实时控制系统接口设计

摘要：在实时控制系统中，计算机无疑是整个系统的核心，当满足系统设计要求的计算机被选定之后，控制接口的设计几乎就是系统硬件设计的全部。所以，控制接口在实时控制系统中有着十分重要的地位，其性能的好坏，直接影响着整个系统的品质，应当精心地设计并给予高度的关注。据此以某实时控制系统为例，以具体的电路，阐述了控制接口在系统中的重要作用。
关键词：实时控制；控制接口；设计

0 引言
    “实时控制”是指计算机对外部信息以足够快的速度进行处理、并作出反应的一种控制。在实时控制系统中，通常把各种支持电路统称为接口电路，即控制接口电路，从受控过程的角度而言，所谓计算机控制实际上就是接口控制，即接口控制着整个系统。所以，应用计算机进行实时控制的硬件设计就是控制接口的设计，所设计的控制接口的性能直接影响着整个实时控制系统的性能。所以控制接口的设计在计算机实时控制系统的设计中占有十分重要的地位，它把并不面向实时控制的通用计算机改造成面向实时控制的计算机系统，在受控对象和通用计算机之间起着一个双向匹配器的作用。一个设计完好的控制接口，不但会方便软件设计，为控制软件功能的实施提供强有力的硬件支持，而且还能确保整个系统安全可靠地运行。
    下面以某实时控制系统为例，来阐述其控制接口的设计。

1 系统的功能及组成
1．1 系统功能
    ·在引导状态，控制雷达天线实现对目标的搜索；
    ·在跟踪状态，控制雷达天线实现对目标的手控及全自动跟踪；
    ·控制发射架与天线同步转动；
    ·实施发射控制。
1．2 系统组成
    系统主要由主计算机(简称主机)和付计算机(简称付机)及控制接口电路组成，主机主要完成对天线的引导控制，付机主要完成对天线的手控跟踪、自动跟踪、全自动跟踪和对发射架的控制。
    ·主机与付机通过8255并行通讯口，实施应答式通讯，完成主机与付机的数据交换。
    ·付机通过8251串行通讯口，完成对天线的实时控制。
    ·付机通过8255并行通讯口，控制交流D／A变换器形成控制电压，完成对发射架的控制。

2 引导控制接口电路设计
    该系统在引导状态下可控制天线粗略地跟踪目标或用搜索的方式发现目标。
    图1为ε平面的引导控制接口电路。

2．1 “引导”和“允许手控”控制信号的建立和清除
    图1中，D6、D7(54LS373)分别为输入、输出接口芯片，构成控制接口电路与计算机的输入、输出通道。136接收并锁存标志系统状态的开关信号，供计算机实时读取，以控制系统进入相应的工作状态；D7则输出系统的状态信息给控制接口电路。
    系统设定开机的初始状态为引导状态，此时D7的输出状态量“引导断开”信号为低电平，从而保证了无论手轮拉出或推入都会在D3A(54LS00)的输出端形成“引导”状态量送往计算机，只是当手轮拉出时，微动开关K1断开，K1的2点被电阻R5拉成低电平，故没有“允许手控”信号形成，只有当手轮推入时，微动开关K1闭合，“允许手控”信号形成，并通过D6送往主机，并通过付机通知跟踪组合可随时控制系统进入跟踪状态。
    手轮推入为“允许手控”信号的建立时刻，它的建立不应清除先前建立的“引导”信号，即此时系统仍工作在“引导”状态。
    当输出接口芯片D7(54LS373)的输出状态量“引导断开”信号变高时，说明跟踪组合已进入了跟踪状态，此时D3A(54LS00)的输出端变低，即“引导”信号被清除，使系统脱离“引导”状态。
    在“跟踪”状态下再次进入“引导”状态时，只需将手轮拉出，这时，送入计算机的“引导”信号变高，从而控制系统再次进入“引导”状态。
2．2 引导控制脉冲的产生
    在引导状态下，转动ε、R、β引导手轮(图中只画出了ε平面)，便可实现对天线的位置控制。引导手轮转动时，带动减速机构和各自的光电码盘转动，光电码盘输出的光电脉冲，经整形电路、方向判别电路的处理，完成对光电脉冲的整形和方向的判别，即当手轮正转时，输出正转脉冲，反转时输出反转脉冲。ε、R、β三个平面的正、反转脉冲分别送到可编程接口芯片8253，8253是一种通用的计数器／定时器，它具有三个功能完全相同的计数器和一个控制寄存器。所以译码器D9(54LS138)需分配四个口地址给一片8253芯片。三个引导手轮产生的六路脉冲分别送到两片8253的六个计数器的输入端(图中只画出了ε平面即一片8253)，系统初始化时，计算机通过程序将8253置为外部事件计数器，并给每个计数器赋以计数初值，工作时，六个计数器分别对六路脉冲进行递减计数，计算机用闩锁操作的方式读人正在计数状态的计数值，形成ε、R、β平面坐标位置的控制量。
2．3 “搜索”控制信号的建立和清除
    系统在引导状态，可用“搜索”的方式控制天线发现目标。由图1可见，搜索状态量的建立是通过按钮S1和触发器D1A(54S74)完成的，54S74是两个独立的正沿触发的D型触发器，每个触发器都有独立的直接置位、直接复位的功能。为了信号的可靠传输，我们将54S74接成直接置位、直接复位的工作方式，它的输入端接收开关或按钮的动作，当置位条件满足时，其输出端便建立起相应的状态量，并通过接口芯片D6(54LS373)送入计算机，从而控制天线进行搜索。D1A(54S74)的复位端(第1脚)接有由或非门D2A(54LS25)构成的状态量清除电路，当系统“复位”时，或按下“搜索停止”时，均可使触发器D1A(54S74)复位，以清除先前建立的“搜索”状态量。

