肖云茂 孫毅 張華興

1 引言
      
步進(jìn)電機(jī)在簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)工作方式下能夠達(dá)到相當(dāng)高的定位精度，且低速運(yùn)行時(shí)又可輸出很大的轉(zhuǎn)矩，因此在運(yùn)動(dòng)控制中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。PC 機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、激光加工設(shè)備等各種儀器設(shè)備。一個(gè)完整的PC 機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，下位機(jī)與PC 機(jī)構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)：PC 機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面的管理，包括鍵盤(pán)和鼠標(biāo)的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、控制指令的發(fā)送等部分工作；下位機(jī)完成運(yùn)動(dòng)控制的所有細(xì)節(jié)，包括脈沖和方向信號(hào)的輸出、自動(dòng)升降速的處理等部分工作。實(shí)際下位機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程復(fù)雜，主體包含硬件電路設(shè)計(jì)和控制程序設(shè)計(jì)兩方面。控制程序設(shè)計(jì)過(guò)程需要軟件調(diào)試、硬件調(diào)試、系統(tǒng)調(diào)試3 個(gè)過(guò)程。軟件調(diào)試一般比較容易進(jìn)行，但如果要進(jìn)行牽涉硬件的硬件調(diào)試或系統(tǒng)調(diào)試，包括元器件選用、PCB 板制作、元器件焊接、程序燒錄環(huán)節(jié)，其中任一環(huán)節(jié)的疏漏都可能造成程序調(diào)試失真。通過(guò)Proteus 中各虛擬儀器所構(gòu)建硬件電路，調(diào)試所設(shè)計(jì)程序的控制效果，達(dá)到虛擬硬件調(diào)試、虛擬系統(tǒng)調(diào)試程序的目的，為PC 機(jī)步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供有效的理論實(shí)踐依據(jù)，避免因硬件電路設(shè)計(jì)過(guò)程錯(cuò)誤引起的程序異常或硬件實(shí)驗(yàn)條件限制影響開(kāi)發(fā)。
      
Proteus 是英國(guó)Labcenter 公司開(kāi)發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和SPICE 電路仿真相結(jié)合，具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232 動(dòng)態(tài)仿真、I2C 調(diào)試器、SPI 調(diào)試器、鍵盤(pán)、LCD、虛擬儀器、示波器、邏輯分析儀系統(tǒng)仿真的功能；支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真功能；在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時(shí)可以觀察各個(gè)變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)；支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如Keil uVision2、MTLAB 等軟件。由于Proteus 軟件本身的優(yōu)良仿真特性，所設(shè)計(jì)程序能于Proteus 中完成仿真過(guò)程的同時(shí)，即基本證明了所設(shè)計(jì)程序的準(zhǔn)確性，從而基本完成了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的控制程序設(shè)計(jì)部分，并為系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)意義。

2 設(shè)計(jì)要求
      
以構(gòu)建基于Proteus 的PC 機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制仿真系統(tǒng)為例，上位機(jī)人機(jī)交互界面由VB 開(kāi)發(fā)完成；下位機(jī)硬件電路由Proteus 中各虛擬儀器所構(gòu)建完成；下位機(jī)控制程序由Keil uVision2開(kāi)發(fā)完成；期間還要采用虛擬串口（VSPD），用于模擬一根串口通信線，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的串口通信，最終實(shí)現(xiàn)上位機(jī)（VB）對(duì)下位機(jī)（Proteus）中步進(jìn)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制過(guò)程。

2.1 系統(tǒng)總體框圖
      
上位機(jī)通過(guò)RS232C 串口通信方式實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)下達(dá)指令，下位機(jī)AT89C51 單片機(jī)根據(jù)接受到的指令，按一定的時(shí)序產(chǎn)生A、B、C、D 四相控制信號(hào)，分別實(shí)現(xiàn)單拍、雙拍、單雙拍的三種步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。在實(shí)際運(yùn)用中，單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)之間一般還需要信號(hào)隔離、放大集成電路。下位機(jī)部分增設(shè)顯示功能，由LCD1602 來(lái)完成實(shí)時(shí)地顯示步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。Proteus 的仿真電路與實(shí)際電路可以有一定的區(qū)別，考慮到仿真的實(shí)踐性驗(yàn)證，設(shè)計(jì)出實(shí)際仿真適用的整個(gè)控制模塊，如圖1 所示。



