一種新型的運(yùn)動平臺數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

　　引言

　　飛行模擬器的運(yùn)動平臺系統(tǒng)一般由機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路是控制系統(tǒng)的的核心，它要把經(jīng)運(yùn)動平臺算法解算出的各液壓缸伸縮量的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬量信號，然后經(jīng)濾波放大、電液伺服閥后，由電液伺服閥驅(qū)動各液壓缸運(yùn)動，進(jìn)而驅(qū)動運(yùn)動平臺仿真飛機(jī)飛行時的各種姿態(tài)及地面滑跑、著陸及放起落架時的振動等。

　　數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路一般使用專門的D/A轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器的種類比較多，如有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)型、權(quán)電流型、開關(guān)數(shù)型、權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)型、串行輸入型等，本文利用Intel 8254設(shè)計(jì)了一種簡單實(shí)用的數(shù)模轉(zhuǎn)換(D/A)電路，并應(yīng)用于飛行模擬器三自由度運(yùn)動平臺控制系統(tǒng)中。

　　1 運(yùn)動平臺控制系統(tǒng)組成

　　三自由度運(yùn)動平臺控制系統(tǒng)硬件由平臺控制計(jì)算機(jī)、接口系統(tǒng)、濾波功放板、看門狗電路和液壓伺服系統(tǒng)組成，接口系統(tǒng)包括D/A，A/D轉(zhuǎn)換電路(見圖1)。通過主計(jì)算機(jī)接收到飛行方程解算出的與控制平臺有關(guān)的各種信息，由平臺控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換(D/A)、濾波、功放成為伺服閥控制指令，驅(qū)動液壓缸平滑、穩(wěn)定的伸縮，實(shí)時產(chǎn)生和被模擬的飛機(jī)相似的過載、姿態(tài)、振動等運(yùn)動信息。液壓缸的伸長量經(jīng)位移傳感器送給比較放大器，形成硬件閉環(huán)控制，位移信號經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)，送給平臺控制計(jì)算機(jī)，用來對平臺極限位置的限制。同時，由看門狗電路實(shí)時監(jiān)視控制電路的工作情況，確保運(yùn)動平臺的安全?？刂葡到y(tǒng)硬件電路的核心為自行研制的D/A轉(zhuǎn)換電路及看門狗電路。

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　　2 D/A轉(zhuǎn)換電路

　　三自由度運(yùn)動平臺數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路主要由74LS138譯碼器、可編程定時器/計(jì)數(shù)器芯片8254、8位數(shù)據(jù)緩存器74LS245等組成，核心元件是可編程定時器/計(jì)數(shù)器芯片8254。

　　2.1 8254簡介

　　可編程定時器/計(jì)數(shù)器是為方便計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用而研制的，定時值及其范圍可以很容易地由軟件來控制和改變，能夠滿足各種不同的定時和計(jì)數(shù)要求，因此得到廣泛應(yīng)用。8254是Intel公司生產(chǎn)的通用定時/計(jì)數(shù)器，是在8253的基礎(chǔ)上稍加改進(jìn)而推出的改進(jìn)型產(chǎn)品，兩者硬件組成和引腳完全相同。

　　8254是24腳雙列直插式芯片，用+5 V電源供電。芯片內(nèi)有3個相互獨(dú)立的16位定時/計(jì)數(shù)器。主要管腳如圖2所示。

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　　數(shù)據(jù)線D0～D7與CPU的數(shù)據(jù)總線相連接，是雙向三態(tài)的數(shù)據(jù)線，用于與CPU交換信息。讀信號RD是一個低電平有效的由CPU發(fā)來的控制信號，RD信號通知8254，CPU要讀8254中的某個通道的計(jì)數(shù)值或狀態(tài)字，也就是說由RD來讀取8254中的某個計(jì)數(shù)器的相關(guān)內(nèi)容;WR是一個低電平有效的由CPU發(fā)來的控制信號，CPU通過此信號向8254發(fā)送控制字和計(jì)數(shù)值;片選信號CS是一個低電平有效的信號，CPU用此信號來選擇8254。在芯片不被選中的情況下，讀信號和寫信號沒有意義，也不起作用;地址線A1，A0一般接到系統(tǒng)地址總線的A1，A0上，它們的功能是編碼選擇3個通道和1個控制寄存器，其端口編碼略，CS，RD，WR，A1和A0組合起來才能對寄存器進(jìn)行選擇和操作。

　　CLK0～CLK2是3個通道的外部時鐘脈沖收入線，是8254作計(jì)數(shù)器或定時器的計(jì)數(shù)脈沖;GATE0～GATE2是3個通道的門控信號輸入線，高電平有效，用于啟動或禁止通道工作的外部信號;OUT0～OUT2是3個通道的計(jì)數(shù)為0/定時時間到脈沖輸出線，輸出波形取決于8254通道的工作方式。

　　8254的每一個計(jì)數(shù)器都有6種工作方式。不同的工作方式下，計(jì)數(shù)過程的啟動方式不同，OUT端的輸出波形不同，自動重復(fù)功能、GATE的控制作用以及更新計(jì)數(shù)初值對計(jì)數(shù)過程的影響也不完全相同。同一芯片中的3個計(jì)數(shù)器，可以分別編程選擇不同的工作方式。三自由度運(yùn)動平臺數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路中的計(jì)數(shù)器使用了方式1和方式2。

　　2.1.1 工作方式1

　　8254工作方式1——可編程單次脈沖，是一種硬件啟動計(jì)數(shù)工作方式，不能自動重復(fù)但通過GATE的正跳變可使計(jì)數(shù)過程重新開始。在寫入方式1的控制字后，OUT成為高電平，在寫入計(jì)數(shù)初值后，要等GATE信號出現(xiàn)正跳變時才能開始計(jì)數(shù)。在下一個CLK脈沖到來后，OUT變低，將計(jì)數(shù)初值送入計(jì)數(shù)器并開始減1計(jì)數(shù)，直到計(jì)數(shù)器減到0后OUT變?yōu)楦唠娖健?/p>

　　計(jì)數(shù)過程一旦啟動，GATE即使變成低電平也不會使計(jì)數(shù)中止。計(jì)數(shù)完成后若GATE再來一個正跳變，計(jì)數(shù)過程又重復(fù)1次。也就是說對應(yīng)GATE的每一個正跳變，計(jì)數(shù)器都輸出1個寬度為N*TCLK(其中N為計(jì)數(shù)初值，TCLK為CLK信號的周期)的負(fù)脈沖，因此稱這種方式為可編程單次脈沖方式，計(jì)數(shù)初值N=3的工作波形圖如圖3所示。

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　　在計(jì)數(shù)過程啟動之后計(jì)數(shù)完成之前，若GAFE又發(fā)生正跳變，則計(jì)數(shù)器又從初值開始重新計(jì)數(shù)，OUT端仍為低電平，兩次的計(jì)數(shù)過程合在一起使OUT輸出的負(fù)脈沖加寬了。

　　在方式1計(jì)數(shù)過程中若寫入新的計(jì)數(shù)初值，也只是寫入到計(jì)數(shù)初值寄存器中，并不馬上影響當(dāng)前計(jì)數(shù)過程，同樣要等到下一個GATE正跳變啟動信號，計(jì)數(shù)器才接收新初值重新計(jì)數(shù)。