多數(shù)據(jù)來源的機(jī)載時(shí)鐘設(shè)備仿真

邱石 錢文高 王程 郭贏

【摘要】本文研究A320飛機(jī)時(shí)鐘仿真設(shè)計(jì)，作為機(jī)務(wù)模擬機(jī)的時(shí)鐘部分，滿足航空維修人員的需求及教學(xué)使用，提升相關(guān)人員的能力，促進(jìn)航空業(yè)的發(fā)展。采用AT89S52單片機(jī)作為接收GPS、DS1302的數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)的CPU處理器，計(jì)時(shí)的功能由DS1302芯片來完成，最終利用MAX7219芯片驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管準(zhǔn)確的顯示當(dāng)?shù)氐臅r(shí)間和計(jì)時(shí)的時(shí)間。通過切換旋鈕，顯示GPS時(shí)間或時(shí)鐘芯片DS1302的時(shí)間。

【關(guān)鍵詞】AT89C52;DS1302;GPS;旋轉(zhuǎn)編碼器EC11

1.引言

航空業(yè)的蓬勃發(fā)展使得維修人員不斷增加，在對(duì)于學(xué)員、維修人員的授學(xué)培訓(xùn)過程需要大量的器材。因此實(shí)現(xiàn)A320的飛機(jī)時(shí)鐘的仿真設(shè)計(jì)對(duì)于相關(guān)人員的學(xué)習(xí)、培訓(xùn)、維修操作有很大的幫助。組件仿真的實(shí)現(xiàn)提供了模型基礎(chǔ)，同時(shí)減少了成本。由于功能與飛機(jī)真實(shí)時(shí)鐘相同，能夠達(dá)到同樣的教學(xué)培訓(xùn)目的。

圖1-1 A320飛機(jī)時(shí)鐘面板

飛機(jī)時(shí)鐘按功能塊主要分為三部分：計(jì)時(shí)計(jì)（CHR）、協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）、耗用時(shí)間（ET）。

（1）計(jì)時(shí)計(jì)（CHR）：包括CHR顯示（前兩位顯示分鐘，后兩位顯示秒）、CHR按鍵（時(shí)鐘表面右上角）、RST按鍵（時(shí)鐘表面左上角）。第一次按下CHR按鈕：計(jì)時(shí)開始;第二次按下CHR按鈕：計(jì)時(shí)停止;按壓RST按鈕：計(jì)時(shí)復(fù)位到零。

（2）協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）：UTC顯示窗有時(shí)間模式（前兩位顯示小時(shí)，后兩位顯示分鐘，最后兩位顯示秒）和日期模式（在UTC顯示窗中分別以月、日、年代替時(shí)間顯示）兩種顯示模式。UTC旋鈕（右側(cè)）有GPS/INT/SET三個(gè)位置選擇：

GPS位置：時(shí)間顯示由GPS接收機(jī)控制;

INT位置：時(shí)間顯示由時(shí)鐘內(nèi)部時(shí)基控制;

SET位置：允許設(shè)置時(shí)鐘內(nèi)部時(shí)基，即時(shí)間和日期。當(dāng)UTC旋鈕在GPS位或INT位時(shí)，可通過按壓SET按鈕，從當(dāng)前時(shí)間模式切換到日期模式，再次按壓，切換回時(shí)間模式，循環(huán)切換。

（3）耗用時(shí)間（ET）：包括ET顯示（前兩位顯示小時(shí)，后兩位顯示分鐘）、RUN/STP/RST選擇開關(guān)（時(shí)鐘表面右下角）。

右側(cè)旋鈕有RUN/STP/RST三個(gè)位置選擇：

RUN位：計(jì)數(shù)器運(yùn)行;STP位：計(jì)數(shù)停止，該計(jì)時(shí)顯示凍結(jié);RST位：計(jì)數(shù)瞬時(shí)復(fù)位到零，且顯示消失。

2.總體設(shè)計(jì)方案

總體設(shè)計(jì)框：

飛機(jī)時(shí)鐘設(shè)備的界面有顯示界面和操作界面。顯示界面包括計(jì)時(shí)計(jì)（CHR）、協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）和耗用時(shí)間（ET）。操作界面包括CHR的控制啟停的按鍵、UTC左側(cè)的時(shí)間日期切換旋鈕和UTC三檔旋轉(zhuǎn)開關(guān)以及ET的控制啟停復(fù)位的三檔旋轉(zhuǎn)開關(guān)。其中切換UTC三檔旋鈕開關(guān)選擇多種時(shí)鐘數(shù)據(jù)來源。

