飛行模擬裝備仿真儀表的控制

宋慧營(yíng)

[摘 ? ?要]文章針對(duì)飛行模擬裝備仿真儀表的控制進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了基本的步進(jìn)電機(jī)式仿真儀表的控制電路，控制信號(hào)由PIC單片機(jī)提供，實(shí)現(xiàn)了儀表基本的正反轉(zhuǎn)、調(diào)速、指針回零位等控制。在基本控制電路基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，即可達(dá)到實(shí)際裝備的控制要求。

[關(guān)鍵詞]仿真儀表;飛行裝備;步進(jìn)電機(jī);單片機(jī);控制

[中圖分類(lèi)號(hào)]TP391 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）03–00–03

Control of Simulation Instruments of Flight Simulation Equipment

Song Hui-ying

[Abstract]This paper studies the control of the simulation instrument of flight simulation equipment， designs the control circuit of the basic stepping motor type simulation instrument， the control signal is provided by the PIC microcontroller， and realizes the basic forward and reverse rotation， speed regulation and pointer return of the instrument. Bit control. Optimizing on the basis of the basic control circuit can meet the control requirements of the actual equipment.

[Keywords]simulation instrument; flight equipment; stepping motor; single chip computer; control

隨著技術(shù)的進(jìn)行與軍事訓(xùn)練需求的變化，飛行模擬裝備近年來(lái)得到了迅速發(fā)展。在飛行模擬器裝備中，作為重要組成部分之一，仿真儀表是飛機(jī)模擬器飛行性能參數(shù)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的顯示界面，作用是提供給飛行員座艙內(nèi)的相關(guān)信息，以便飛行員做出正確的判斷及開(kāi)展下一步的操作，其功能優(yōu)劣直接影響飛行模擬裝備的作用與效果。飛行模擬裝備儀表中多數(shù)屬于仿真儀表，如何有效控制是仿真儀表的關(guān)鍵。對(duì)于仿真儀表，既要求控制其運(yùn)行速度，又要求控制其運(yùn)行方向、運(yùn)行精度及運(yùn)行完畢做好起始零位控制等。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有精度高、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制信號(hào)容易通過(guò)單片機(jī)等優(yōu)點(diǎn)，因此在飛行模擬裝備仿真儀表控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)式仿真儀表應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

1 步進(jìn)電機(jī)原理及單片機(jī)特點(diǎn)

帶動(dòng)仿真儀表指針運(yùn)行，完成儀表控制任務(wù)的步進(jìn)電機(jī)是一種由脈沖信號(hào)控制的電機(jī)，儀表指針與電機(jī)轉(zhuǎn)子固定在一起作同步運(yùn)行，要想達(dá)到儀表控制，完成電機(jī)轉(zhuǎn)子的同步驅(qū)動(dòng)控制即可。

完成仿真儀表控制任務(wù)所選用電機(jī)為四相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，此電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為脈沖信號(hào)，定子有四相繞組，如圖1所示。給步進(jìn)電機(jī)定子繞組1個(gè)脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)子向前進(jìn)一步，電機(jī)前進(jìn)一步所轉(zhuǎn)過(guò)的角度即為其步距角θb。電機(jī)步距角的大小與轉(zhuǎn)子齒數(shù)的關(guān)系為θb=360°/NZr，其中Zr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)，N為由定子相數(shù)確定的運(yùn)行拍數(shù)，選定運(yùn)行為單四拍運(yùn)行方式時(shí)，N=4。如按設(shè)定順序連續(xù)給電機(jī)繞組脈沖信號(hào)，電機(jī)就會(huì)按特定方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)行。所選用電機(jī)按此方式運(yùn)行時(shí)的步距角為1.8°。

步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度大小（即所帶動(dòng)儀表指針角位移量的大?。┯沈?qū)動(dòng)脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)決定，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度與脈沖個(gè)數(shù)保持嚴(yán)格的比例關(guān)系;步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向（儀表指針的運(yùn)行方向）取決于繞組通電脈沖信號(hào)的順序;電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度（儀表的轉(zhuǎn)速）取決于驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)的頻率，電機(jī)轉(zhuǎn)速與脈沖頻率f的關(guān)系為 （r/min）。也就是說(shuō)，控制儀表的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)完全是由脈沖信號(hào)決定的，只要按照要求設(shè)定脈沖信號(hào)參數(shù)，就很容易通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)達(dá)到仿真儀表的啟動(dòng)與停止、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、回初始零位等控制。

