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?？刂瞥绦蛟O計過程需要軟件調試,、硬件調試、系統(tǒng)調試3 個過程,。軟件調試一般比較容易進行,，但如果要進行牽涉硬件的硬件調試或系統(tǒng)調試，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試失真,。通過Proteus 中各虛擬儀器所構建硬件電路,，調試所設計程序的控制效果，達到虛擬硬件調試,、虛擬系統(tǒng)調試程序的目的,，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?；蛴布嶒灄l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 調試器,、SPI 調試器、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)了程序硬件調試,、系統(tǒng)調試過程。

參考文獻
      
1 孫耀杰,，左賀,，康龍云，曹秉剛,，史維祥. 抑制混合式步進電機轉矩波動的時變重復控制［J］. 中國電機工程學報,，2004，24（11）：183～187
2 孟武勝,，李亮. 基于AT89C52 單片機的步進電機控制系統(tǒng)設計［J］. 測控技術,，2006，25（12）：46～51
3 張俊杰,，李世其,，熊友軍. 基于數(shù)據(jù)手套的機械手控制技術應用［J］. 計算機應用研究，2006（6）：170～175
4 李河清,，侯志祥. 基于串行通信的步進電機小型集散控制系統(tǒng)［J］.計算機工程,，2007，33（10）：258～260
5 金建新,，鄭虎子. 16 位單片機控制混合式步進電機的研究［J］. 機械設計與制造,，2007（9）：94～96
6 李全利，遲榮強. 單片機原理及接口技術［M］. 北京：高等教育出版社,，2004（1）
http://www.chuandong.com/publish/tech/thesis/2009/5/thesis_0_8_7298.html