基于Proteus的XY數控工作臺仿真模型設計

張遠輝，張 鼎，許 昌，謝 波

（中國計量學院機電工程學院，浙江杭州 310018）

基于Proteus的XY數控工作臺仿真模型設計

張遠輝，張 鼎，許 昌，謝 波

（中國計量學院機電工程學院，浙江杭州 310018）

設計了一款基于Proteus的XY數控工作臺仿真模型，該模型具有兩軸步進電機的控制信號輸入、絲杠兩端限位信號輸出、工作臺運動軌跡實時繪制等功能。搭建了以51單片機為控制核心，具有液晶屏顯示接口、手動開關控制功能的XY數控工作臺示例電路。將該模型應用于機電一體化課程教學中，可以節省機械和電路硬件成本，鍛煉學生機電一體化系統設計和調試能力，對促進學生綜合實踐能力的提升具有重要意義。

數控工作臺；Proteus；機電一體化；仿真模型

機電一體化系統設計及課程設計是機械電子專業學生的必修實踐類課程。該課程要求學生獨立設計一套完整的機電一體化系統，對系統中的幾個關鍵部件（如機械、傳感、電路、單片機、控制器等）進行綜合分析、建模和設計，并完成課程設計報告。XY數控工作臺是許多機電一體化設備的基本部件，把它作為課程設計的任務案例具有典型意義［1］。

中國計量學院機電工程學院實驗室雖然擁有一臺XY數控工作臺實物，但無法滿足機械電子專業4個班約160名學生的實驗需求。由于無法進行實驗驗證，在學生的設計報告中存在許多電路原理圖、程序邏輯的錯誤。在已有的軟硬件條件下，如何為學生提供一個可行的實驗驗證平臺，幫助他們盡可能地減少錯誤，從而提升學生的實踐能力和教學效果，是機電一體化相關課程教學中亟待解決的問題。

1 Proteus應用于機電一體化教學的可行性

Proteus是一款由英國Lab Center Electronics公司開發的，匯集電路原理圖繪制、電路仿真和印刷電路板制作于一身的電路設計軟件。和其他電路設計軟件相比，Proteus的VSM（virtual system modeling）虛擬仿真建模功能尤為突出。它不僅可以仿真傳統的模擬電路、數字電路，還可以仿真數字信號處理器，例如51單片機、PIC單片機和ARM處理器等。Proteus電路仿真軟件已經在國內機電控制類教學實踐中有了一定的應用，例如單片機教學與實驗［2－3］、電子信息類畢業設計［4］。Proteus提供的豐富的仿真模型亦可用于機電一體化教學和實踐中，比如直流電機、交流電機、霍爾傳感器、按鈕、LED和LCD等。學生可以設計相應的電路，然后結合Keil軟件編寫51單片機程序，并對電路進行仿真和調試［5］。

Proteus軟件本身自帶了眾多模塊，可用于常見電路的仿真，但是缺少對XY數控工作臺這種特殊的機電系統模塊的仿真模型支持。雖然Proteus提供的步進電機和直流交流電機仿真模型［6－7］可進行電機控制電路的仿真，但是XY數控工作臺是由2個相互垂直的絲杠和2臺電機組合而成，純粹的電機仿真并不能反映工作臺整體空間坐標的變化。此外，工作臺導軌兩端安裝有限位傳感器，Proteus提供的電機模型并不能仿真限位傳感器電路。

當Proteus自帶的模塊不能滿足要求時，用戶可以借助Proteus的擴展接口，自行設計和制作仿真模型，目前已有關于點陣LED仿真模型［8］、點陣LCD仿真模型［9］和CPU仿真模型［10］等相關的研究和報道。

綜上，設計一款基于Proteus的XY數控工作臺仿真模型是可行的。設計的仿真模型可以填補Proteus軟件針對機電一體化仿真元件的空白，給學生提供一個完整的機電系統仿真平臺。

