實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

摘要：在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)無(wú)疑是整個(gè)系統(tǒng)的核心，當(dāng)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的計(jì)算機(jī)被選定之后，控制接口的設(shè)計(jì)幾乎就是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的全部。所以，控制接口在實(shí)時(shí)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(gè)系統(tǒng)的品質(zhì)，應(yīng)當(dāng)精心地設(shè)計(jì)并給予高度的關(guān)注。據(jù)此以某實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)控制；控制接口；設(shè)計(jì)

0 引言
    “實(shí)時(shí)控制”是指計(jì)算機(jī)對(duì)外部信息以足夠快的速度進(jìn)行處理、并作出反應(yīng)的一種控制。在實(shí)時(shí)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(guò)程的角度而言，所謂計(jì)算機(jī)控制實(shí)際上就是接口控制，即接口控制著整個(gè)系統(tǒng)。所以，應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的硬件設(shè)計(jì)就是控制接口的設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的控制接口的性能直接影響著整個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的性能。所以控制接口的設(shè)計(jì)在計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中占有十分重要的地位，它把并不面向?qū)崟r(shí)控制的通用計(jì)算機(jī)改造成面向?qū)崟r(shí)控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在受控對(duì)象和通用計(jì)算機(jī)之間起著一個(gè)雙向匹配器的作用。一個(gè)設(shè)計(jì)完好的控制接口，不但會(huì)方便軟件設(shè)計(jì)，為控制軟件功能的實(shí)施提供強(qiáng)有力的硬件支持，而且還能確保整個(gè)系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。
    下面以某實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)為例，來(lái)闡述其控制接口的設(shè)計(jì)。

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(dá)天線實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的搜索；
    ·在跟蹤狀態(tài)，控制雷達(dá)天線實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的手控及全自動(dòng)跟蹤；
    ·控制發(fā)射架與天線同步轉(zhuǎn)動(dòng)；
    ·實(shí)施發(fā)射控制。
1．2 系統(tǒng)組成
    系統(tǒng)主要由主計(jì)算機(jī)(簡(jiǎn)稱主機(jī))和付計(jì)算機(jī)(簡(jiǎn)稱付機(jī))及控制接口電路組成，主機(jī)主要完成對(duì)天線的引導(dǎo)控制，付機(jī)主要完成對(duì)天線的手控跟蹤、自動(dòng)跟蹤、全自動(dòng)跟蹤和對(duì)發(fā)射架的控制。
    ·主機(jī)與付機(jī)通過(guò)8255并行通訊口，實(shí)施應(yīng)答式通訊，完成主機(jī)與付機(jī)的數(shù)據(jù)交換。
    ·付機(jī)通過(guò)8251串行通訊口，完成對(duì)天線的實(shí)時(shí)控制。
    ·付機(jī)通過(guò)8255并行通訊口，控制交流D／A變換器形成控制電壓，完成對(duì)發(fā)射架的控制。