隨著單片機(jī)技術(shù)日新月異的發(fā)展，單片機(jī)在用于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)日漸突出。所選用單片機(jī)為美國(guó)Microchip公司生產(chǎn)的PIC系列單片機(jī)PIC16F877，單片機(jī)已在片中集成了許多外圍設(shè)備，從而使控制系統(tǒng)的硬件電路更為簡(jiǎn)單，且大幅度提高了系統(tǒng)的可靠性，特別適用于控制儀表用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。按其功能可將單片機(jī)分成兩大組件，即基本功能模塊和專(zhuān)用功能模塊。PICl6F877單片機(jī)所有端口引腳采用引腳復(fù)用技術(shù)，以便增加功能而又不增大體積和引腳數(shù)量。系統(tǒng)配置引腳包括電源和接地引腳、時(shí)鐘，復(fù)位引腳和主復(fù)位引腳。輸入/輸出功能引腳分布在PORTA、PORTB、PORTC、PORTD和PORTE5個(gè)雙向輸入/輸出端口。PORTB端口的RB3、RB6和RB7引腳被MPLAB-IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境所借用，是低壓編程功能引腳。由于此類(lèi)單片機(jī)強(qiáng)大的功能、高可靠性及多輸入/輸出端口，使用1個(gè)單片機(jī)即可完成多個(gè)儀表的控制任務(wù)。

2 步進(jìn)電機(jī)式仿真儀表的基本電路設(shè)計(jì)與程序設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)式仿真儀表的控制系統(tǒng)硬件主要包括PIC16F877單片機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電源和反相器等部分。在電路中，單片機(jī)、反相器和步進(jìn)電機(jī)共用+5 V驅(qū)動(dòng)電源;由單片機(jī)產(chǎn)生脈沖信號(hào)輸入給反相器，輸入高電平經(jīng)反相器輸出低電平，這樣四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)中的某一相為低電平，另外三相輸入狀態(tài)為高阻態(tài)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的公共端連接在驅(qū)動(dòng)電源端。當(dāng)某相繞組為低電平時(shí)，該相繞組接通，轉(zhuǎn)子就會(huì)帶動(dòng)指針轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相應(yīng)的步距角，按順時(shí)鐘方向運(yùn)行時(shí)定子繞組勵(lì)磁脈沖信號(hào)的順序如表1所示。以輸入信號(hào)控制單片機(jī)輸出脈沖個(gè)數(shù)和方向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)帶動(dòng)儀表指針的運(yùn)行，以及實(shí)現(xiàn)儀表指針轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等的控制。

步進(jìn)電機(jī)式仿真儀表的基本控制電路如圖2所示。在設(shè)計(jì)的控制電路中，以PIC16F877作為處理器，時(shí)基振蕩方式為標(biāo)準(zhǔn)的外接晶體振蕩器振蕩方式XT，將PORTC端口RC0～RC4作為輸入引腳，將PORTD端口RD4～RD7作為輸出引腳。所用石英晶體頻率為4MHz。當(dāng)RD4為高電平、RD5、RD6、RD7為低電平時(shí)，經(jīng)ULN2003A反相，步進(jìn)電機(jī)4端為0 V電壓，1、2、3端為高阻狀態(tài)，步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角的角位移。然后，RD5為高電平、RD4、RD6、RD7變?yōu)榈碗娖?，?jīng)ULN2003A反相，步進(jìn)電機(jī)3端為0 V電壓，1、2、4端為高阻狀態(tài)，步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針?lè)较蛟俎D(zhuǎn)過(guò)1個(gè)步距度的角位移。依次類(lèi)推，只需控制加在RD4至RD7引腳的脈沖信號(hào)，就可使步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)角度運(yùn)行，為此只要計(jì)算出脈沖個(gè)數(shù)即可達(dá)到角度旋轉(zhuǎn)運(yùn)行控制。在RD4至RD7引腳輸出相反順序的脈沖信號(hào)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)即為逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行方式;RD4、RD5、RD6、RD7全為低電平時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)，即儀表的指針固定在某個(gè)位置。調(diào)整RD4至RD7輸出脈沖的頻率可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)要求實(shí)時(shí)性好時(shí)，可將脈沖頻率調(diào)高。RC0、RC1、RC2、RC3分別控制步進(jìn)電機(jī)4種工作模式，RC4控制指針停留位置，其優(yōu)先級(jí)最高。以一種模式為例，RC0為高電平，指針順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)工作模式，當(dāng)RC4為高電平，指針保持在現(xiàn)有位置;當(dāng)RC4變?yōu)榈碗娖?，指針繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)至最大位置。若RC0變?yōu)榈碗娖剑羔樐鏁r(shí)針回零位，當(dāng)RC4為高電平，指針保持在現(xiàn)有位置;當(dāng)RC4變?yōu)榈碗娖?，指針繼續(xù)回零位。

