實時控制系統(tǒng)接口設(shè)計

摘要：在實時控制系統(tǒng)中，計算機無疑是整個系統(tǒng)的核心，當滿足系統(tǒng)設(shè)計要求的計算機被選定之后，控制接口的設(shè)計幾乎就是系統(tǒng)硬件設(shè)計的全部。所以，控制接口在實時控制系統(tǒng)中有著十分重要的地位，其性能的好壞，直接影響著整個系統(tǒng)的品質(zhì)，應(yīng)當精心地設(shè)計并給予高度的關(guān)注。據(jù)此以某實時控制系統(tǒng)為例，以具體的電路，闡述了控制接口在系統(tǒng)中的重要作用。
關(guān)鍵詞：實時控制；控制接口；設(shè)計

0 引言
    “實時控制”是指計算機對外部信息以足夠快的速度進行處理、并作出反應(yīng)的一種控制。在實時控制系統(tǒng)中，通常把各種支持電路統(tǒng)稱為接口電路，即控制接口電路，從受控過程的角度而言，所謂計算機控制實際上就是接口控制，即接口控制著整個系統(tǒng)。所以，應(yīng)用計算機進行實時控制的硬件設(shè)計就是控制接口的設(shè)計，所設(shè)計的控制接口的性能直接影響著整個實時控制系統(tǒng)的性能。所以控制接口的設(shè)計在計算機實時控制系統(tǒng)的設(shè)計中占有十分重要的地位，它把并不面向?qū)崟r控制的通用計算機改造成面向?qū)崟r控制的計算機系統(tǒng)，在受控對象和通用計算機之間起著一個雙向匹配器的作用。一個設(shè)計完好的控制接口，不但會方便軟件設(shè)計，為控制軟件功能的實施提供強有力的硬件支持，而且還能確保整個系統(tǒng)安全可靠地運行。
    下面以某實時控制系統(tǒng)為例，來闡述其控制接口的設(shè)計。

1 系統(tǒng)的功能及組成
1．1 系統(tǒng)功能
    ·在引導(dǎo)狀態(tài)，控制雷達天線實現(xiàn)對目標的搜索；
    ·在跟蹤狀態(tài)，控制雷達天線實現(xiàn)對目標的手控及全自動跟蹤；
    ·控制發(fā)射架與天線同步轉(zhuǎn)動；
    ·實施發(fā)射控制。
1．2 系統(tǒng)組成
    系統(tǒng)主要由主計算機(簡稱主機)和付計算機(簡稱付機)及控制接口電路組成，主機主要完成對天線的引導(dǎo)控制，付機主要完成對天線的手控跟蹤、自動跟蹤、全自動跟蹤和對發(fā)射架的控制。
    ·主機與付機通過8255并行通訊口，實施應(yīng)答式通訊，完成主機與付機的數(shù)據(jù)交換。
    ·付機通過8251串行通訊口，完成對天線的實時控制。
    ·付機通過8255并行通訊口，控制交流D／A變換器形成控制電壓，完成對發(fā)射架的控制。

2 引導(dǎo)控制接口電路設(shè)計
    該系統(tǒng)在引導(dǎo)狀態(tài)下可控制天線粗略地跟蹤目標或用搜索的方式發(fā)現(xiàn)目標。
    圖1為ε平面的引導(dǎo)控制接口電路。