2.2 下位機(jī)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
      
在實(shí)際運(yùn)用中，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)需要隔離、放大模塊。在仿真時(shí)該控制模塊可省略，直接將步進(jìn)電機(jī)與AT89C51 相連接，也可在仿真電路中使用，因這里主要是為了檢測(cè)脈沖的控制效果，所以省去隔離、放大電路。
      
串口通信部分[3]，非仿真控制中，上位機(jī)電平是RS232C 電平，而下位機(jī)是TTL 電平，不能直接通信的，所以增加一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232。在實(shí)際仿真中，由于上下位機(jī)都是在PC 中進(jìn)行，所以無(wú)需電平轉(zhuǎn)換芯片，否則會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。實(shí)際仿真時(shí)，串口的2、3 位直接與AT89C51 的RXD、TXD 直接對(duì)接就可以了。
      
LCD 部分顯示電路，當(dāng)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)LCD 時(shí)，由于信號(hào)的傳輸過(guò)程會(huì)有損耗，所以在實(shí)際應(yīng)用驅(qū)動(dòng)LCD 時(shí)，常采用信號(hào)增益模塊加以驅(qū)動(dòng)。仿真過(guò)程無(wú)信號(hào)損耗，系統(tǒng)外部晶振電路，復(fù)位電路等在仿真過(guò)程可以省略。

綜上所述，在搭建Proteus 下位機(jī)系統(tǒng)時(shí)，隔離放大模塊、LCD 驅(qū)動(dòng)模塊、外部晶振電路和復(fù)位電路可有可無(wú)，而RS232 電平與TTL 電平轉(zhuǎn)換模塊必需省去。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
      
下位機(jī)軟件由Keil uVision2 開(kāi)發(fā)完成。程序本身通用于仿真Proteus、實(shí)際步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。下位機(jī)程序包括：初始化程序，串行中斷程序，定時(shí)器T0 中斷程序，LCD 顯示函數(shù)（含幾條控制命令子函數(shù)）及程序主函數(shù)體五部分構(gòu)成。程序設(shè)計(jì)流程，如圖2 所示。


      
程序設(shè)計(jì)中要注意設(shè)置串行中斷的優(yōu)先級(jí)應(yīng)高于T0 中斷，因?yàn)槟J(rèn)的ET0 中斷優(yōu)先級(jí)是高于串行中斷ES 的[6]，使用語(yǔ)句PT0=0；//低優(yōu)先級(jí)，PS=1；//高優(yōu)先級(jí)即可，因?yàn)橹灰?dāng)串行通信優(yōu)先級(jí)最高時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的實(shí)時(shí)控制，十分重要。串行中斷中需應(yīng)用字符型數(shù)據(jù)與ASCII 碼轉(zhuǎn)化的算法。因?yàn)镸SComm1.Output 中送出去的是字符型數(shù)據(jù)，而AT89C51 會(huì)把接收到的字符數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成ASCII 碼，這樣如果上位機(jī)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)“0”，而下位機(jī)轉(zhuǎn)化成ASCII 碼后即變成了“48”，顯然這不是事先跟下位機(jī)約定的控制指令，所以需要對(duì)接收到的指令數(shù)據(jù)做一定的計(jì)算處理，然后再交給CPU 進(jìn)行判斷。因?yàn)樯衔粰C(jī)的控制指令數(shù)據(jù)只有七個(gè)，使用語(yǔ)句if（temp<=57 & temp>=48）temp=temp-0x30；即可實(shí)現(xiàn)。整個(gè)串行中斷程序設(shè)計(jì)如下：

      static void com_isr（void）interrupt SIO_VECTOR using 1
      ｛
      if（RI）//RI=0 申請(qǐng)串行中斷
      ｛
      temp=SBUF；
      //從接收寄存器中讀取指令數(shù)據(jù)
      if（temp<=57 & temp>=48）
      //判斷指令寄存器數(shù)據(jù)
      temp=temp-0x30；
      //計(jì)算指令寄存器數(shù)據(jù)
      RI=0；
      //RI=0 為下一次串行中斷做準(zhǔn)備
      k=0；//為顯示函數(shù)執(zhí)行條件
      return；
      ｝
      ｝
      
