基于8051的運載器時序等效器設(shè)計

中國人民解放軍戰(zhàn)略支援部隊航天工程大學(xué) 姚凱豐 姚靜波

1 引言

新一代運載火箭對火箭發(fā)射的測試周期、測試精度、可靠性及工作連續(xù)性提出了新的要求。由于需要測試的時序路數(shù)多，傳統(tǒng)的數(shù)字信號發(fā)生器和等效器對地面測設(shè)設(shè)備難以滿足需求，“因此，在某特定使用環(huán)境下，要求對系統(tǒng)的動作時序進(jìn)行較為準(zhǔn)確的測量”[1]，來模擬箭機產(chǎn)生和輸出時序時串信號，對運載火箭箭地信息檢測分析系統(tǒng)時序時串部分進(jìn)行校準(zhǔn)測試，可有效提高測試效率，增加測得數(shù)據(jù)可靠性。

2 時序系統(tǒng)測試需求

一個實用的等效器調(diào)試系統(tǒng)必須具備完備的調(diào)試功能，本文設(shè)計的基于8051的調(diào)試系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能和特性：①能夠使CPU正常運行(RUN)和復(fù)位。②用數(shù)碼管實時顯示改變的周期和脈寬值。③利用獨立按鍵來調(diào)節(jié)周期、脈寬值；并可以由用戶編程實現(xiàn)時序信號組合輸出。④使用四個I/O口來進(jìn)行I/O口的擴(kuò)展。⑤能夠進(jìn)行多次調(diào)試且不相互影響。

3 硬件設(shè)計

以8051單片機作為基礎(chǔ)硬件設(shè)計測試系統(tǒng)，系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、性價比高等特點?！巴ㄟ^接口電纜和計算機串口或并口直接相連，用戶僅需在計算機上操作軟件，即可實時精確的控制8051單片機”[2]。

3.1 顯示設(shè)計

“用微控制器實現(xiàn)對多位數(shù)碼管的控制就是一個較實用的例子”[3]。數(shù)碼管有八個發(fā)光二極管，分別是七個條形和一個小圓點。各管的亮暗不同則對應(yīng)組合成的字符也不同。數(shù)碼管的10根管腳排列如圖1。按照接線形式不同分為共陰極和共陽極兩種內(nèi)部發(fā)光二極管，其中COM為公共端。（本實驗所用數(shù)碼管為共陽極）

圖1 數(shù)碼管接線圖

3.2 鍵盤設(shè)計

4個獨立按鍵接到P3口如圖2所示，按鍵的一端接地，另一端通過電阻接電源。當(dāng)按鍵按下時，輸入到單片機I/O口的是低電平；當(dāng)按鍵沒有按下時，輸入到單片機I/O口的是高電平。

3.3 I/O端口的擴(kuò)展

“74HC595的工作原理是通過串行輸入、并行輸出來對I/O端口進(jìn)行擴(kuò)展”。單片機系統(tǒng)I/O端口數(shù)量有限的問題在這里也就迎刃而解了。本文4個I/O端口直接實現(xiàn)了傳統(tǒng)并行技術(shù)中需要64個端口實現(xiàn)的功能。實驗結(jié)果表明，74HC595芯片擴(kuò)展I/O口的效果良好。

圖2 獨立按鍵引腳圖

4 等效器軟件設(shè)計

4.1 軟件需求

軟件擬實現(xiàn)功能如下：

（1）信號發(fā)生功能

軟件可編輯順序發(fā)生的寬度間隔可變時序、時串信號，也可按預(yù)先編輯好的時序時串產(chǎn)生信號。

（2）顯示功能

可用數(shù)值方式顯示時序信號的脈寬、信號重復(fù)發(fā)生間隔（采樣周期可以根據(jù)用戶要求由技術(shù)人員進(jìn)行更改）

（3）存儲功能

可以將編輯好的時序時串存到芯片寄存器內(nèi)，方便再次調(diào)出。

（4）實時調(diào)節(jié)功能

利用設(shè)計的獨立按鍵來調(diào)節(jié)周期、脈寬。

4.2 顯示設(shè)計

數(shù)碼管顯示的字形碼，由單片機的位選通電路來控制。當(dāng)單片機輸出字形碼時，八個數(shù)碼管都會同時接到相同的信號。如果要實現(xiàn)某一位或某幾位的字形碼輸出，需要對選通COM端進(jìn)行控制。

4.3 鍵盤設(shè)計

單片機上的獨立按鍵按下的過程實質(zhì)上是利用機械觸點閉合、斷開產(chǎn)生的效應(yīng)。彈性作用下的機械點的狀態(tài)的改變會導(dǎo)致產(chǎn)生5-10ms的抖動。因此，人員的按鍵動作對穩(wěn)定的閉合時間就產(chǎn)生了很大的影響。一般為0.5s-3s左右。因此，在編程時，需要人為地通過編寫程序來消除抖動的影響。

具體實現(xiàn)過程如下，先判斷是否按下了按鍵，若按下則延時10ms，此時再次判斷按鍵的按下狀態(tài)，若按鍵確實被按下，則釋放等待鍵，一旦鍵釋放后，則再延時10ms。此時對按鍵的釋放狀態(tài)進(jìn)行判斷，若判斷結(jié)果為是，則說明按鍵被釋放了，否則說明此信號為干擾信號。在一次完整的按鍵后，可以連接該鍵對應(yīng)的功能程序段，以實現(xiàn)特定的功能。

5 定時器設(shè)計

“8051單片機定時器工作方式1的計數(shù)位數(shù)是16位”，其中，TL0由控制低8位的計數(shù)、TH0控制高8位的計數(shù)，它們共同組成16位加1計數(shù)器。

圖3 定時器方式1的工作方式

6 測試結(jié)果分析

時串信號（隔離）調(diào)理器將輸入信號范圍為20-40V的時序信號進(jìn)行隔離調(diào)理，調(diào)理后送時串信號綜合輸出模塊進(jìn)行處理。輸入電平低于14V的時串信號不予接收。時序開關(guān)信號輸入電路如圖4所示。

圖4 時序開關(guān)信號輸入電路

7 結(jié)論

時序時串等效器不同于其他等效器在于，時序時串信號的輸出可以自行定義，在外接電源的時序時串等效器下，輸入/輸出信號不同的情況下，周期、脈寬都可以改變。