時(shí)鐘數(shù)據(jù)來源分別由GPS數(shù)據(jù)和DS1302芯片的內(nèi)部基準(zhǔn)時(shí)基而來;操作界面上有按鈕及旋鈕，可控制數(shù)碼管顯示CHR與ET并調(diào)整顯示的時(shí)間。單片機(jī)作為GPS、DS1302接收數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)的CPU處理器。MAX7219驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示可以節(jié)約單片機(jī)的引腳資源。單片機(jī)外圍還需要有電源電路、晶振電路及復(fù)位電路，才能保證單片機(jī)正常、穩(wěn)定地工作。

圖1-2 總體設(shè)計(jì)框圖

3.硬件設(shè)計(jì)框圖

3.1 時(shí)鐘芯片DS1302的硬件圖

圖1-3 DS1302硬件圖

時(shí)鐘芯片DS1302作為飛機(jī)時(shí)鐘數(shù)據(jù)的來源之一，同時(shí)提取DS1302時(shí)鐘的秒時(shí)間作為計(jì)時(shí)器的基準(zhǔn)秒。單片機(jī)作為DS1302數(shù)據(jù)接收與處理中心，并控制數(shù)碼管顯示相應(yīng)的時(shí)間。DS1302中的時(shí)鐘信號(hào)SCLK與單片機(jī)的P1.7相連，數(shù)據(jù)輸入輸出I/O與單片機(jī)的P1.6相連，復(fù)位信號(hào)RST與單片機(jī)的P1.5相連。

3.2 GPS的硬件圖

圖1-4 GPS與單片機(jī)連接圖

GPS是飛機(jī)時(shí)鐘數(shù)據(jù)來源之一，將UTC右側(cè)的旋鈕切換至GPS位置便可顯示GPS時(shí)間。GPS通過串口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。用數(shù)據(jù)線將GPS的TXA和RXA端口與單片機(jī)的TXA和RXA端口即可進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸。為了使串口正常工作，需要對(duì)串口進(jìn)行初始化，設(shè)置串口工作方式、波特率、定時(shí)器工作模式，并將EA和ES置1，允許串口中斷。

3.3 旋轉(zhuǎn)編碼器

UTC顯示界面右側(cè)三檔旋轉(zhuǎn)編碼器可實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)時(shí)鐘數(shù)據(jù)來源的選擇;ET顯示界面右側(cè)三檔旋轉(zhuǎn)編碼器可實(shí)現(xiàn)對(duì)ET的啟停復(fù)位的控制。

轉(zhuǎn)編碼器的工作原理：增量式旋轉(zhuǎn)編碼器通過內(nèi)部兩個(gè)光敏接受管轉(zhuǎn)化其角度碼盤的時(shí)序和相位關(guān)系，得到其角度碼盤角度位移量增加（正方向）或減少（負(fù)方向）。如下圖所示，可以通過比較A相和B相的超前和滯后，判斷編碼器是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，圖中所示的A相超前B相即為正旋輸出，A相滯后B相即為反旋輸出。

圖1-5 旋轉(zhuǎn)編碼器原理

4.軟件系統(tǒng)流程

圖1-6 軟件系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)流程：首先要初始化，即對(duì)CHR、ET、UTC三部分的數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片MAX7219進(jìn)行初始化，GPS模塊方面還需要對(duì)串口進(jìn)行初始化;在編寫完初始化程序后，主程序中將調(diào)用能切換時(shí)間的按鍵旋鈕程序、MAX7219的顯示程序，每時(shí)每刻系統(tǒng)都在判斷是否有按鍵的按下操作或者旋鈕的轉(zhuǎn)動(dòng)，則數(shù)據(jù)處理函數(shù)將相應(yīng)的時(shí)間傳遞到MAX7219的顯示程序;若無任何操作，顯示器正常顯示。

4.1 時(shí)鐘芯DS1302程序設(shè)計(jì)