2．1 “引導(dǎo)”和“允許手控”控制信號的建立和清除
    圖1中，D6、D7(54LS373)分別為輸入、輸出接口芯片，構(gòu)成控制接口電路與計算機的輸入、輸出通道。136接收并鎖存標志系統(tǒng)狀態(tài)的開關(guān)信號，供計算機實時讀取，以控制系統(tǒng)進入相應(yīng)的工作狀態(tài)；D7則輸出系統(tǒng)的狀態(tài)信息給控制接口電路。
    系統(tǒng)設(shè)定開機的初始狀態(tài)為引導(dǎo)狀態(tài)，此時D7的輸出狀態(tài)量“引導(dǎo)斷開”信號為低電平，從而保證了無論手輪拉出或推入都會在D3A(54LS00)的輸出端形成“引導(dǎo)”狀態(tài)量送往計算機，只是當手輪拉出時，微動開關(guān)K1斷開，K1的2點被電阻R5拉成低電平，故沒有“允許手控”信號形成，只有當手輪推入時，微動開關(guān)K1閉合，“允許手控”信號形成，并通過D6送往主機，并通過付機通知跟蹤組合可隨時控制系統(tǒng)進入跟蹤狀態(tài)。
    手輪推入為“允許手控”信號的建立時刻，它的建立不應(yīng)清除先前建立的“引導(dǎo)”信號，即此時系統(tǒng)仍工作在“引導(dǎo)”狀態(tài)。
    當輸出接口芯片D7(54LS373)的輸出狀態(tài)量“引導(dǎo)斷開”信號變高時，說明跟蹤組合已進入了跟蹤狀態(tài)，此時D3A(54LS00)的輸出端變低，即“引導(dǎo)”信號被清除，使系統(tǒng)脫離“引導(dǎo)”狀態(tài)。
    在“跟蹤”狀態(tài)下再次進入“引導(dǎo)”狀態(tài)時，只需將手輪拉出，這時，送入計算機的“引導(dǎo)”信號變高，從而控制系統(tǒng)再次進入“引導(dǎo)”狀態(tài)。
2．2 引導(dǎo)控制脈沖的產(chǎn)生
    在引導(dǎo)狀態(tài)下，轉(zhuǎn)動ε、R、β引導(dǎo)手輪(圖中只畫出了ε平面)，便可實現(xiàn)對天線的位置控制。引導(dǎo)手輪轉(zhuǎn)動時，帶動減速機構(gòu)和各自的光電碼盤轉(zhuǎn)動，光電碼盤輸出的光電脈沖，經(jīng)整形電路、方向判別電路的處理，完成對光電脈沖的整形和方向的判別，即當手輪正轉(zhuǎn)時，輸出正轉(zhuǎn)脈沖，反轉(zhuǎn)時輸出反轉(zhuǎn)脈沖。ε、R、β三個平面的正、反轉(zhuǎn)脈沖分別送到可編程接口芯片8253，8253是一種通用的計數(shù)器／定時器，它具有三個功能完全相同的計數(shù)器和一個控制寄存器。所以譯碼器D9(54LS138)需分配四個口地址給一片8253芯片。三個引導(dǎo)手輪產(chǎn)生的六路脈沖分別送到兩片8253的六個計數(shù)器的輸入端(圖中只畫出了ε平面即一片8253)，系統(tǒng)初始化時，計算機通過程序?qū)?253置為外部事件計數(shù)器，并給每個計數(shù)器賦以計數(shù)初值，工作時，六個計數(shù)器分別對六路脈沖進行遞減計數(shù)，計算機用閂鎖操作的方式讀人正在計數(shù)狀態(tài)的計數(shù)值，形成ε、R、β平面坐標位置的控制量。
2．3 “搜索”控制信號的建立和清除
    系統(tǒng)在引導(dǎo)狀態(tài)，可用“搜索”的方式控制天線發(fā)現(xiàn)目標。由圖1可見，搜索狀態(tài)量的建立是通過按鈕S1和觸發(fā)器D1A(54S74)完成的，54S74是兩個獨立的正沿觸發(fā)的D型觸發(fā)器，每個觸發(fā)器都有獨立的直接置位、直接復(fù)位的功能。為了信號的可靠傳輸，我們將54S74接成直接置位、直接復(fù)位的工作方式，它的輸入端接收開關(guān)或按鈕的動作，當置位條件滿足時，其輸出端便建立起相應(yīng)的狀態(tài)量，并通過接口芯片D6(54LS373)送入計算機，從而控制天線進行搜索。D1A(54S74)的復(fù)位端(第1腳)接有由或非門D2A(54LS25)構(gòu)成的狀態(tài)量清除電路，當系統(tǒng)“復(fù)位”時，或按下“搜索停止”時，均可使觸發(fā)器D1A(54S74)復(fù)位，以清除先前建立的“搜索”狀態(tài)量。