3 跟踪控制接口电路设计
3．1 跟踪控制信号的建立和清除
    系统在引导状态下，当雷达天线发现目标后，可分别将引导组合的ε、R、β引导手轮推入，产生三个平面的“允许手控”指令，经由主机、付机从而控制天线进入跟踪状态。在跟踪状态，ε、R、β三个平面均有“手控”“自动”、“天线自动”三种工作方式，其跟踪精度依次而高。图2为ε平面跟踪控制电路图。由图可见，“允许手控”、“手控”、“自动”、“天线自动”这四个控制信号组成一个有序的状态量链条，它们的建立必须依从以下的顺序依次建立，而不能超越。
    允许手控→手控→自动→天线自动．
    其中，“允许手控”是基础，当将引导手轮拉出时，上述链条立即失效，系统又回到引导状态。

    由图2可见，当按下“手控”按钮S1时，可建立“手控”控制信号，控制系统由“引导”状态进入“手控”状态，或由“自动”、“天线自动”状态回到“手控”状态。
    当按下“自动”按钮S2时，可建立“自动”控制信号，控制系统由“手控”状态进入“自动”状态。
    当按下“天线自动”按钮S3时，可建立“天线自动”控制信号，控制系统由“自动”状态进入“天线自动”状态。它并不清除先前建立的“自动”控制信号。
    当按下“天线自动断开”按钮S4时，可控制天线由“天线自动”状态回到“自动”状态。
3．2 跟踪控制脉冲的产生
    在“手控”和“自动”工作状态，系统对天线的控制是通过转动跟踪操纵台上的两个模球从而控制天线对目标进行跟踪的。其中的一个模球控制ε／R两个平面，即当其水平方向转动时，可产生ε平面的控制脉冲，当其垂直方向转动时，可产生R平面的控制脉冲；另一个模球则控制卢平面。图2仅画出了ε平面的模球示意图。
    模球是一个在任意方向都可以转动的球体，紧挨着球体，装有两个互成90度的磨擦轮，当球体转动时，磨擦轮将其分解为X、Y两个向量，两个磨擦轮分别带动一个光码盘，模球转动时，光码盘输出脉冲，其脉冲个数比例于模球在本方向上的转角，可见，一个模球可以同时控制两个座标。由于机械装配的保证，模球转动时，两个光码盘分别输出A、B两组脉冲，两组脉冲在相位上相差90度，用此相位差可判别手轮转动的方向。光码盘输出的控制脉冲经过整形判别电路之后产生正转脉冲和反转脉冲，分别送到可编程接口芯片8253进行计数，其计数值被计算机实时读取，经处理后控制天线运动。

4 发射控制接口电路设计
4．1 发射控制信号的产生
    当天线和发射架处于同步状态时，可以择机进行发射。
    发射控制接口电路见图3。

    由图3可见，允许发射电路由D1(54LS00)、D2(54LS32)构成，当发射架送来“准备好”信号，且发射架不在低空限制区域，发射时间在发射间隔之外时，按下“发射”按钮，即有“发射”信号在触发器D4A(54S74)的输出端形成并通过输入接口芯片D5(54LS373)送计算机(付机)，经处理后控制发射架发射。
4．2 发射状态的恢复
    由图3可见，发射状态的恢复电路由D3A、D3B(54LS04)和D6A(54LS25)组成。其恢复逻辑如下：
   
   

5 结束语
    用于实时控制系统的接口电路要求具有高度的合理性、可靠性和可维性。在满足性能的前提下，要尽可能的简单、实用。要精心设计，反复试验，才不致于造成不应有的损失和遗憾。