基于Proteus 的PC 機對步進電機運動控制仿真

關(guān)鍵詞：Proteus；步進電機；串口通信；MSC-51

Abstract:A Proteus- based simulation for the PC real- time control of stepper motor. PC softwaredeveloped by VB，the console which designed by proteus have simulation experiment through proteus. TheSimulation need a virtual serial port （VSPD）by communication between PC and console，just like a serialcommunication line. And then simulation was achieved. It provide a research method on PC control ofstepper motor in the relevant fields.

Key words：Proteus；Stepping motor；Serial communication；MSC-51

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(dāng)高的定位精度，且低速運行時又可輸出很大的轉(zhuǎn)矩，因此在運動控制中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。 PC 機步進電機控制系統(tǒng)，應(yīng)用于多個領(lǐng)域如數(shù)控機床、機器人、激光加工設(shè)備等各種儀器設(shè)備。一個完整的PC 機步進電機控制系統(tǒng)，下位機與PC 機構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)：PC 機負責(zé)人機交互界面的管理，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(fù)雜，主體包含硬件電路設(shè)計和控制程序設(shè)計兩方面。控制程序設(shè)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(gòu)建硬件電路，調(diào)試所設(shè)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(shè)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(jié)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(shè)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(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)計部分，并為系統(tǒng)硬件電路設(shè)計提供指導(dǎo)意義。

2 設(shè)計要求

　　以構(gòu)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(gòu)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(qū)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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dāng)單片機驅(qū)動LCD 時，由于信號的傳輸過程會有損耗，所以在實際應(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

3.1 下位機軟件設(shè)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(gòu)成。程序設(shè)計流程，如圖2 所示。

　　程序設(shè)計中要注意設(shè)置串行中斷的優(yōu)先級應(yīng)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(dāng)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(yīng)用字符型數(shù)據(jù)與ASCII 碼轉(zhuǎn)化的算法。因為 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，這樣如果上位機發(fā)送一個數(shù)據(jù)“0”，而下位機轉(zhuǎn)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 & amp; temp>=48）temp=temp-0x30；即可實現(xiàn)。整個串行中斷程序設(shè)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(zhǔn)備
k=0；//為顯示函數(shù)執(zhí)行條件
return；
｝
｝
　　設(shè)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(guān)鍵內(nèi)容，決定了驅(qū)動電機脈沖頻率的變化，即決定了步進電機轉(zhuǎn)速，需要設(shè)計一個合理的轉(zhuǎn)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(qū)動方式下電機的運動狀態(tài)。
　　LCD 顯示程序設(shè)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(shè)計好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(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，步進電機、LCD、上位機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 上位機軟件設(shè)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(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、數(shù)據(jù)位、停止位、對應(yīng)串口等參數(shù)。然后設(shè)計對應(yīng)的事件處理，以達到目標(biāo)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(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，與實際驅(qū)動所需的對應(yīng)脈沖信號是完全吻合的。
　　下位機在接收到單拍正轉(zhuǎn)對應(yīng)圖3（a）指令后步進電機的相應(yīng)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(shè)計程序控制預(yù)期運行結(jié)果完全吻合，仿真效果明顯可信。

5 結(jié)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(gòu)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(shè)計開發(fā)與仿真系統(tǒng)無縫連接，實現(xiàn)了程序所預(yù)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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