2 XY數控工作臺仿真模型設計

XY數控工作臺仿真模型的界面如圖1所示，主要功能包括仿真模型的圖形繪制、管腳功能設計和內部邏輯實現。

圖1 XY數控工作臺仿真模型界面設計

2．1 仿真模型的圖形繪制

Proteus VSM的圖形繪制接口函數大致可以分為3類：基于圖形符號的方法［11］、基于矢量繪圖方法［9］和基于Windows GDI函數的方法［12］。本文采用基于Windows GDI函數的方法進行模型界面的繪制。Proteus提供了函數ICOMPONENT：：begincache（），該函數的返回值是一個指向圖形設備環境的句柄，圖像設備環境實際上充當了Windows操作系統下繪圖板的角色。借助豐富的Windows API函數，用戶可以在這個繪圖板上不同位置繪制導軌、絲杠、電機和工作臺等圖形。工作臺隨著時間的推移不斷重繪和移動，便形成了一個連續仿真動畫過程。

2．2 管腳功能設計

設計的仿真模型共有9個管腳（5個輸入管腳，4個輸出管腳），具體功能如表1所示。管腳1—4是數字信號輸入，主要用來控制兩個步進電機的運動，每個電機的控制信號來自一個脈沖輸入管腳和一個方向控制管腳。管腳5—8是導軌兩側的限位傳感器信號輸出。管腳9用于工作臺的軌跡記錄和顯示，當該管腳為低電平時，可以實時記錄并繪制工作臺（以工作臺的左上角為參考點）的運動軌跡。

表1 XY數控工作臺仿真模型的管腳功能

2．3 仿真模型內部邏輯實現

采用Visual C＋＋編寫DLL文件，實現仿真模型的內部邏輯。

（1）步進電機的控制。工作臺模型包含2個狀態變量，分別保存X軸（水平方向）和Y軸（豎直方向）絲杠上的螺母位置，每個螺母的運動范圍是（0～500 mm），每輸入一個脈沖（下降沿有效），步進電機運動1 mm，即系統的脈沖當量為1mm。

（2）限位傳感器的實現。每個絲杠的左右端部分別安裝有限位傳感器，當螺母運動到限位傳感器的位置時，對應的限位傳感器輸出信號由高電平變成低電平，同時工作臺喪失沿著限位方向的運動能力，只能沿限位方向的反方向運動。

（3）運動軌跡繪制和記錄。由于數控工作臺的運動常常是模擬零件的切削加工過程，因此需要在仿真過程中將工作臺的運動軌跡實時顯示出來，根據軌跡曲線，能夠直觀地判斷運動控制插補算法和脈沖進給算法的正確性。

3 XY數控工作臺仿真模型的演示和應用

設計好的XY數控工作臺仿真模型包含3個文件——XYNCTABLE．LIB、XYNCTABLE．IDX和XYNCTABLE．DLL。學生在自己的電腦上裝好Proteus軟件后，需要將上述LIB文件和IDX文件復制到Proteus安裝文件夾下的LIBRARY目錄中，將DLL文件復制到Proteus安裝文件夾下的MODELS目錄中。之后，學生就可以創建自己的電路圖，并從XYNCTABLE庫中選擇XY數控工作臺模塊，放入電路圖中進行仿真實驗。

3．1 應用電路圖示例

圖2是一個XY數控工作臺在51單片機控制下進行運動仿真的示例電路圖。圖中除了XY數控工作臺模塊外，其他模塊均為Proteus軟件自帶模塊，如字符LCD模塊、51單片機模塊、一組用于工作臺控制的開關等。圖2左上部的半圓曲線顯示的是工作臺在程序控制下的移動軌跡。

圖2 基于51單片機的XY數控工作臺仿真電路圖

單片機的輸入通道包括XY工作臺的限位傳感器信號和開關信號；輸出通道包括XY工作臺的電機控制信號和LCD顯示控制信號。LCD顯示的數據是當前單片機發送的工作臺定位位置信息，也可以顯示相關的限位或報警信息。開關MANUAL可進行手動控制模式和自動控制模式的切換。在手動控制模式下，UP、DOWN、LEFT、RIGHT等4個開關可對平臺進行上、下、左、右的手動控制。在自動控制模式下，51單片機程序將發送設定的運動指令和脈沖。緊急停止開關STOP是在系統出現故障情況下，強制工作臺停止運動，起保護作用。