步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制程序流程簡(jiǎn)圖如圖3所示。程序由以下7個(gè)模塊組成，變量常量定義模塊：對(duì)單片機(jī)內(nèi)所用的工作寄存器地址命名。向量復(fù)位模塊：用來(lái)設(shè)置程序的首地址。主程序初始化模塊：對(duì)單片機(jī)端口初始化，設(shè)置指針可以轉(zhuǎn)動(dòng)的最大角。循環(huán)檢測(cè)模塊：檢測(cè)單片機(jī)端口狀態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)的工作模式。工作模塊：對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)速度與轉(zhuǎn)向控制的4種工作模式。工作模式子程序模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)上電后根據(jù)引腳狀態(tài)進(jìn)入一種工作模式，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)指針偏離零位轉(zhuǎn)動(dòng)，每走一步均要判斷RC4引腳及在該工作模式下控制指針的引腳狀態(tài)。若RC4為高電平，指針保持在現(xiàn)有位置。當(dāng)RC4為低電平，控制指針的引腳為高電平，指針繼續(xù)偏離零位;控制指針的引腳變?yōu)榈碗娖?，指針回零位。通用子程序模塊：查表程序?yàn)檩敵龆丝谔峁┟}沖;步進(jìn)電機(jī)每走一步，通過(guò)延時(shí)程序增加適當(dāng)?shù)难訒r(shí)時(shí)間控制輸入的脈沖頻率，使指針達(dá)到最佳線性指示效果。

3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)式仿真儀表實(shí)際控制電路的優(yōu)化

在實(shí)際仿真儀表的控制過(guò)程中，在基本控制電路基礎(chǔ)上做了優(yōu)化。如在單片機(jī)中使用C語(yǔ)言可以更容易地完成控制程序;在步進(jìn)電機(jī)式仿真儀表的基本控制電路中，儀表每一步轉(zhuǎn)過(guò)的角度是由電機(jī)的步距角決定的，要想在實(shí)際控制過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)更精準(zhǔn)的指示與定位，可選用步距角達(dá)到分級(jí)（角度）更小的電機(jī)，也可采用步距角細(xì)分方式;可在軟件程序基礎(chǔ)上優(yōu)化控制模式，實(shí)現(xiàn)電機(jī)整個(gè)運(yùn)行過(guò)程不分方向，只有在運(yùn)行過(guò)程全部完成后再進(jìn)行指針回初始零位控制等;在基本電路基礎(chǔ)上，儀表指針的控制是通過(guò)計(jì)算機(jī)給出脈沖個(gè)數(shù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)的，是1個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，為達(dá)到更加準(zhǔn)確的控制，也可加入檢測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)角的檢測(cè)，達(dá)到閉環(huán)控制。

4 結(jié)語(yǔ)

采用PIC單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)式飛行裝備仿真儀表的控制，此方法機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制電路簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)角控制精度高，在飛行模擬裝備仿真儀表中應(yīng)用廣泛。由于PIC單片機(jī)自身突出的優(yōu)點(diǎn)，以其作為核心處理器既經(jīng)濟(jì)又方便且能夠進(jìn)行程序的創(chuàng)建、編輯、匯編和調(diào)試，還能方便而靈活地實(shí)現(xiàn)程序的模擬運(yùn)行，為進(jìn)一步優(yōu)化提供了便利;而步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)控制及轉(zhuǎn)角的精確定位，即使開(kāi)環(huán)控制也能達(dá)到高精度，使其在儀表控制中被廣泛采用。

參考文獻(xiàn)

[1] 李榮正.PIC單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2014.

[2] 石廣范.PIC單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2012.

[3] 劉廣順.自動(dòng)控制元件[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2016.

[4] 李發(fā)海.電機(jī)學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2020.

[5] 王聰，曹征濤，趙顯亮，等.飛行錯(cuò)覺(jué)模擬器系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2019，40（5）：24-28，37.

[6] 茍永明.祝賀中國(guó)計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制技術(shù)協(xié)會(huì)成立20周年協(xié)會(huì)報(bào)道之五《計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制》的發(fā)展之路[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011（7）：6-8.

[7] 楊秉，楊健.基于OpenGL的臨近空間飛艇飛行仿真可視化研究[C]//.全國(guó)第19屆計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用（CACIS）學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（上冊(cè)），2008：262-266.