摘要：提出了一種新型的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)數(shù)／模轉(zhuǎn)換(D／A)電路。利用可鳊程定時(shí)／計(jì)數(shù)器8254具有可編程單次脈沖、對(duì)主頻進(jìn)行分頻等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種數(shù)／模轉(zhuǎn)換電路。實(shí)際應(yīng)用表明，這種數(shù)／模轉(zhuǎn)換電路簡(jiǎn)單實(shí)用，工作穩(wěn)定，且成本低、抗干擾能力較強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好，已經(jīng)成功地應(yīng)用于某型飛行模擬器三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)中。該電路還可推廣應(yīng)用于飛行模擬器的儀表控制系統(tǒng)、操縱負(fù)荷仿真系統(tǒng)的數(shù)／模轉(zhuǎn)換電路中。
關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)平臺(tái)；可編程定時(shí)／計(jì)數(shù)器8254；數(shù)／模轉(zhuǎn)換電路；可編程單次脈沖
0 引言
飛行模擬器的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)主要是用來向飛行員提供飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)感信息，使飛行人員感覺與在被模擬的真實(shí)運(yùn)動(dòng)飛機(jī)上、在同樣環(huán)境和任務(wù)下的動(dòng)感相一致。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)一般由機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。數(shù)／模轉(zhuǎn)換電路是控制系統(tǒng)的的核心，它要把經(jīng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)算法解算出的各液壓缸伸縮量的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量信號(hào)，然后經(jīng)濾波放大、電液伺服閥后，由電液伺服閥驅(qū)動(dòng)各液壓缸運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)仿真飛機(jī)飛行時(shí)的各種姿態(tài)及地面滑跑、著陸及放起落架時(shí)的振動(dòng)等。
數(shù)／模轉(zhuǎn)換電路一般使用專門的D／A轉(zhuǎn)換器，D／A轉(zhuǎn)換器的種類比較多，如有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)型、權(quán)電流型、開關(guān)數(shù)型、權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)型、串行輸入型等，本文利用Intel 8254設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的數(shù)模轉(zhuǎn)換(D／A)電路，并應(yīng)用于飛行模擬器三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)中。
1 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)組成
三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)硬件由平臺(tái)控制計(jì)算機(jī)、接口系統(tǒng)、濾波功放板、看門狗電路和液壓伺服系統(tǒng)組成，接口系統(tǒng)包括D／A，A／D轉(zhuǎn)換電路(見圖1)。通過主計(jì)算機(jī)接收到飛行方程解算出的與控制平臺(tái)有關(guān)的各種信息，由平臺(tái)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，經(jīng)數(shù)／模轉(zhuǎn)換(D／A)、濾波、功放成為伺服閥控制指令，驅(qū)動(dòng)液壓缸平滑、穩(wěn)定的伸縮，實(shí)時(shí)產(chǎn)生和被模擬的飛機(jī)相似的過載、姿態(tài)、振動(dòng)等運(yùn)動(dòng)信息。液壓缸的伸長(zhǎng)量經(jīng)位移傳感器送給比較放大器，形成硬件閉環(huán)控制，位移信號(hào)經(jīng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換(A／D)，送給平臺(tái)控制計(jì)算機(jī)，用來對(duì)平臺(tái)極限位置的限制。同時(shí)，由看門狗電路實(shí)時(shí)監(jiān)視控制電路的工作情況，確保運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的安全。控制系統(tǒng)硬件電路的核心為自行研制的D／A轉(zhuǎn)換電路及看門狗電路。
2 D/A轉(zhuǎn)換電路
三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)數(shù)／模轉(zhuǎn)換電路主要由74LS138譯碼器、可編程定時(shí)器／計(jì)數(shù)器芯片8254、8位數(shù)據(jù)緩存器74LS245等組成，核心元件是可編程定時(shí)器／計(jì)數(shù)器芯片8254。