2 引導(dǎo)控制接口電路設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)在引導(dǎo)狀態(tài)下可控制天線粗略地跟蹤目標(biāo)或用搜索的方式發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。
    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(hào)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(jì)算機(jī)的輸入、輸出通道。136接收并鎖存標(biāo)志系統(tǒng)狀態(tài)的開(kāi)關(guān)信號(hào)，供計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)讀取，以控制系統(tǒng)進(jìn)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(kāi)機(jī)的初始狀態(tài)為引導(dǎo)狀態(tài)，此時(shí)D7的輸出狀態(tài)量“引導(dǎo)斷開(kāi)”信號(hào)為低電平，從而保證了無(wú)論手輪拉出或推入都會(huì)在D3A(54LS00)的輸出端形成“引導(dǎo)”狀態(tài)量送往計(jì)算機(jī)，只是當(dāng)手輪拉出時(shí)，微動(dòng)開(kāi)關(guān)K1斷開(kāi)，K1的2點(diǎn)被電阻R5拉成低電平，故沒(méi)有“允許手控”信號(hào)形成，只有當(dāng)手輪推入時(shí)，微動(dòng)開(kāi)關(guān)K1閉合，“允許手控”信號(hào)形成，并通過(guò)D6送往主機(jī)，并通過(guò)付機(jī)通知跟蹤組合可隨時(shí)控制系統(tǒng)進(jìn)入跟蹤狀態(tài)。
    手輪推入為“允許手控”信號(hào)的建立時(shí)刻，它的建立不應(yīng)清除先前建立的“引導(dǎo)”信號(hào)，即此時(shí)系統(tǒng)仍工作在“引導(dǎo)”狀態(tài)。
    當(dāng)輸出接口芯片D7(54LS373)的輸出狀態(tài)量“引導(dǎo)斷開(kāi)”信號(hào)變高時(shí)，說(shuō)明跟蹤組合已進(jìn)入了跟蹤狀態(tài)，此時(shí)D3A(54LS00)的輸出端變低，即“引導(dǎo)”信號(hào)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(jìn)入“引導(dǎo)”狀態(tài)時(shí)，只需將手輪拉出，這時(shí)，送入計(jì)算機(jī)的“引導(dǎo)”信號(hào)變高，從而控制系統(tǒng)再次進(jìn)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(dòng)ε、R、β引導(dǎo)手輪(圖中只畫(huà)出了ε平面)，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)天線的位置控制。引導(dǎo)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)減速機(jī)構(gòu)和各自的光電碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，光電碼盤(pán)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(duì)光電脈沖的整形和方向的判別，即當(dāng)手輪正轉(zhuǎn)時(shí)，輸出正轉(zhuǎn)脈沖，反轉(zhuǎn)時(shí)輸出反轉(zhuǎn)脈沖。ε、R、β三個(gè)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(jì)數(shù)器／定時(shí)器，它具有三個(gè)功能完全相同的計(jì)數(shù)器和一個(gè)控制寄存器。所以譯碼器D9(54LS138)需分配四個(gè)口地址給一片8253芯片。三個(gè)引導(dǎo)手輪產(chǎn)生的六路脈沖分別送到兩片8253的六個(gè)計(jì)數(shù)器的輸入端(圖中只畫(huà)出了ε平面即一片8253)，系統(tǒng)初始化時(shí)，計(jì)算機(jī)通過(guò)程序?qū)?253置為外部事件計(jì)數(shù)器，并給每個(gè)計(jì)數(shù)器賦以計(jì)數(shù)初值，工作時(shí)，六個(gè)計(jì)數(shù)器分別對(duì)六路脈沖進(jìn)行遞減計(jì)數(shù)，計(jì)算機(jī)用閂鎖操作的方式讀人正在計(jì)數(shù)狀態(tài)的計(jì)數(shù)值，形成ε、R、β平面坐標(biāo)位置的控制量。
2．3 “搜索”控制信號(hào)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(biāo)。由圖1可見(jiàn)，搜索狀態(tài)量的建立是通過(guò)按鈕S1和觸發(fā)器D1A(54S74)完成的，54S74是兩個(gè)獨(dú)立的正沿觸發(fā)的D型觸發(fā)器，每個(gè)觸發(fā)器都有獨(dú)立的直接置位、直接復(fù)位的功能。為了信號(hào)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(kāi)關(guān)或按鈕的動(dòng)作，當(dāng)置位條件滿足時(shí)，其輸出端便建立起相應(yīng)的狀態(tài)量，并通過(guò)接口芯片D6(54LS373)送入計(jì)算機(jī)，從而控制天線進(jìn)行搜索。D1A(54S74)的復(fù)位端(第1腳)接有由或非門(mén)D2A(54LS25)構(gòu)成的狀態(tài)量清除電路，當(dāng)系統(tǒng)“復(fù)位”時(shí)，或按下“搜索停止”時(shí)，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(jì)