設(shè)計(jì)T0 中斷程序時(shí)，中段時(shí)間（它由定時(shí)計(jì)數(shù)器的初始值、工作方式共同決定）與中斷次數(shù)關(guān)鍵內(nèi)容，決定了驅(qū)動(dòng)電機(jī)脈沖頻率的變化，即決定了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，需要設(shè)計(jì)一個(gè)合理的轉(zhuǎn)速方便記錄采集步進(jìn)電機(jī)數(shù)據(jù)，觀察單拍、雙拍、單雙拍驅(qū)動(dòng)方式下電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
      
LCD 顯示程序設(shè)計(jì)中因?yàn)?ldquo;MODE：”是始終顯示的，所以可以在程序初始化的時(shí)候就設(shè)計(jì)好LCD 的“MODE：”顯示，然后再根據(jù)數(shù)據(jù)指令顯示對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這樣能節(jié)省MCU的處理時(shí)間，提高仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控能力。主程序體中完成最終接受來(lái)的上位機(jī)指令的處理，進(jìn)而完成上位機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的整個(gè)過(guò)程。
      
其中對(duì)應(yīng)控制指令N，各個(gè)器件的狀態(tài)。每一個(gè)N 值都意味著一條控制指令，不同N 值，步進(jìn)電機(jī)、LCD、上位機(jī)Text、P1 口脈沖[5]會(huì)有對(duì)應(yīng)的狀態(tài)內(nèi)容。具體如表1 所示。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
      
上位機(jī)軟件用VB 進(jìn)行開(kāi)發(fā)。采用Microsoft 公司提供的MicrosoftCommunications Control 串行通信編程的ActiveX 控件，封裝了完整的所需的API 函數(shù)，為應(yīng)用程序提供了通過(guò)串行口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)便方法。只要設(shè)置Settings 屬性包括返回波特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位、停止位、對(duì)應(yīng)串口等參數(shù)。然后設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的事件處理，以達(dá)到目標(biāo)通信控制效果。程序主要開(kāi)發(fā)對(duì)下位機(jī)發(fā)送的七條指令及Text 電機(jī)狀態(tài)顯示，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制。

4 系統(tǒng)仿真運(yùn)行效果及仿真分析
      
對(duì)應(yīng)的單拍正轉(zhuǎn)、雙拍正轉(zhuǎn)、單雙拍正轉(zhuǎn)種情況下由虛擬示波器（OSCILLOSCOPE）采集的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，如圖3 所示。結(jié)合表1 的P1 口脈沖，剔除正常存在的毛刺與抖動(dòng)，與實(shí)際驅(qū)動(dòng)所需的對(duì)應(yīng)脈沖信號(hào)是完全吻合的。
      
下位機(jī)在接收到單拍正轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)圖3（a）指令后步進(jìn)電機(jī)的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，如圖4 所示。此處，虛擬步進(jìn)電機(jī)的虛擬步距角為90 度，圖中A、B、C、D 四相紅代表高電平，藍(lán)代表低電平。圖3 與圖4 仿真過(guò)程記錄的信息，與實(shí)際設(shè)計(jì)程序控制預(yù)期運(yùn)行結(jié)果完全吻合，仿真效果明顯可信。




如圖5 所示，下位機(jī)在運(yùn)行的條件下，上位機(jī)Option 單拍，單擊正轉(zhuǎn)按鈕，即上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送指令“1”。其中的virtualTerminal（虛擬終端），是Proteus 軟件的輔助分析工具，每次串口通信的指令將會(huì)被記錄下來(lái)。步進(jìn)電機(jī)會(huì)根據(jù)P1 的脈沖形式做對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，Proteus 中LCD、上位機(jī)Text 正確顯示步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。


5 結(jié)束語(yǔ)
      
提出了一種基于Proteus 的PC 機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制仿真方法。所構(gòu)建的仿真系統(tǒng)能很好的實(shí)現(xiàn)PC 機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的同步控制與狀態(tài)顯示整體過(guò)程，通過(guò)程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與仿真系統(tǒng)無(wú)縫連接，實(shí)現(xiàn)了程序所預(yù)期要求的控制過(guò)程，并給出了豐富的實(shí)驗(yàn)觀察接口，仿真實(shí)現(xiàn)了程序硬件調(diào)試、系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程。

參考文獻(xiàn)
      
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