2．1 8254簡(jiǎn)介
可編程定時(shí)器／計(jì)數(shù)器是為方便計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用而研制的，定時(shí)值及其范圍可以很容易地由軟件來控制和改變，能夠滿足各種不同的定時(shí)和計(jì)數(shù)要求，因此得到廣泛應(yīng)用。8254是Intel公司生產(chǎn)的通用定時(shí)／計(jì)數(shù)器，是在8253的基礎(chǔ)上稍加改進(jìn)而推出的改進(jìn)型產(chǎn)品，兩者硬件組成和引腳完全相同。
8254是24腳雙列直插式芯片，用+5 V電源供電。芯片內(nèi)有3個(gè)相互獨(dú)立的16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器。主要管腳如圖2所示。
數(shù)據(jù)線D0～D7與CPU的數(shù)據(jù)總線相連接，是雙向三態(tài)的數(shù)據(jù)線，用于與CPU交換信息。讀信號(hào)RD是一個(gè)低電平有效的由CPU發(fā)來的控制信號(hào)，RD信號(hào)通知8254，CPU要讀8254中的某個(gè)通道的計(jì)數(shù)值或狀態(tài)字，也就是說由RD來讀取8254中的某個(gè)計(jì)數(shù)器的相關(guān)內(nèi)容；WR是一個(gè)低電平有效的由CPU發(fā)來的控制信號(hào)，CPU通過此信號(hào)向8254發(fā)送控制字和計(jì)數(shù)值；片選信號(hào)CS是一個(gè)低電平有效的信號(hào)，CPU用此信號(hào)來選擇8254。在芯片不被選中的情況下，讀信號(hào)和寫信號(hào)沒有意義，也不起作用；地址線A1，A0一般接到系統(tǒng)地址總線的A1，A0上，它們的功能是編碼選擇3個(gè)通道和1個(gè)控制寄存器，其端口編碼略，CS，RD，WR，A1和A0組合起來才能對(duì)寄存器進(jìn)行選擇和操作。
CLK0～CLK2是3個(gè)通道的外部時(shí)鐘脈沖收入線，是8254作計(jì)數(shù)器或定時(shí)器的計(jì)數(shù)脈沖；GATE0～GATE2是3個(gè)通道的門控信號(hào)輸入線，高電平有效，用于啟動(dòng)或禁止通道工作的外部信號(hào)；OUT0～OUT2是3個(gè)通道的計(jì)數(shù)為0／定時(shí)時(shí)間到脈沖輸出線，輸出波形取決于8254通道的工作方式。
8254的每一個(gè)計(jì)數(shù)器都有6種工作方式。不同的工作方式下，計(jì)數(shù)過程的啟動(dòng)方式不同，OUT端的輸出波形不同，自動(dòng)重復(fù)功能、GATE的控制作用以及更新計(jì)數(shù)初值對(duì)計(jì)數(shù)過程的影響也不完全相同。同一芯片中的3個(gè)計(jì)數(shù)器，可以分別編程選擇不同的工作方式。三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)數(shù)／模轉(zhuǎn)換電路中的計(jì)數(shù)器使用了方式1和方式2。
2．1．1 工作方式1
8254工作方式1——可編程單次脈沖，是一種硬件啟動(dòng)計(jì)數(shù)工作方式，不能自動(dòng)重復(fù)但通過GATE的正跳變可使計(jì)數(shù)過程重新開始。在寫入方式1的控制字后，OUT成為高電平，在寫入計(jì)數(shù)初值后，要等GATE信號(hào)出現(xiàn)正跳變時(shí)才能開始計(jì)數(shù)。在下一個(gè)CLK脈沖到來后，OUT變低，將計(jì)數(shù)初值送入計(jì)數(shù)器并開始減1計(jì)數(shù)，直到計(jì)數(shù)器減到0后OUT變?yōu)楦唠娖健?br />
計(jì)數(shù)過程一旦啟動(dòng)，GATE即使變成低電平也不會(huì)使計(jì)數(shù)中止。計(jì)數(shù)完成后若GATE再來一個(gè)正跳變，計(jì)數(shù)過程又重復(fù)1次。也就是說對(duì)應(yīng)GATE的每一個(gè)正跳變，計(jì)數(shù)器都輸出1個(gè)寬度為N*TCLK(其中N為計(jì)數(shù)初值，TCLK為CLK信號(hào)的周期)的負(fù)脈沖，因此稱這種方式為可編程單次脈沖方式，計(jì)數(shù)初值N=3的工作波形圖如圖3所示。
在計(jì)數(shù)過程啟動(dòng)之后計(jì)數(shù)完成之前，若GAFE又發(fā)生正跳變，則計(jì)數(shù)器又從初值開始重新計(jì)數(shù)，OUT端仍為低電平，兩次的計(jì)數(shù)過程合在一起使OUT輸出的負(fù)脈沖加寬了。
在方式1計(jì)數(shù)過程中若寫入新的計(jì)數(shù)初值，也只是寫入到計(jì)數(shù)初值寄存器中，并不馬上影響當(dāng)前計(jì)數(shù)過程，同樣要等到下一個(gè)GATE正跳變啟動(dòng)信號(hào)，計(jì)數(shù)器才接收新初值重新計(jì)數(shù)。
2．1．2 工作方式2
8254工作方式2——分頻工作方式，既可以用軟件啟動(dòng)(GATE=1時(shí)寫入計(jì)數(shù)初值后啟動(dòng))，也可以用硬件啟動(dòng)(GATE=0時(shí)寫入計(jì)數(shù)初值后并不立即開始計(jì)數(shù)，等GATE由低變高時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù))。方式2一旦啟動(dòng)，計(jì)數(shù)器就可以自動(dòng)重復(fù)地工作。