3．1 跟蹤控制信號(hào)的建立和清除
    系統(tǒng)在引導(dǎo)狀態(tài)下，當(dāng)雷達(dá)天線發(fā)現(xiàn)目標(biāo)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(gè)平面的“允許手控”指令，經(jīng)由主機(jī)、付機(jī)從而控制天線進(jìn)入跟蹤狀態(tài)。在跟蹤狀態(tài)，ε、R、β三個(gè)平面均有“手控”“自動(dòng)”、“天線自動(dòng)”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(jiàn)，“允許手控”、“手控”、“自動(dòng)”、“天線自動(dòng)”這四個(gè)控制信號(hào)組成一個(gè)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(dòng)→天線自動(dòng)．
    其中，“允許手控”是基礎(chǔ)，當(dāng)將引導(dǎo)手輪拉出時(shí)，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(jiàn)，當(dāng)按下“手控”按鈕S1時(shí)，可建立“手控”控制信號(hào)，控制系統(tǒng)由“引導(dǎo)”狀態(tài)進(jìn)入“手控”狀態(tài)，或由“自動(dòng)”、“天線自動(dòng)”狀態(tài)回到“手控”狀態(tài)。
    當(dāng)按下“自動(dòng)”按鈕S2時(shí)，可建立“自動(dòng)”控制信號(hào)，控制系統(tǒng)由“手控”狀態(tài)進(jìn)入“自動(dòng)”狀態(tài)。
    當(dāng)按下“天線自動(dòng)”按鈕S3時(shí)，可建立“天線自動(dòng)”控制信號(hào)，控制系統(tǒng)由“自動(dòng)”狀態(tài)進(jìn)入“天線自動(dòng)”狀態(tài)。它并不清除先前建立的“自動(dòng)”控制信號(hào)。
    當(dāng)按下“天線自動(dòng)斷開(kāi)”按鈕S4時(shí)，可控制天線由“天線自動(dòng)”狀態(tài)回到“自動(dòng)”狀態(tài)。
3．2 跟蹤控制脈沖的產(chǎn)生
    在“手控”和“自動(dòng)”工作狀態(tài)，系統(tǒng)對(duì)天線的控制是通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)跟蹤操縱臺(tái)上的兩個(gè)模球從而控制天線對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤的。其中的一個(gè)模球控制ε／R兩個(gè)平面，即當(dāng)其水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可產(chǎn)生ε平面的控制脈沖，當(dāng)其垂直方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可產(chǎn)生R平面的控制脈沖；另一個(gè)模球則控制盧平面。圖2僅畫(huà)出了ε平面的模球示意圖。
    模球是一個(gè)在任意方向都可以轉(zhuǎn)動(dòng)的球體，緊挨著球體，裝有兩個(gè)互成90度的磨擦輪，當(dāng)球體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磨擦輪將其分解為X、Y兩個(gè)向量，兩個(gè)磨擦輪分別帶動(dòng)一個(gè)光碼盤(pán)，模球轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光碼盤(pán)輸出脈沖，其脈沖個(gè)數(shù)比例于模球在本方向上的轉(zhuǎn)角，可見(jiàn)，一個(gè)模球可以同時(shí)控制兩個(gè)座標(biāo)。由于機(jī)械裝配的保證，模球轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)光碼盤(pán)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(dòng)的方向。光碼盤(pán)輸出的控制脈沖經(jīng)過(guò)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(jìn)行計(jì)數(shù)，其計(jì)數(shù)值被計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)讀取，經(jīng)處理后控制天線運(yùn)動(dòng)。

4 發(fā)射控制接口電路設(shè)計(jì)
4．1 發(fā)射控制信號(hào)的產(chǎn)生
    當(dāng)天線和發(fā)射架處于同步狀態(tài)時(shí)，可以擇機(jī)進(jìn)行發(fā)射。
    發(fā)射控制接口電路見(jiàn)圖3。

    由圖3可見(jiàn)，允許發(fā)射電路由D1(54LS00)、D2(54LS32)構(gòu)成，當(dāng)發(fā)射架送來(lái)“準(zhǔn)備好”信號(hào)，且發(fā)射架不在低空限制區(qū)域，發(fā)射時(shí)間在發(fā)射間隔之外時(shí)，按下“發(fā)射”按鈕，即有“發(fā)射”信號(hào)在觸發(fā)器D4A(54S74)的輸出端形成并通過(guò)輸入接口芯片D5(54LS373)送計(jì)算機(jī)(付機(jī))，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(jiàn)，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(yǔ)
    用于實(shí)時(shí)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(jiǎn)單、實(shí)用。要精心設(shè)計(jì)，反復(fù)試驗(yàn)，才不致于造成不應(yīng)有的損失和遺憾。