肖云茂 孫毅 張華興

1 引言
      
步進(jìn)電機(jī)在簡單的開環(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)行時又可輸出很大的轉(zhuǎn)矩,，因此在運(yùn)動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)動控制的所有細(xì)節(jié),，包括脈沖和方向信號的輸出、自動升降速的處理等部分工作,。實(shí)際下位機(jī)開發(fā)過程復(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?？刂瞥绦蛟O(shè)計(jì)過程需要軟件調(diào)試,、硬件調(diào)試、系統(tǒng)調(diào)試3 個過程,。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)過程錯誤引起的程序異?；蛴布?shí)驗(yàn)條件限制影響開發(fā),。
      
Proteus 是英國Labcenter 公司開發(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 動態(tài)仿真,、I2C 調(diào)試器,、SPI 調(diào)試器、鍵盤,、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，同時可以觀察各個變量,、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 中完成仿真過程的同時,，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)對步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制仿真系統(tǒng)為例,，上位機(jī)人機(jī)交互界面由VB 開發(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）對下位機(jī)（Proteus）中步進(jìn)電機(jī)的實(shí)時控制過程,。

2.1 系統(tǒng)總體框圖
      
上位機(jī)通過RS232C 串口通信方式實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)下達(dá)指令，下位機(jī)AT89C51 單片機(jī)根據(jù)接受到的指令,，按一定的時序產(chǎn)生A,、B、C,、D 四相控制信號,，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隔離,、放大集成電路,。下位機(jī)部分增設(shè)顯示功能，由LCD1602 來完成實(shí)時地顯示步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動狀態(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,，所以無需電平轉(zhuǎn)換芯片,，否則會發(fā)生錯誤。實(shí)際仿真時,，串口的2,、3 位直接與AT89C51 的RXD、TXD 直接對接就可以了,。
      
LCD 部分顯示電路,，當(dāng)單片機(jī)驅(qū)動LCD 時，由于信號的傳輸過程會有損耗,，所以在實(shí)際應(yīng)用驅(qū)動LCD 時,，常采用信號增益模塊加以驅(qū)動。仿真過程無信號損耗,，系統(tǒng)外部晶振電路,，復(fù)位電路等在仿真過程可以省略。

綜上所述,，在搭建Proteus 下位機(jī)系統(tǒng)時,，隔離放大模塊、LCD 驅(qū)動模塊,、外部晶振電路和復(fù)位電路可有可無,，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)先級應(yīng)高于T0 中斷,，因?yàn)槟J(rèn)的ET0 中斷優(yōu)先級是高于串行中斷ES 的[6],，使用語句PT0=0；//低優(yōu)先級,，PS=1,；//高優(yōu)先級即可，因?yàn)橹灰?dāng)串行通信優(yōu)先級最高時，才能實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對下位機(jī)的實(shí)時控制,，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,，使用語句if（temp<=57 & temp>=48）temp=temp-0x30；即可實(shí)現(xiàn),。整個串行中斷程序設(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,，中段時間（它由定時計(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)動方式下電機(jī)的運(yùn)動狀態(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)指令顯示對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動狀態(tài)，這樣能節(jié)省MCU的處理時間,，提高仿真系統(tǒng)的實(shí)時控能力,。主程序體中完成最終接受來的上位機(jī)指令的處理，進(jìn)而完成上位機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的整個過程,。
      
其中對應(yīng)控制指令N,，各個器件的狀態(tài)。每一個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]會有對應(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)用程序提供了通過串行口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡便方法,。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、對應(yīng)串口等參數(shù),。然后設(shè)計(jì)對應(yīng)的事件處理,，以達(dá)到目標(biāo)通信控制效果。程序主要開發(fā)對下位機(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)動信號,，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,，與實(shí)際驅(qū)動所需的對應(yīng)脈沖信號是完全吻合的。
      
下位機(jī)在接收到單拍正轉(zhuǎn)對應(yīng)圖3（a）指令后步進(jìn)電機(jī)的相應(yīng)運(yùn)動過程,，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被記錄下來,。步進(jìn)電機(jī)會根據(jù)P1 的脈沖形式做對應(yīng)的運(yùn)動,，Proteus 中LCD、上位機(jī)Text 正確顯示步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動狀態(tài),。


5 結(jié)束語
      
提出了一種基于Proteus 的PC 機(jī)對步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制仿真方法,。所構(gòu)建的仿真系統(tǒng)能很好的實(shí)現(xiàn)PC 機(jī)對步進(jìn)電機(jī)的同步控制與狀態(tài)顯示整體過程，通過程序設(shè)計(jì)開發(fā)與仿真系統(tǒng)無縫連接,，實(shí)現(xiàn)了程序所預(yù)期要求的控制過程,，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)試過程,。

參考文獻(xiàn)
      
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