方式2工作波形圖如圖4所示，寫入控制字后，OUT信號(hào)變?yōu)楦唠娖剑粲?jì)數(shù)初值N=3，啟動(dòng)計(jì)數(shù)后，以CLK信號(hào)的頻率進(jìn)行減1計(jì)數(shù)。當(dāng)減到1時(shí)，OUT輸出寬度為一個(gè)CLK時(shí)鐘周期的負(fù)脈沖，OUT恢復(fù)成高電平后，計(jì)數(shù)器又重新開始計(jì)數(shù)。可以看出，OUT輸出信號(hào)的頻率為CLK信號(hào)頻率的1／N，即N次分頻，故稱這種工作方式為分頻工作方式。
方式2需要GATE信號(hào)保持高電平。當(dāng)GATE變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，停止計(jì)數(shù)。GATE由低變高后，計(jì)數(shù)初值又重新裝入減1計(jì)數(shù)器中開始計(jì)數(shù)。
方式2在計(jì)數(shù)過程中若寫入新的計(jì)數(shù)初值，并不影響當(dāng)前的計(jì)數(shù)過程。在本次計(jì)數(shù)結(jié)束后，才以新的計(jì)數(shù)初值開始新的分頻工作方式。
2．2 D／A轉(zhuǎn)換原理
采用1片74LS138譯碼器、2片可編程定時(shí)器／計(jì)數(shù)器芯片8254、1片8位數(shù)據(jù)緩存器74LS245組成D／A變換電路，如圖5所示。
74LS138譯碼器略。其中1片8254(U2的計(jì)數(shù)器2)的計(jì)數(shù)器工作在方式2，對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻，輸出信號(hào)OUT為一寬度為一個(gè)時(shí)鐘周期的負(fù)脈沖，作為另外5個(gè)計(jì)數(shù)器的門控啟動(dòng)信號(hào)，啟動(dòng)8254開始進(jìn)行D／A變換。其余5個(gè)計(jì)數(shù)器工作在方式1，在門控信號(hào)GATE上跳后的下一時(shí)鐘的下降沿處開始計(jì)數(shù)，輸出OUT將變低，直到計(jì)數(shù)器的值減少到零時(shí)輸出將變高。給定的計(jì)數(shù)值越小，輸出OUT“高”保持越長(zhǎng)，平均電壓越大；給定的計(jì)數(shù)值越大，輸出OUT“高”保持越短，平均電壓越小，如輸出OUT的“高”和“低”相同，則輸出平均電壓為2．5 V，如輸出OUT全為“高”，則輸出平均電壓為5 V，如輸出OUT全為“低”，則輸出平均電壓為0 V，這樣利用調(diào)制脈寬的方法就實(shí)現(xiàn)了D／A變換。
8254輸出的5路電壓信號(hào)經(jīng)8位數(shù)據(jù)緩存器74LS245輸出。其中OUT0，OUT1，OUT2作為三路控制信號(hào)送給3個(gè)電液伺服閥，由電液伺服閥驅(qū)動(dòng)各液壓缸運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)仿真飛機(jī)飛行時(shí)的升降、傾斜、俯仰等位姿。OUT3和OUT4這2路電壓信號(hào)作為備份，維修時(shí)使用。
3 軟件實(shí)現(xiàn)
8254的內(nèi)部功能通過系統(tǒng)軟件編程來確定，系統(tǒng)通過接口傳送所要求的工作方式和數(shù)值來初始化計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器都是獨(dú)立地通過一個(gè)命令數(shù)據(jù)來編程，D／A轉(zhuǎn)換程序流程圖如圖6所示。
程序的設(shè)計(jì)思想是首先為8254進(jìn)行端口地址分配，以便CPU對(duì)硬件進(jìn)行訪問并對(duì)8254賦初值。開始計(jì)數(shù)時(shí)每隔一段時(shí)間(ms)對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行1次讀數(shù)，并將當(dāng)前所得計(jì)數(shù)值與上一計(jì)數(shù)時(shí)間所得計(jì)數(shù)值相減，將得到的計(jì)數(shù)差值進(jìn)行累加，最終所得值即為8254讀入的脈沖方波個(gè)數(shù)。將此脈沖方波輸出，就實(shí)現(xiàn)了D／A轉(zhuǎn)換，得到系統(tǒng)所需要的模擬電壓值。
8254控制字由D7～D0組成，D7D6選擇計(jì)數(shù)器0，1，2或鎖存計(jì)數(shù)器；D5D4選擇操作類型，如先讀／寫低8位，后讀／寫高8位等；D3D4D1選擇計(jì)數(shù)工作方式，有6種工作方式，如方式1為001、方式2為010等；D0位選擇計(jì)數(shù)器的數(shù)制，該系統(tǒng)采用二進(jìn)制，D0=0，而計(jì)數(shù)初值取256，即十六進(jìn)制的FF。
4 結(jié)語
基于Intel 8254的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)數(shù)／模轉(zhuǎn)換電路簡(jiǎn)單實(shí)用，實(shí)時(shí)性好，已經(jīng)應(yīng)用于我單位研制的某型飛機(jī)飛行模擬器的三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)、儀表控制系統(tǒng)、操縱負(fù)荷仿真系統(tǒng)等的數(shù)／模轉(zhuǎn)換電路中。該電路還可推廣應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路中。