，本實驗對開門時間進行了巧妙選擇，從而大大減輕了軟件設計的復雜度，使學生對軟硬件結合處理數據的技巧有了初步的認識。另外，本實驗系統整合了實驗室的現有資源，大大提高了現有硬件資源的共享和利用率。

[1] 武漢恒科電子教學儀器有限公司.HK8688TE使用手冊[Z].武漢恒科電子教學儀器有限公司,2005.

[2] 圳市藍津信息技術有限公司.藍津信息傳感器使用說明書[Z].圳市藍津信息技術有限公司,2005.

[3] Brey B B.Intel 微處理器[M].金惠華,艾明晶，尚利宏，譯.北京：機械工業出版社,2010.

[4] 馮博琴,吳寧.微型計算機原理與接口技術[M].3版.北京: 清華大學出版社,2011.

[5] 楊青麗.《微機原理與接口技術》課程教學探討[J].實驗科學與技術,2013,11(1): 92-94.

[6] 徐愛鈞.智能化測量控制儀表原理與設計[M].北京: 北京航空航天大學出版社,1995.

[7] 張仁杰,李建華,金明錄,等.“微機原理”實驗課程中計算機應用能力的培養[J].實驗技術與管理,2011,28(11):153-155.

[8] 邵溫,韓德強,張麗艷.微機接口實驗的教學改革探索[J].實驗技術與管理,2012,29(3):276-278.

[9] 崔文華,王寧,王宇,等.微機原理與接口技術實驗教學規劃與實踐[J].實驗室研究與探索,2011,30(9):161-164.

[10] 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):105-107.

[11] 王克義.非計算機專業“微機原理”課程的改革實踐與研究[J].計算機教育,2005(11):37-39.