1.模拟输入、输出

由于CPU处理的是数字形式的数据，所以为了与功率系统接口，需要数据转换器。来自微处理器的数字信号由D-A转换器变换为模拟电压信号。将不同传感器（电压、电流、转矩、速度、位置、温度等）所提供的模拟信号转换成数字形式，是由数据转换器如A-D转换器和解算器-数字（R-D）转换器完成的。

（1）D-A转换器 对功率系统来说，需要D-A转换器将来自控制算法的数字输出变为功率系统的模拟控制信号。图2-5为一个描述D-A转换器操作原理的功能图。对于控制系统来说，D-A转换器最重要的特性是分辨率、精度、线性度和建立时间。完整的D-A转换器带数据锁定和控制逻辑，适合作为微处理器接口的单一功能块或混合功能块使用。

图2-5 D-A转换器框图

目前，微处理器芯片中几乎都没有配置D-A转换器，但是许多适用于电机数字控制的微处理器中，均有脉宽调制（PWM）器。在精度和实时性要求不高的控制中，可以利用PWM完成D-A转换。首先在微处理器内部将数字量换算为PWM的脉冲宽度，然后将输出的PWM信号滤波，即可得到相应的电压信号。图2-6为利用PWM进行D-A转换的原理框图。

图2-6 利用PWM进行D-A转换

（2）A-D转换器A-D转换器将不同传感器送来的模拟信号转换成为CPU可读的数字信号。A-D转换器的分辨率和转换速度是应考虑的最重要特性。A-D转换器的分辨率直接影响控制系统的精度，因为它决定着反馈信号的分辨率，特别是在高性能交流电机数字控制系统（如矢量控制）中，A-D转换器的精度直接影响到控制性能的提高。A-D转换速度决定对变化最快的动态变量（通常为电机电流）的容许采样间隔。

A-D转换器有三种主要形式：

1）积分式A-D转换器属相对慢速器件，故不宜用于实时控制系统。

2）逐次逼近式A-D转换器属高速器件，适用于实时控制系统。转换时间取决于分辨率和内部时钟频率，典型转换时间，对于12位转换器为1～10μs，例如AD574、1674等。

3）快速A-D转换器为一种极高速器件，通常用于转换高频信号。其快速转换速度是靠利用大量比较器而达到的。一个典型的8位快速转换器的转换速度可达到250M次采样/s。高分辨率快速转换器利用两级或更多级低分辨率快速转换器来达到。

如果有数个模拟信号必须访问和转换，则可采用一个模拟采集系统，具代表性的结构是包括一个多路转换电子开关、一个采样保持放大器和一个A-D转换器。完整的模拟采集系统可做成单片和厚膜混合器件。在某些微处理器中，整个模拟采集系统被装在一个芯片上，可大大减少器件的数量。图2-7所示为一典型模拟信号数据采集系统框图。在该系统中，模拟通道依次被采样和转换。总转换时间和通道数成正比。在转换时间受限制的系统中，每一通道可单独使用一个A-D转换器，这样模拟信号可并行转换。

图2-7 模拟信号数据采集系统框图

（3）解算器-数字（R-D）转换器 解算器是一种耐振动的位置传感器，用于多种工业机器人系统中。R-D转换器将解算器的输出信号（sinθ，cosθ）转换成微处理器可读的数字式位置信号。大多数R-D转换器工作基于闭环跟踪原理，其功能框图如图2-8所示。R-D转换器的最重要特性是分辨率（用于表示角位置的位数）和最大的跟踪速度（用每秒转数表示）。

图2-8 R-D转换器的功能框图(www.daowen.com)

2.通信接口

在微处理器与其他微处理器或外围设备间传送数据时，可用串行或并行方法实现，一般常用串行传输。串行传输有同步和异步两种，根据所要求的传输速度及数据量确定。

（1）同步串行通信 在同步通信中，时钟脉冲在数据流中出现，以使传输过程同步。时钟可被置于单独运行中，或插入在数据的同一行内。

同步串行外围接口（SPI）为一特殊数据通信单元，是连接微处理器和通信线所必需的，图2-9a所示为数据传输用的典型同步串行通信接口的波形。因其效率高、同步传输，所以适于在微处理器间高速传输大量数据，且可在有干扰或者距离较远的情况下通信。

（2）异步串行通信 异步通信中，在数据流内不含时钟信号，发送器以编程频率将数据发送出去，接收器以同样频率工作。接收器时钟需要与每一个字符再同步。图2-9b所示为一典型异步串行通信接口的波形。

图2-9 串行通信接口的波形

a）同步方式 b）异步方式

异步传输效率比同步传输的低，这是因为每一个数据字符都要占一个控制位。异步通信典型用法是连接微处理器至显示器或连至上位计算机。同时，数个分散的微处理器可以利用它们的UART组成一个串行通信网络。

（3）并行通信 对于同样的时钟速率，并行通信较串行通信快，这是因为位传输同时在数条线上进行的，连接并行通信接口需要多芯电缆和连接器。并行通信的典型用法是在多微处理器结构中连接各个微处理器。

3.键盘与显示

在交流电机数字控制系统中，键盘与显示也是重要的组成部分。利用键盘显示模块不仅可以对变频器进行设定操作，如电机的运行频率、电机的运转方向、V/F控制、加速时间、减速时间、电源电压等，还可以对系统工作状态进行显示和记录，如电机的电流、电压，变频器的输出频率、转速等，在系统发生故障时显示故障的种类、故障时的运行状态等，便于分析故障的原因。

一种方案是由键盘显示模块和控制系统的微处理器通过串行通信接口进行连接，或者设计成为远程操作器。远程操作器是一个独立的操作单元，它的键盘与显示功能较强。利用计算机的串行通信功能可以完成更多操作功能。在进行系统调试时，利用远程操作器可以对各种参数进行调整，如电机的参数、最高运行频率等，这些参数在运行时是无须调整的。这种方案的具体实现参见第3章所述。

另一种方案是采用8279集成控制芯片完成键盘和显示的控制。

8279是一种设计用于Intel微机的通用可编程键盘显示I/O接口器件，能够做到同时执行键盘和显示操作而又不会加重CPU的负担。键盘部分提供了一个能够对64个接触键阵列扫描的接口，也能与一组传感器或者一个被选通的有接口键盘链接。芯片提供了键盘封锁、按键翻转以及按键输入消抖的功能。

键盘输入被选通送入8bit的先进先出（FIFO）队列。芯片和CPU之间设置了按键中断输出线，从而完成CPU对键盘输入的响应。

显示部分能够对LED等各种显示技术提供扫描机制的显示接口，也可以像简单的显示器一样显示数字和字母。8279配有16×8（可以用来构成双16×4）的显示RAM，此RAM可以由CPU载入和查询。