肖云茂 孫毅 張華興
1 引言
步進電機在簡單的開環(huán)工作方式下能夠達到相當高的定位精度，且低速運行時又可輸出很大的轉矩，因此在運動控制中得到了廣泛的應用[1]。PC 機步進電機控制系統(tǒng)，應用于多個領域如數(shù)控機床、機器人、激光加工設備等各種儀器設備。一個完整的PC 機步進電機控制系統(tǒng)，下位機與PC 機構成主從式控制結構：PC 機負責人機交互界面的管理，包括鍵盤和鼠標的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、控制指令的發(fā)送等部分工作；下位機完成運動控制的所有細節(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。實際下位機開發(fā)過程復雜，主體包含硬件電路設計和控制程序設計兩方面。控制程序設計過程需要軟件調(diào)試、硬件調(diào)試、系統(tǒng)調(diào)試3 個過程。軟件調(diào)試一般比較容易進行，但如果要進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 中各虛擬儀器所構建硬件電路，調(diào)試所設計程序的控制效果，達到虛擬硬件調(diào)試、虛擬系統(tǒng)調(diào)試程序的目的，為PC 機步進電機系統(tǒng)開發(fā)提供有效的理論實踐依據(jù)，避免因硬件電路設計過程錯誤引起的程序異常或硬件實驗條件限制影響開發(fā)。
Proteus 是英國Labcenter 公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件實現(xiàn)了單片機仿真和SPICE 電路仿真相結合，具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機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；支持主流單片機系統(tǒng)的仿真功能；在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設置斷點等調(diào)試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態(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，所設計程序能于Proteus 中完成仿真過程的同時，即基本證明了所設計程序的準確性，從而基本完成了系統(tǒng)開發(fā)中的控制程序設計部分，并為系統(tǒng)硬件電路設計提供指導意義。
2 設計要求
以構建基于Proteus 的PC 機對步進電機運動控制仿真系統(tǒng)為例，上位機人機交互界面由VB 開發(fā)完成；下位機硬件電路由Proteus 中各虛擬儀器所構建完成；下位機控制程序由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，實現(xiàn)上位機與下位機的串口通信，最終實現(xiàn)上位機（VB）對下位機（Proteus）中步進電機的實時控制過程。
2.1 系統(tǒng)總體框圖
上位機通過RS232C 串口通信方式實現(xiàn)對下位機下達指令，下位機AT89C51 單片機根據(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，分別實現(xiàn)單拍、雙拍、單雙拍的三種步進電機驅動方式。在實際運用中，單片機與步進電機之間一般還需要信號隔離、放大集成電路。下位機部分增設顯示功能，由LCD1602 來完成實時地顯示步進電機運動狀態(tài)。Proteus 的仿真電路與實際電路可以有一定的區(qū)別，考慮到仿真的實踐性驗證，設計出實際仿真適用的整個控制模塊，如圖1 所示。
2.2 下位機仿真系統(tǒng)結構設計
在實際運用中，單片機控制步進電機需要隔離、放大模塊。在仿真時該控制模塊可省略，直接將步進電機與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，上位機電平是RS232C 電平，而下位機是TTL 電平，不能直接通信的，所以增加一個電平轉換芯片MAX232。在實際仿真中，由于上下位機都是在PC 中進行，所以無需電平轉換芯片，否則會發(fā)生錯誤。實際仿真時，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，當單片機驅動LCD 時，由于信號的傳輸過程會有損耗，所以在實際應用驅動LCD 時，常采用信號增益模塊加以驅動。仿真過程無信號損耗，系統(tǒng)外部晶振電路，復位電路等在仿真過程可以省略。
綜上所述，在搭建Proteus 下位機系統(tǒng)時，隔離放大模塊、LCD 驅動模塊、外部晶振電路和復位電路可有可無，而RS232 電平與TTL 電平轉換模塊必需省去。
3 軟件設計
3.1 下位機軟件設計