3 跟蹤控制接口電路設(shè)計
3．1 跟蹤控制信號的建立和清除
    系統(tǒng)在引導(dǎo)狀態(tài)下，當雷達天線發(fā)現(xiàn)目標后，可分別將引導(dǎo)組合的ε、R、β引導(dǎo)手輪推入，產(chǎn)生三個平面的“允許手控”指令，經(jīng)由主機、付機從而控制天線進入跟蹤狀態(tài)。在跟蹤狀態(tài)，ε、R、β三個平面均有“手控”“自動”、“天線自動”三種工作方式，其跟蹤精度依次而高。圖2為ε平面跟蹤控制電路圖。由圖可見，“允許手控”、“手控”、“自動”、“天線自動”這四個控制信號組成一個有序的狀態(tài)量鏈條，它們的建立必須依從以下的順序依次建立，而不能超越。
    允許手控→手控→自動→天線自動．
    其中，“允許手控”是基礎(chǔ)，當將引導(dǎo)手輪拉出時，上述鏈條立即失效，系統(tǒng)又回到引導(dǎo)狀態(tài)。

    由圖2可見，當按下“手控”按鈕S1時，可建立“手控”控制信號，控制系統(tǒng)由“引導(dǎo)”狀態(tài)進入“手控”狀態(tài)，或由“自動”、“天線自動”狀態(tài)回到“手控”狀態(tài)。
    當按下“自動”按鈕S2時，可建立“自動”控制信號，控制系統(tǒng)由“手控”狀態(tài)進入“自動”狀態(tài)。
    當按下“天線自動”按鈕S3時，可建立“天線自動”控制信號，控制系統(tǒng)由“自動”狀態(tài)進入“天線自動”狀態(tài)。它并不清除先前建立的“自動”控制信號。
    當按下“天線自動斷開”按鈕S4時，可控制天線由“天線自動”狀態(tài)回到“自動”狀態(tài)。
3．2 跟蹤控制脈沖的產(chǎn)生
    在“手控”和“自動”工作狀態(tài)，系統(tǒng)對天線的控制是通過轉(zhuǎn)動跟蹤操縱臺上的兩個模球從而控制天線對目標進行跟蹤的。其中的一個模球控制ε／R兩個平面，即當其水平方向轉(zhuǎn)動時，可產(chǎn)生ε平面的控制脈沖，當其垂直方向轉(zhuǎn)動時，可產(chǎn)生R平面的控制脈沖；另一個模球則控制盧平面。圖2僅畫出了ε平面的模球示意圖。
    模球是一個在任意方向都可以轉(zhuǎn)動的球體，緊挨著球體，裝有兩個互成90度的磨擦輪，當球體轉(zhuǎn)動時，磨擦輪將其分解為X、Y兩個向量，兩個磨擦輪分別帶動一個光碼盤，模球轉(zhuǎn)動時，光碼盤輸出脈沖，其脈沖個數(shù)比例于模球在本方向上的轉(zhuǎn)角，可見，一個模球可以同時控制兩個座標。由于機械裝配的保證，模球轉(zhuǎn)動時，兩個光碼盤分別輸出A、B兩組脈沖，兩組脈沖在相位上相差90度，用此相位差可判別手輪轉(zhuǎn)動的方向。光碼盤輸出的控制脈沖經(jīng)過整形判別電路之后產(chǎn)生正轉(zhuǎn)脈沖和反轉(zhuǎn)脈沖，分別送到可編程接口芯片8253進行計數(shù)，其計數(shù)值被計算機實時讀取，經(jīng)處理后控制天線運動。

4 發(fā)射控制接口電路設(shè)計
4．1 發(fā)射控制信號的產(chǎn)生
    當天線和發(fā)射架處于同步狀態(tài)時，可以擇機進行發(fā)射。
    發(fā)射控制接口電路見圖3。

    由圖3可見，允許發(fā)射電路由D1(54LS00)、D2(54LS32)構(gòu)成，當發(fā)射架送來“準備好”信號，且發(fā)射架不在低空限制區(qū)域，發(fā)射時間在發(fā)射間隔之外時，按下“發(fā)射”按鈕，即有“發(fā)射”信號在觸發(fā)器D4A(54S74)的輸出端形成并通過輸入接口芯片D5(54LS373)送計算機(付機)，經(jīng)處理后控制發(fā)射架發(fā)射。
4．2 發(fā)射狀態(tài)的恢復(fù)
    由圖3可見，發(fā)射狀態(tài)的恢復(fù)電路由D3A、D3B(54LS04)和D6A(54LS25)組成。其恢復(fù)邏輯如下：
   
   

5 結(jié)束語
    用于實時控制系統(tǒng)的接口電路要求具有高度的合理性、可靠性和可維性。在滿足性能的前提下，要盡可能的簡單、實用。要精心設(shè)計，反復(fù)試驗，才不致于造成不應(yīng)有的損失和遺憾。