摘? 要: 介紹了三軸慣性陀螺測試轉臺的工作方式" title="工作方式">工作方式及其控制系統" title="控制系統">控制系統的功能,研究了以8051單片機為系統控制核心的轉臺控制器的硬件及軟件設計問題,提出了采用8051單片機及Intel 8254定時/計數器對步進電機" title="步進電機">步進電機進行開環位置及速度控制的解決方案。
關鍵詞: 陀螺測試轉臺? 單片機? 步進電機? 運動控制
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導航系統是飛行器的重要組成部分。慣性陀螺儀表普遍應用于各種類型的飛行器的導航系統中,它反映了飛行器的飛行姿態以及其它重要導航信息,保證了人為或自動駕駛儀對飛行器進行控制的安全性與準確性。為了確保慣性陀螺儀表工作的可靠性,需要對儀表進行定期的校驗,用測試轉臺測試陀螺儀表是比較常用的方法。某機場所使用的測試轉臺大部分存在老化嚴重以及功能單一的問題,尤其是部分轉臺還是老式的手動轉臺,很難保證校準精度,所以需要研制新型數字化的低成本的高精度陀螺測試轉臺及其控制系統。
1 陀螺測試轉臺及其控制系統介紹
陀螺測試轉臺主要由高精度轉臺及其控制系統組成。三軸轉臺由ψ軸轉臺、θ軸轉臺、φ軸轉臺三個子系統組成,分別實現三個軸的轉動。各子系統由臺體、驅動系統、轉動系統以及執行機構組成。選用步進電機作為各子系統驅動裝置,經蝸輪蝸桿及齒輪減速后輸出旋轉運動。轉臺的三個子系統中,θ軸轉臺固定在ψ軸轉臺的轉盤上,φ軸轉臺固定在θ軸轉臺的轉盤上。將被測試陀螺儀表固定于φ軸轉臺的轉盤上,按測試要求控制轉臺各軸進行旋轉,模擬飛機飛行中的各種姿態,陀螺儀表則輸出相應的姿態信息,比較轉臺的姿態與儀表的輸出即可校對儀表偏差。
各子系統的運轉由其控制器控制。控制器的主要功能是接收操作人員的控制指令,對控制面板輸入的控制參數進行計算或轉換,變為步進電機的運轉控制信號,輸出到測試轉臺;轉臺在控制器的控制下可工作在速度、轉角、自動等模式;轉臺控制器能夠與上位計算機進行串行通訊,并執行上位計算機的控制指令。轉臺與控制器之間通過航空插頭連接起來,其傳輸的信號包括步進電機的驅動信號和慣性陀螺儀的反饋信號。
2 轉臺控制系統的硬件設計
轉臺控制系統主要由面板控制模塊、控制面板及液晶顯示屏、各子系統軸控模塊、步進電機驅動器和機箱、電源等組成,圖1為系統硬件組成示意圖。面板控制模塊和各子系統軸控模塊均采用Atmel AT89C52單片機作為控制核心。液晶屏采用SEIKO EPSON公司生產的SED1335液晶顯示屏及其控制電路,其顯示RAM具有字符和圖形顯示特區,通過字符發生器不僅可以調用固化的160種點陣字符,還可以擴展其它需要的字符。步進電機驅動器采用RORZE公司的RD-023MS兩相步進電機驅動器。
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2.1 控制面板的管理
面板控制模塊選用四片8255通用擴展并口作為單片機與各子系統軸模塊和面板按鍵、指示燈之間的接口。單片機的P0口作為數據傳輸端口,P2口作為各8255的片選及端口選擇地址。與各子系統軸模塊通訊的三片8255的A口和B口分別作為數據的發送口和接收口,C口提供握手信號。AT89C52單片機的串口" title="串口">串口通過1488-1489 RS232電平轉換電路與上位計算機的串口連接。
2.2 面板模塊與軸控模塊的通信
面板模塊與軸控模塊之間通過兩片8255完成運轉參數和狀態信息的傳遞。圖2所示為軸控模塊8255與面板模塊8255的接口電路示意圖。電路中使用了RS觸發器74LS74,通過發送、查詢、接收、置位等方式,控制數據在兩片8255之間傳輸。觸發器1的輸出信號Q1作為面板模塊8255向軸控模塊8255傳送數據的狀態標志位,當Q1為“1”時表示面板模塊所要傳送的數據已經準備好,為“0”時表示數據已被軸控模塊接收或數據未到達狀態。觸發器1由面板模塊8255的C0和軸控模塊8255的C4共同控制,由面板8255的C4和軸控模塊8255的C0查詢Q1的狀態。同理,觸發器2控制由軸控模塊8255發送到面板模塊8255的數據,Q2的輸出值表示數據傳送的狀態。
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2.3 步進電機脈沖產生及控制電路
系統采用8254定時/計數器產生控制步進電機運轉的方波脈沖,并對輸出脈沖進行計數。將8254的計數器0設定在方波發生器工作方式,計數器2設定在計數器方式。圖3為用8254分頻" title="分頻">分頻產生控制脈沖的原理圖。由AT89C52內部定時/計數器2產生的方波脈沖送入8254計數器0進行分頻并輸出控制脈沖。計數器2對輸出的脈沖進行計數。當脈沖數與計數器2的計數值相等時, 計數器2的輸出端產生電平變化,并被AT89C52的P1.1口監測查詢。當AT89C52的晶體振蕩頻率為24MHz時,通過調節其RCAP2H和RCAP2L的值可使其定時/計數器2產生92Hz～6MHz的方波脈沖。通過對8254計數器0的數據寄存器寫入分頻值N,使其輸出相應頻率的方波脈沖, 來控制步進電機的轉速,計數器2通過記錄計數器1輸出的脈沖數量來控制電機的轉角。步進電機的輸出轉速由下式決定:
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式中,步進電機旋轉一周的步數為200;
?????i為轉臺傳動機構減速比;
?????m為步進電機驅動器細分數;
?????f0為輸入8254的脈沖源頻率;
?????N為分頻數,即寫入8254計數器0的值。
各子系統寫入8254計數器0的分頻值如表1所示。由于對8254計數器寫入的分頻值只能為正整數,而通過計算得出的分頻值N不一定為正整數,因此要對輸入8254計數器0的分頻值進行四舍五入。產生的驅動脈沖頻率大小具有舍入誤差,其大小不超過:
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三軸的最小分頻值N=90(θ軸),轉速最大誤差為0.56%。
3 轉臺控制系統的軟件設計
3.1面板模塊軟件的設計
面板模塊程序流程圖如圖4所示。上電開始后,軟件首先對AT89C52的內部寄存器、液晶顯示屏以及8255并口進行初始化。程序用一個字節作為系統工作狀態寄存器,寄存器中各標志位分別記錄串口以及面板的鎖定及解鎖情況以及各運轉軸的當前運轉方向和高低速狀態。液晶顯示初始化設定LCD的顯示邊界及范圍,以及清空液晶顯示模塊顯存。串行通訊的波特率定為9600bit/s。
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面板初始化完成后,軟件將同時檢測面板各按鍵信號并等待串口的中斷信號,當檢測到一種信號后,將另一種信號屏蔽。在“ψ軸(或θ軸、φ軸)”鍵按下后,系統鎖定在面板工作方式,并關閉串口中斷。進入面板工作方式后,軟件按流程執行轉軸選擇、模式設定、參數設定、運轉執行等功能。控制面板按鍵包括ψ、θ、φ軸選擇鍵,運轉模式選擇鍵,數字鍵,確定、停止鍵以及手動控制鍵。讀取控制面板按鍵信號后,將選取的運轉軸、運轉模式以及設定的速度角度等參數記錄于指定的寄存器中。待軟件檢測到“運行”鍵按下后,將數據送入與相應軸通訊的8255寄存器中,并將該8255的C0位置高,通知軸控模塊讀取。
面板控制模塊與上位計算機之間制定了串行通訊協議。串行通訊指令采用ASCII碼的形式,上位計算機指令和控制器返回信息都以“＄”字符開頭。面板模塊檢測到串口接收到字符“＄”時,則認為上位計算機開始發送信息,信息以回車符結束。“＄”后面是轉軸標識符,用“X”或“Y”或“Z”表示,分別對應ψ、θ、φ三個轉軸。轉軸標識符后依次為速度、轉角、時間的ASCII碼表示值。程序將接收到的上位控制指令中的ASCII碼參數值轉換為軸控模塊可識別的十六進制參數值,并發送到相應的軸控模塊。
3.2 軸控模塊軟件的設計
子系統軸控模塊程序流程圖如圖5所示。程序開始后先初始化8255各I/O口和8254各計數器的工作方式。軟件通過查詢8255的C0口,檢測是否得到了由面板模塊發送來的數據。軸控模塊接收到面板模塊發來的指令后,將速度、角度數據經計算轉換成為8254計數器0的分頻值N和計數器2所需要記錄的脈沖數。參數轉換完成后,程序根據設定指令進入相應運轉模式。
當各轉軸轉速達到或超過1°/s時,為了使步進電機在有外加負載及高速運轉下不丟步,確保在高速啟動或停止時保持穩定,程序對步進電機的高速啟動和停止進行了加減速控制。程序采用勻加減速方法。由式(1)可知,分頻值N是角速度ω的反比例函數,設定ω1=1°/s為加速過程的初始速度和減速過程的最終速度,并設定加減速過程中每隔10ms速度差值△ω=1°/s,所以有:
即每經過10ms延時循環送給8254定時器0的分頻值Ni就是將ω=1°/s對應的分頻值N1除以當前的循環次數得到的。程序將每一步加減速送入8254的Ni值保存到起始地址為2000H的內存單元中,制成分頻值Ni的數表。在加速過程中,依次將分頻值Ni送入8254計數器0中,一直到從數表中讀入的分頻數不大于設定速度對應的分頻值Nmax,并將Nmax作為最終分頻值為止。減速過程則與加速過程相反。
4 性能指標及結論
表2列出了控制器控制轉臺運轉的模式及技術指標。經過調試運行,測試轉臺能夠在規定模式下按要求運轉。轉臺控制器交互性良好,每次輸入指令前液晶屏上都有信息提示相應操作。各軸子系統在高速下經加減速后均運轉平穩,無丟步現象。同時,能夠利用上位計算機的圖形界面設定運轉指令參數,并通過串口發送指令給轉臺控制器,控制轉臺運轉。以51單片機為控制核心的三軸慣性陀螺測試轉臺及其控制系統的研制,不僅使測試設備成本降低,而且在測試功能、測試指標及測試精度上均滿足了儀表校驗的要求。
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參考文獻
1 周海濤.三位陀螺測試轉臺控制器研制[學士學位論文]. 北京:清華大學,2002
2 何立民.MCS-51系列單片機應用系統設計.北京:北京航空航天大學出版社,1990
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