下位機軟件由Keil uVision2 開發(fā)完成。程序本身通用于仿真Proteus、實際步進電機控制系統(tǒng)。下位機程序包括：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)體五部分構成。程序設計流程，如圖2 所示。
程序設計中要注意設置串行中斷的優(yōu)先級應高于T0 中斷，因為默認的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，因為只要當串行通信優(yōu)先級最高時，才能實現(xiàn)上位機對下位機的實時控制，十分重要。串行中斷中需應用字符型數(shù)據(jù)與ASCII 碼轉化的算法。因為MSComm1.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)轉化成ASCII 碼，這樣如果上位機發(fā)送一個數(shù)據(jù)“0”，而下位機轉化成ASCII 碼后即變成了“48”，顯然這不是事先跟下位機約定的控制指令，所以需要對接收到的指令數(shù)據(jù)做一定的計算處理，然后再交給CPU 進行判斷。因為上位機的控制指令數(shù)據(jù)只有七個，使用語句if（temp<=57 & temp>=48）temp=temp-0x30；即可實現(xiàn)。整個串行中斷程序設計如下：
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；
//計算指令寄存器數(shù)據(jù)
RI=0；
//RI=0 為下一次串行中斷做準備
k=0；//為顯示函數(shù)執(zhí)行條件
return；
｝
｝
設計T0 中斷程序時，中段時間（它由定時計數(shù)器的初始值、工作方式共同決定）與中斷次數(shù)關鍵內(nèi)容，決定了驅動電機脈沖頻率的變化，即決定了步進電機轉速，需要設計一個合理的轉速方便記錄采集步進電機數(shù)據(jù)，觀察單拍、雙拍、單雙拍驅動方式下電機的運動狀態(tài)。
LCD 顯示程序設計中因為“MODE：”是始終顯示的，所以可以在程序初始化的時候就設計好LCD 的“MODE：”顯示，然后再根據(jù)數(shù)據(jù)指令顯示對應的步進電機運動狀態(tài)，這樣能節(jié)省MCU的處理時間，提高仿真系統(tǒng)的實時控能力。主程序體中完成最終接受來的上位機指令的處理，進而完成上位機控制步進電機的整個過程。
其中對應控制指令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，步進電機、LCD、上位機Text、P1 口脈沖[5]會有對應的狀態(tài)內(nèi)容。具體如表1 所示。
3.2 上位機軟件設計
上位機軟件用VB 進行開發(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。只要設置Settings 屬性包括返回波特率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位、停止位、對應串口等參數(shù)。然后設計對應的事件處理，以達到目標通信控制效果。程序主要開發(fā)對下位機發(fā)送的七條指令及Text 電機狀態(tài)顯示，實現(xiàn)上位機控制。
4 系統(tǒng)仿真運行效果及仿真分析
對應的單拍正轉、雙拍正轉、單雙拍正轉種情況下由虛擬示波器（OSCILLOSCOPE）采集的脈沖驅動信號，如圖3 所示。結合表1 的P1 口脈沖，剔除正常存在的毛刺與抖動，與實際驅動所需的對應脈沖信號是完全吻合的。
下位機在接收到單拍正轉對應圖3（a）指令后步進電機的相應運動過程，如圖4 所示。此處，虛擬步進電機的虛擬步距角為90 度，圖中A、B、C、D 四相紅代表高電平，藍代表低電平。圖3 與圖4 仿真過程記錄的信息，與實際設計程序控制預期運行結果完全吻合，仿真效果明顯可信。
如圖5 所示，下位機在運行的條件下，上位機Option 單拍，單擊正轉按鈕，即上位機向下位機發(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。步進電機會根據(jù)P1 的脈沖形式做對應的運動，Proteus 中LCD、上位機Text 正確顯示步進電機運動狀態(tài)。
5 結束語
提出了一種基于Proteus 的PC 機對步進電機運動控制仿真方法。所構建的仿真系統(tǒng)能很好的實現(xiàn)PC 機對步進電機的同步控制與狀態(tài)顯示整體過程，通過程序設計開發(fā)與仿真系統(tǒng)無縫連接，實現(xiàn)了程序所預期要求的控制過程，并給出了豐富的實驗觀察接口，仿真實現(xiàn)了程序硬件調(diào)試、系統(tǒng)調(diào)試過程。
參考文獻
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http://www.chuandong.com/publish/tech/thesis/2009/5/thesis_0_8_7298.html
