基于C8051F020型單片機(jī)的仿真隨動(dòng)舵輪的轉(zhuǎn)角檢測(cè)

張 芊，胡 猛

· （鎮(zhèn)江船艇學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

基于C8051F020型單片機(jī)的仿真隨動(dòng)舵輪的轉(zhuǎn)角檢測(cè)

張 芊，胡 猛

· （鎮(zhèn)江船艇學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

介紹了航海模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中仿真隨動(dòng)舵輪的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向的檢測(cè)方法，給出了該方法的工作原理和硬件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了軟件編程。該設(shè)計(jì)成本低廉、簡(jiǎn)單可靠，可推廣至任何角度檢測(cè)系統(tǒng)中。

隨動(dòng)舵；C8051F020；PCA

0 引言

航海模擬訓(xùn)練系統(tǒng)是通過(guò)模擬真實(shí)的船舶駕駛艙和電腦實(shí)時(shí)生成船舶航行過(guò)程中的虛擬視景等駕駛環(huán)境來(lái)訓(xùn)練正確的船舶駕駛操作。使用該裝置進(jìn)行訓(xùn)練是提高航海專業(yè)學(xué)生實(shí)操能力和積累航行經(jīng)驗(yàn)的有效途徑。訓(xùn)練者在利用航海模擬訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)操訓(xùn)練時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)隨動(dòng)舵輪，系統(tǒng)要能夠?qū)崟r(shí)地檢測(cè)出舵輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和角度，從而做出正確的操縱響應(yīng)[1-2]。本文介紹了一種低成本的基于 C8051F020型單片機(jī)的仿真隨動(dòng)舵輪的轉(zhuǎn)角檢測(cè)設(shè)計(jì)。

1 工作原理

本設(shè)計(jì)的基本原理是：仿真隨動(dòng)舵輪是一個(gè)可順時(shí)針或逆時(shí)針自由轉(zhuǎn)動(dòng)的圓形輪盤。自制一個(gè)圓周都是均勻方齒的圓盤(如圖1所示)與仿真舵輪同軸連接，將兩個(gè)槽型光電開(kāi)關(guān)安裝在圓盤上的任意兩個(gè)相鄰方齒附近，要讓方齒能夠嵌入在光電開(kāi)關(guān)的U形槽里，安裝位置如圖2所示。x1和x2即為兩個(gè)槽型光電開(kāi)關(guān)中心軸線的安裝位置，注意，x1和x2之間的距離不要恰好等于相鄰兩齒的中心間距，可以大于或者小于相鄰兩齒的中心間距。這樣，當(dāng)仿真舵輪往復(fù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，圓盤也隨之旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，根據(jù)方齒是否正好落在光電開(kāi)關(guān)的凹槽里面阻斷光軸，光電開(kāi)關(guān)可輸出高低不同的電平信號(hào)。隨舵輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，光電開(kāi)關(guān)不斷輸出脈沖，利用C8051F020單片機(jī)中PCA(Programmable Counter Array，可編程計(jì)數(shù)器陣列)的高速捕捉功能對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)即可知道舵輪的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向。

圖1 四周都是均勻鋸齒的圓盤

圖2 光電開(kāi)關(guān)安裝示意

2 硬件電路設(shè)計(jì)

C8051F020型單片機(jī)是C8051F系列單片機(jī)中的一款。C8051F系列是美國(guó)德克薩斯州的Cygnal公司設(shè)計(jì)和制造的混合信號(hào)片上系統(tǒng)單片機(jī)，主要模塊包括模擬外設(shè)、片內(nèi)JTAG調(diào)試和邊界掃描、高速控制器內(nèi)核、數(shù)字外設(shè)等幾個(gè)部分[3]。C8051F020有5個(gè)16位通用計(jì)數(shù)器和定時(shí)器，還有一個(gè)片內(nèi)可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列(PCA)。PCA(Programmable Counter Array)提供了1個(gè)專用的16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器和5個(gè)16位捕捉/比較模塊，其基本原理框圖如圖3所示。每個(gè)捕捉/比較模塊有獨(dú)立的I/O線(CEXn，n=0～4)。當(dāng)被允許時(shí)，這些I/O線通過(guò)交叉開(kāi)關(guān)連到I/O線端口。每個(gè)捕捉/比較模塊可被編程為獨(dú)立工作在下面的6種工作方式之一：邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時(shí)器、高速輸出、頻率輸出、8位PWM以及16位PWM。本設(shè)計(jì)中主要用到的就是C8051F020單片機(jī)中PCA的邊沿觸發(fā)捕捉功能。在該方式下，若CEXn引腳輸入信號(hào)發(fā)生跳變，則PCA0將定時(shí)/計(jì)數(shù)寄存器的值讀進(jìn)相應(yīng)模塊的16位捕捉/比較寄存器中，從而保證在每個(gè)輸入脈沖邊沿PCA計(jì)數(shù)器值被準(zhǔn)確記錄[4]。

