肖云茂 孫毅 張華興

1 引言
      
步進電機在簡單的開環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，應用于多個領域如數控機床、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，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、系統狀態的顯示、控制指令的發送等部分工作；下位機完成運動控制的所有細節，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調試，包括元器件選用、PCB 板制作、元器件焊接、程序燒錄環節，其中任一環節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、虛擬系統調試程序的目的，為PC 機步進電機系統開發提供有效的理論實踐依據，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。
      
Proteus 是英國Labcenter 公司開發的電路分析與實物仿真軟件實現了單片機仿真和SPICE 電路仿真相結合，具有模擬電路仿真、數字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統的仿真、RS232 動態仿真、I2C 調試器、SPI 調試器、鍵盤、LCD、虛擬儀器、示波器、邏輯分析儀系統仿真的功能；支持主流單片機系統的仿真功能；在硬件仿真系統中具有全速、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；支持第三方的軟件編譯和調試環境，如Keil uVision2、MTLAB 等軟件。由于Proteus 軟件本身的優良仿真特性，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開發中的控制程序設計部分，并為系統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為例，上位機人機交互界面由VB 開發完成；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，實現上位機與下位機的串口通信，最終實現上位機（VB）對下位機（Proteus）中步進電機的實時控制過程。

2.1 系統總體框圖
      
上位機通過RS232C 串口通信方式實現對下位機下達指令，下位機AT89C51 單片機根據接受到的指令，按一定的時序產生A、B、C、D 四相控制信號，分別實現單拍、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。Proteus 的仿真電路與實際電路可以有一定的區別，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 開發完成。程序本身通用于仿真Proteus、實際步進電機控制系統。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（含幾條控制命令子函數）及程序主函數體五部分構成。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先級應高于T0 中斷，因為默認的ET0 中斷優先級是高于串行中斷ES 的[6]，使用語句PT0=0；//低優先級，PS=1；//高優先級即可，因為只要當串行通信優先級最高時，才能實現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據與ASCII 碼轉化的算法。因為MSComm1.Output 中送出去的是字符型數據，而AT89C51 會把接收到的字符數據轉化成ASCII 碼，這樣如果上位機發送一個數據“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據做一定的計算處理，然后再交給CPU 進行判斷。因為上位機的控制指令數據只有七個，使用語句if（temp<=57 & temp>=48）temp=temp-0x30；即可實現。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據
      if（temp<=57 & temp>=48）
      //判斷指令寄存器數據
      temp=temp-0x30；
      //計算指令寄存器數據
      RI=0；
      //RI=0 為下一次串行中斷做準備
      k=0；//為顯示函數執行條件
      return；
      ｝
      ｝
      
設計T0 中斷程序時，中段時間（它由定時計數器的初始值、工作方式共同決定）與中斷次數關鍵內容，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據，觀察單拍、雙拍、單雙拍驅動方式下電機的運動狀態。
      
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，然后再根據數據指令顯示對應的步進電機運動狀態，這樣能節省MCU的處理時間，提高仿真系統的實時控能力。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。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。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，為應用程序提供了通過串行口收發數據的簡便方法。只要設置Settings 屬性包括返回波特率、奇偶校驗、數據位、停止位、對應串口等參數。然后設計對應的事件處理，以達到目標通信控制效果。程序主要開發對下位機發送的七條指令及Text 電機狀態顯示，實現上位機控制。

4 系統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。


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。所構建的仿真系統能很好的實現PC 機對步進電機的同步控制與狀態顯示整體過程，通過程序設計開發與仿真系統無縫連接，實現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，仿真實現了程序硬件調試、系統調試過程。

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. 基于數據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［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