時(shí)鐘芯片DS1302是飛機(jī)時(shí)鐘的數(shù)據(jù)來源之一，單片機(jī)從DS1302的寄存器中讀出時(shí)間與日期，并將十進(jìn)制的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制，從而控制MAX7219驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示相應(yīng)的時(shí)間與日期。

CHR計(jì)時(shí)是將DS1302時(shí)鐘的秒時(shí)間作為計(jì)時(shí)基準(zhǔn)秒，即每增加一秒數(shù)碼管顯示計(jì)時(shí)時(shí)間加一。若總的時(shí)間秒數(shù)為T秒，CHR計(jì)時(shí)的分計(jì)時(shí)為MIN，秒計(jì)時(shí)為SEC，則：

MIN=T/60

SEC=T%60

若CHR數(shù)碼管顯示分計(jì)時(shí)的十位與個(gè)位分別為MINSH、MINGE;秒計(jì)時(shí)的十位與個(gè)位分別為SECSH，SECGE，則：

MINSH=MIN/10=（T/60）/10

MINGE=MIN%10=（T/60）%10

SECSH=SEC/10=（T%60）/10

SECGE=SEC%10=（T%60）%10

ET計(jì)時(shí)是將DS1302時(shí)鐘的秒時(shí)間作為計(jì)時(shí)基準(zhǔn)秒，即每增加一分鐘數(shù)碼管顯示計(jì)時(shí)時(shí)間加一。若總的時(shí)間秒數(shù)為T秒，ET計(jì)時(shí)的小時(shí)計(jì)時(shí)為H，秒計(jì)時(shí)為MIN，則

H=（T/60）/60

MIN=（T/60）%60

若ET數(shù)碼管顯示小時(shí)計(jì)時(shí)的十位與個(gè)位分別為HSH、HGE;分計(jì)時(shí)的十位與個(gè)位分別為MINSH，MINGE，則：

HSH=H/10={（T/60）/60}/10

HGE=H%10={（T/60）/60}%10

MINSH=MIN/10={（T/60）%60}/10

MINGE=MIN%10={（T/60）%60}%10

4.2 旋轉(zhuǎn)編碼器的程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)通過程序判斷編碼器是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)切換到相應(yīng)的功能。單片機(jī)通過查詢的方式讀取旋轉(zhuǎn)偏碼器A、B兩端的電平來判斷當(dāng)前旋鈕是否旋轉(zhuǎn)以及旋轉(zhuǎn)的方向。A點(diǎn)電平與B點(diǎn)電平有4種不同的組合：00、01、10、11，可以根據(jù)4種組合狀態(tài)之間的變化進(jìn)行鑒相。若順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，者可得到對(duì)應(yīng)的序列{11、01、00、10}，反旋轉(zhuǎn)則有對(duì)應(yīng)的序列{11、10、00、01}。如表1所示的判斷表中，行表示當(dāng)前AB點(diǎn)電平值組合，列表示上一次變化前AB點(diǎn)電平值組合，檢測到發(fā)生1次電平變化即可進(jìn)行鑒相，需要指出的是：若AB兩點(diǎn)電平相比上次均發(fā)生了變化，則無法進(jìn)行判斷。

表1 AB相位判斷表

00 01 10 11

00 錯(cuò) 逆 順 錯(cuò)

01 順 錯(cuò) 錯(cuò) 逆

10 逆 錯(cuò) 錯(cuò) 順

11 錯(cuò) 順 逆 錯(cuò)

綜上所述，旋轉(zhuǎn)編碼器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為Y，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為N，當(dāng)前AB的電平為A1、B1，下一時(shí)刻AB的電平為A2，B2，則：

5.總結(jié)

本章主要從系統(tǒng)的功能要求出發(fā)，先對(duì)系統(tǒng)做了一個(gè)總體設(shè)計(jì)，畫出了系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)框圖，然后采用protues仿真，在Keil環(huán)境中編寫和調(diào)試程序，并用Altium Designer畫原理圖制作PCB板，用萬用表、示波器等調(diào)試硬件電路。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，該研究過程能準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)A320的飛機(jī)時(shí)鐘的仿真設(shè)計(jì)。

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基金項(xiàng)目：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)：IECAUC13019）。

作者簡介：邱石（1992—），男，江蘇徐州人，現(xiàn)就讀于天津中國民航大學(xué)，研究方向：電子信息工程自動(dòng)控制。