圖3 PCA原理框圖

槽型對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)，是一款紅外線感應(yīng)光電產(chǎn)品，由紅外線發(fā)射管(發(fā)光二極管)和紅外線接收管(光敏三極管)組合成。其發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，沒(méi)有阻隔時(shí)接收器可直接接收到發(fā)射管發(fā)出的光軸，而一旦有物體落在U型槽內(nèi)且阻斷光軸時(shí)，接收器將無(wú)法接收到發(fā)射管發(fā)出的光軸。硬件電路如圖4所示，光電開(kāi)關(guān)的E腳接地，C腳則通過(guò)上拉電阻接電源正極。當(dāng)圓盤四周的方齒正好落在槽型光電開(kāi)關(guān)的U型槽里時(shí)，光電開(kāi)關(guān)中的接收管截止，C腳輸出高電平；而當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，方齒移開(kāi)后，光電開(kāi)關(guān)中的接收管飽和導(dǎo)通，C腳輸出低電平。這樣在舵輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，光電開(kāi)關(guān)就不斷的輸出脈沖信號(hào)，采用施密特觸發(fā)器74LS14對(duì)輸出脈沖進(jìn)行整形反向，然后將安裝在x2位置的光電開(kāi)關(guān)的輸出連接到C8051F020單片機(jī)中PCA的CEX0引腳，利用其進(jìn)行轉(zhuǎn)角計(jì)算；安裝在x1位置的光電開(kāi)關(guān)的輸出則接到單片機(jī)的數(shù)字I/O口上，作為控制信號(hào)CTR用來(lái)判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在仿真舵輪不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)光電開(kāi)關(guān)都截止，輸出都是1，而當(dāng)舵輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于安裝位置的不一樣，x2位置的光電開(kāi)關(guān)將先導(dǎo)通，輸出從1變?yōu)?，此時(shí)x1位置的光電開(kāi)關(guān)還處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出為1。定義單片機(jī)的PCA工作在正邊沿捕捉模式下，一旦舵輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，CEX0被上升沿觸發(fā)，進(jìn)入中斷后讀取CTR的值，若為0，判斷舵輪此時(shí)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)數(shù)值累加。反之，舵輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，安裝在x2位置的光電開(kāi)關(guān)由截止變?yōu)閷?dǎo)通時(shí)，x1位置的光電開(kāi)關(guān)已經(jīng)先導(dǎo)通，輸出為0，即CEX0接受到了上升沿使單片機(jī)進(jìn)入中斷后讀取的CTR為1，這樣便判斷舵為逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)數(shù)值遞減。計(jì)數(shù)值的正負(fù)可體現(xiàn)舵的方向，若PCA的計(jì)數(shù)值大于0，此時(shí)隨動(dòng)舵為右舵；PCA的計(jì)數(shù)值小于0，此時(shí)隨動(dòng)舵為左舵。計(jì)數(shù)值的大小可反映舵角的變化?？紤]到真實(shí)的船舶駕駛過(guò)程中，一般是隨動(dòng)舵輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，真實(shí)舵角變化10°左右。即舵角=觸發(fā)脈沖個(gè)數(shù)÷圓周方齒個(gè)數(shù)×10°。由此可見(jiàn)，圓周的方齒數(shù)量決定了舵角指示的精度，方齒數(shù)量越多則舵角指示越準(zhǔn)確。在正常情況下，自制圓盤周邊超過(guò)30齒，即可滿足正常航海模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的需求。

圖4 硬件電路

3 海上補(bǔ)給試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。初始化以后計(jì)數(shù)初值為0，等待由CEXO引入的外部脈沖信號(hào)，一旦上升沿觸發(fā)CCF中斷后，讀取CTR值，若為1，計(jì)數(shù)值累加；若為0，計(jì)數(shù)值遞減。對(duì)計(jì)數(shù)值進(jìn)行換算可得到仿真隨動(dòng)舵轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。以圓周上有50個(gè)方齒的圓盤為例，每個(gè)觸發(fā)脈沖所代表的就是舵角變化10°/50=0.2°。故計(jì)數(shù)值每次累加或者遞減時(shí)舵角便相應(yīng)變化0.2°。最后將CCF位進(jìn)行軟件清O，出中斷。主程序流程如圖5所示，PCA中斷處理程序流程如圖6所示。

圖5 主程序流程圖

圖6 PCA中斷處理程序流程圖

下面給出主程序的源代碼：

4 實(shí)例應(yīng)用

本文提出了一種利用C8051F020型單片機(jī)中PCA的高速捕捉功能進(jìn)行航海模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中仿真隨動(dòng)舵輪轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)向測(cè)量的方法。該方法簡(jiǎn)單可靠、方便實(shí)用、成本低廉，并可推廣至任何角度的檢測(cè)系統(tǒng)中。運(yùn)用這一技術(shù)控制的仿真隨動(dòng)舵輪已經(jīng)成功地應(yīng)用到研制新型航海模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中。訓(xùn)練結(jié)果表明：利用該設(shè)計(jì)仿真隨動(dòng)舵能準(zhǔn)確地指示訓(xùn)練者操作船舶航行的方向，仿真效果好、工作穩(wěn)定可靠。

[1]胡定軍,張 芊.船舶操縱模擬器的隨動(dòng)舵測(cè)量方法[J].船海工程,2008,37(1):129-131.

[2]張 芊,趙 柯.船舶操縱模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中的隨動(dòng)舵設(shè)計(jì)[J].機(jī)電設(shè)備,2012,3(29):64-66.

[3]童長(zhǎng)飛.C8051F系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)與C語(yǔ)言編程[M].北京:北京航天航空大學(xué)出版社,2005.

[4]張培仁,孫 力.基于C語(yǔ)言C8051F系列微控制器原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

Method for Measuring Rudder of Ship Handling Simulator Based on C8051F020

ZHANG Qian,HU Meng
(Zhenjiang Watercraft College,Zhenjiang 212003,China)

This paper introduces the method for measuring the rudder of ship handling simulator based on C8051F020.The realization of the method，hardware structure of technology and software design are given.The design is low-cost,simple and reliable,which can be extended to any angle detection system.

rudder; C8051F020; programmable counter array (PCA)

U663

A

張芊（1979-），女，碩士，副教授，研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化、計(jì)算機(jī)仿真與應(yīng)用。