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三軸慣性陀螺測試轉臺控制系統的研制
摘要：介紹了三軸慣性陀螺測試轉臺的工作方式及其控制系統的功能，研究了以８０５１單片機為系統控制核心的轉臺控制器的硬件及軟件設計問題，提出了采用８０５１單片機及Ｉｎｔｅｌ ８２５４定時／計數器對步進電機進行開環位置及速度控制的解決方案。導航系統是飛行器的重要組成部分。
慣性陀螺儀表普遍應用于各種類型的飛行器的導航系統中，它反映了飛行器的飛行姿態以及其它重要導航信息，保證了人為或自動駕駛儀對飛行器進行控制的安全性與準確性。為了確保慣性陀螺儀表工作的可靠性，需要對儀表進行定期的校驗，用測試轉臺測試陀螺儀表是比較常用的方法。某機場所使用的測試轉臺大部分存在老化嚴重以及功能單一的問題，尤其是部分轉臺還是老式的手動轉臺，很難保證校準精度，所以需要研制新型數字化的低成本的高精度陀螺測試轉臺及其控制系統。
１ 陀螺測試轉臺及其控制系統介紹
陀螺測試轉臺主要由高精度轉臺及其控制系統組成。三軸轉臺由ψ軸轉臺、θ軸轉臺、φ軸轉臺三個子系統組成，分別實現三個軸的轉動。各子系統由臺體、驅動系統、轉動系統以及執行機構組成。選用步進電機作為各子系統驅動裝置，經蝸輪蝸桿及齒輪減速后輸出旋轉運動。轉臺的三個子系統中，θ軸轉臺固定在ψ軸轉臺的轉盤上，φ軸轉臺固定在θ軸轉臺的轉盤上。將被測試陀螺儀表固定于φ軸轉臺的轉盤上，按測試要求控制轉臺各軸進行旋轉，模擬飛機飛行中的各種姿態，陀螺儀表則輸出相應的姿態信息，比較轉臺的姿態與儀表的輸出即可校對儀表偏差。
各子系統的運轉由其控制器控制。控制器的主要功能是接收操作人員的控制指令，對控制面板輸入的控制參數進行計算或轉換，變為步進電機的運轉控制信號，輸出到測試轉臺；轉臺在控制器的控制下可工作在速度、轉角、自動等模式；轉臺控制器能夠與上位計算機進行串行通訊，并執行上位計算機的控制指令。轉臺與控制器之間通過航空插頭連接起來，其傳輸的信號包括步進電機的驅動信號和慣性陀螺儀的反饋信號。
２ 轉臺控制系統的硬件設計
轉臺控制系統主要由面板控制模塊、控制面板及液晶顯示屏、各子系統軸控模塊、步進電機驅動器和機箱、電源等組成，圖１為系統硬件組成示意圖。面板控制模塊和各子系統軸控模塊均采用Ａｔｍｅｌ ＡＴ８９Ｃ５２單片機作為控制核心。液晶屏采用ＳＥＩＫＯ ＥＰＳＯＮ公司生產的ＳＥＤ１３３５液晶顯示屏及其控制電路，其顯示ＲＡＭ具有字符和圖形顯示特區，通過字符發生器不僅可以調用固化的１６０種點陣字符，還可以擴展其它需要的字符。步進電機驅動器采用ＲＯＲＺＥ公司的ＲＤ－０２３ＭＳ兩相步進電機驅動器。
２．１ 控制面板的管理
面板控制模塊選用四片８２５５通用擴展并口作為單片機與各子系統軸模塊和面板按鍵、指示燈之間的接口。單片機的Ｐ０口作為數據傳輸端口，Ｐ２口作為各８２５５的片選及端口選擇地址。與各子系統軸模塊通訊的三片８２５５的Ａ口和Ｂ口分別作為數據的發送口和接收口，Ｃ口提供握手信號。ＡＴ８９Ｃ５２單片機的串口通過１４８８－１４８９ ＲＳ２３２電平轉換電路與上位計算機的串口連接。
２．２ 面板模塊與軸控模塊的通信
面板模塊與軸控模塊之間通過兩片８２５５完成運轉參數和狀態信息的傳遞。圖２所示為軸控模塊８２５５與面板模塊８２５５的接口電路示意圖。電路中使用了ＲＳ觸發器７４ＬＳ７４，通過發送、查詢、接收、置位等方式，控制數據在兩片８２５５之間傳輸。觸發器１的輸出信號Ｑ１作為面板模塊８２５５向軸控模塊８２５５傳送數據的狀態標志位，當Ｑ１為“１”時表示面板模塊所要傳送的數據已經準備好，為“０”時表示數據已被軸控模塊接收或數據未到達狀態。觸發器１由面板模塊８２５５的Ｃ０和軸控模塊８２５５的Ｃ４共同控制，由面板８２５５的Ｃ４和軸控模塊８２５５的Ｃ０查詢Ｑ１的狀態。同理，觸發器２控制由軸控模塊８２５５發送到面板模塊８２５５的數據，Ｑ２的輸出值表示數據傳送的狀態。
２．３ 步進電機脈沖產生及控制電路
系統采用８２５４定時／計數器產生控制步進電機運轉的方波脈沖，并對輸出脈沖進行計數。將８２５４的計數器０設定在方波發生器工作方式，計數器２設定在計數器方式。圖３為用８２５４分頻產生控制脈沖的原理圖。由ＡＴ８９Ｃ５２內部定時／計數器２產生的方波脈沖送入８２５４計數器０進行分頻并輸出控制脈沖。計數器２對輸出的脈沖進行計數。當脈沖數與計數器２的計數值相等時?計數器２的輸出端產生電平變化，并被ＡＴ８９Ｃ５２的Ｐ１．１口監測查詢。當ＡＴ８９Ｃ５２的晶體振蕩頻率為２４ＭＨｚ時，通過調節其ＲＣＡＰ２Ｈ和ＲＣＡＰ２Ｌ的值可使其定時／計數器２產生９２Ｈｚ～６ＭＨｚ的方波脈沖。通過對８２５４計數器０的數據寄存器寫入分頻值Ｎ，使其輸出相應頻率的方波脈沖?來控制步進電機的轉速，計數器２通過記錄計數器１輸出的脈沖數量來控制電機的轉角。步進電機的輸出轉速由下式決定：
ω＝Δ·fo/N(度／秒)??(１)?
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