一種新型的運動平臺數(shù)/模轉換電路設計

　　引言

　　飛行模擬器的運動平臺系統(tǒng)一般由機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。數(shù)/模轉換電路是控制系統(tǒng)的的核心，它要把經(jīng)運動平臺算法解算出的各液壓缸伸縮量的數(shù)字信號轉換成模擬量信號，然后經(jīng)濾波放大、電液伺服閥后，由電液伺服閥驅動各液壓缸運動，進而驅動運動平臺仿真飛機飛行時的各種姿態(tài)及地面滑跑、著陸及放起落架時的振動等。

　　數(shù)/模轉換電路一般使用專門的D/A轉換器，D/A轉換器的種類比較多，如有權電阻網(wǎng)絡型、倒T型電阻網(wǎng)絡型、權電流型、開關數(shù)型、權電容網(wǎng)絡型、串行輸入型等，本文利用Intel 8254設計了一種簡單實用的數(shù)模轉換(D/A)電路，并應用于飛行模擬器三自由度運動平臺控制系統(tǒng)中。

　　1 運動平臺控制系統(tǒng)組成

　　三自由度運動平臺控制系統(tǒng)硬件由平臺控制計算機、接口系統(tǒng)、濾波功放板、看門狗電路和液壓伺服系統(tǒng)組成，接口系統(tǒng)包括D/A，A/D轉換電路(見圖1)。通過主計算機接收到飛行方程解算出的與控制平臺有關的各種信息，由平臺控制計算機進行處理，經(jīng)數(shù)/模轉換(D/A)、濾波、功放成為伺服閥控制指令，驅動液壓缸平滑、穩(wěn)定的伸縮，實時產(chǎn)生和被模擬的飛機相似的過載、姿態(tài)、振動等運動信息。液壓缸的伸長量經(jīng)位移傳感器送給比較放大器，形成硬件閉環(huán)控制，位移信號經(jīng)模/數(shù)轉換(A/D)，送給平臺控制計算機，用來對平臺極限位置的限制。同時，由看門狗電路實時監(jiān)視控制電路的工作情況，確保運動平臺的安全。控制系統(tǒng)硬件電路的核心為自行研制的D/A轉換電路及看門狗電路。

　　2 D/A轉換電路

　　三自由度運動平臺數(shù)/模轉換電路主要由74LS138譯碼器、可編程定時器/計數(shù)器芯片8254、8位數(shù)據(jù)緩存器74LS245等組成，核心元件是可編程定時器/計數(shù)器芯片8254。

　　2.1 8254簡介

　　可編程定時器/計數(shù)器是為方便計算機系統(tǒng)的設計和應用而研制的，定時值及其范圍可以很容易地由軟件來控制和改變，能夠滿足各種不同的定時和計數(shù)要求，因此得到廣泛應用。8254是Intel公司生產(chǎn)的通用定時/計數(shù)器，是在8253的基礎上稍加改進而推出的改進型產(chǎn)品，兩者硬件組成和引腳完全相同。

　　8254是24腳雙列直插式芯片，用+5 V電源供電。芯片內有3個相互獨立的16位定時/計數(shù)器。主要管腳如圖2所示。

　　數(shù)據(jù)線D0～D7與CPU的數(shù)據(jù)總線相連接，是雙向三態(tài)的數(shù)據(jù)線，用于與CPU交換信息。讀信號RD是一個低電平有效的由CPU發(fā)來的控制信號，RD信號通知8254，CPU要讀8254中的某個通道的計數(shù)值或狀態(tài)字，也就是說由RD來讀取8254中的某個計數(shù)器的相關內容;WR是一個低電平有效的由CPU發(fā)來的控制信號，CPU通過此信號向8254發(fā)送控制字和計數(shù)值;片選信號CS是一個低電平有效的信號，CPU用此信號來選擇8254。在芯片不被選中的情況下，讀信號和寫信號沒有意義，也不起作用;地址線A1，A0一般接到系統(tǒng)地址總線的A1，A0上，它們的功能是編碼選擇3個通道和1個控制寄存器，其端口編碼略，CS，RD，WR，A1和A0組合起來才能對寄存器進行選擇和操作。

　　CLK0～CLK2是3個通道的外部時鐘脈沖收入線，是8254作計數(shù)器或定時器的計數(shù)脈沖;GATE0～GATE2是3個通道的門控信號輸入線，高電平有效，用于啟動或禁止通道工作的外部信號;OUT0～OUT2是3個通道的計數(shù)為0/定時時間到脈沖輸出線，輸出波形取決于8254通道的工作方式。

　　8254的每一個計數(shù)器都有6種工作方式。不同的工作方式下，計數(shù)過程的啟動方式不同，OUT端的輸出波形不同，自動重復功能、GATE的控制作用以及更新計數(shù)初值對計數(shù)過程的影響也不完全相同。同一芯片中的3個計數(shù)器，可以分別編程選擇不同的工作方式。三自由度運動平臺數(shù)/模轉換電路中的計數(shù)器使用了方式1和方式2。

　　2.1.1 工作方式1

　　8254工作方式1——可編程單次脈沖，是一種硬件啟動計數(shù)工作方式，不能自動重復但通過GATE的正跳變可使計數(shù)過程重新開始。在寫入方式1的控制字后，OUT成為高電平，在寫入計數(shù)初值后，要等GATE信號出現(xiàn)正跳變時才能開始計數(shù)。在下一個CLK脈沖到來后，OUT變低，將計數(shù)初值送入計數(shù)器并開始減1計數(shù)，直到計數(shù)器減到0后OUT變?yōu)楦唠娖健?/p>

　　計數(shù)過程一旦啟動，GATE即使變成低電平也不會使計數(shù)中止。計數(shù)完成后若GATE再來一個正跳變，計數(shù)過程又重復1次。也就是說對應GATE的每一個正跳變，計數(shù)器都輸出1個寬度為N*TCLK(其中N為計數(shù)初值，TCLK為CLK信號的周期)的負脈沖，因此稱這種方式為可編程單次脈沖方式，計數(shù)初值N=3的工作波形圖如圖3所示。