學生可在該示例電路圖的基礎上，配合其他Proteus模塊，設計出更為完善和復雜的機電控制系統。

3．2 自制模型對機電一體化課程教學的幫助

利用包含XY數控工作臺的電路控制系統，學生無需借助硬件仿真器和實物機械電路裝置，僅在電腦上進行軟件仿真，便可完成電路和程序的設計與調試。Keil軟件和Proteus軟件還可進行聯調，例如在Keil的源代碼中單步運行程序，在Proteus中查看電路狀態。這種做法節省了硬件成本，提高了學習效率，同時為課程設計帶來諸多便利。以往的課程設計報告中，學生因為缺乏對所設計系統的實驗調試驗證過程，導致電路和代碼中存在很多錯誤；而有了該模型后，學生可以在自己電腦上直接仿真驗證電路和程序的正確性，因此不少錯誤可以避免。此外，指導教師可以在布置課程設計任務時，要求學生分別設計不同的工作臺運動軌跡，可以防止學生編寫單片機程序的雷同。

4 結束語

將基于Proteus的XY數控工作臺仿真模型應用于機電一體化系統設計及課程設計的教學中，豐富了教學資源和教學手段，給學生提供了一個完整的機電一體化系統的仿真平臺，鍛煉了學生的實踐能力，收到了良好的教學效果。該仿真模型可進一步改進，例如讓其輸出工作臺位置和速度的反饋信號，在此反饋信號的基礎上進行全閉環控制系統的設計和仿真。

（References）

［1］尹志強．機電一體化系統設計課程設計指導書［M］．北京：機械工業出版社，2013：185－192．

［2］曾成，伍萍輝，劉艷萍．基于虛擬硬件環境的單片機原理與應用實驗開發［J］．實驗技術與管理，2011，28（2）：91－93．

［3］趙月靜，陳繼榮，張永弟．單片機原理及應用課程創新實踐教學改革［J］．實驗技術與管理，2013，30（1）：176－179．

［4］王凡．Proteus在電子信息類畢業設計中的應用與研究［J］．實驗技術與管理，2014，31（4）：112－114．

［5］許志剛．基于Proteus技術的仿真學習工作站建設思路［J］．實驗技術與管理，2013，30（4）：62－64．

［6］Lu H，Duan C．Application of Proteus in the Teaching of Computer Control Technology［C］／／3rd International Conference on Science and Social Research．Tianjin：Atlantis Press，2014：357－359．

［7］Mukherjee A，Ray S，Das A．Development of Microcontroller Based Speed Control Scheme of BLDC Motor Using Proteus VSM Software［J］．International Journal of Electronics and Electrical Engineering，2014，2（1）：1－7．

［8］周靈彬，任開杰．創建Proteus雙基色LED點陣模塊仿真模型［C］／／中國自動化學會．第13屆中國系統仿真技術及其應用學術年會論文集．Scientific Research Publishing，2011：100－104．

［9］淮文軍，任社宜，薛艷霞．基于DLL的Proteus VSM仿真模型設計與實現［J］．蘇州市職業大學學報，2009，20（5）：22－25．

［10］楊鴻，周曉方，楊慶慶．基于Proteus的處理器C＋＋建模與仿真［J］．計算機工程，2011，37（5）：279－281．

［11］周靈彬，張靖武．創建Proteus動態器件仿真模型的技術［J］．現代電子技術，2009（12）：152－155．

［12］Petzold C．Windows程序設計［M］．方敏，張勝，梁路平，等譯．5版．北京：清華大學出版社，2010：65－75．

Design of XY NC table simulation model based on Proteus

Zhang Yuanhui，Zhang Ding，Xu Chang，Xie Bo
（College of Mechanical and Electrical Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China）

An XY NC table simulation model is designed based on Proteus．The model has many features including control signal inputs for two axes’step motors，limit signal outputs when reaching screw’s ends，simultaneous drawing the table’s motion trajectory，etc．A sample circuit is demonstrated combining an MSC51－based controller，LCD display device and several switches．The model is applied for teaching of Mechatronics courses．It reduces the education funds in both mechanical and electrical hardware．Students are trained in system design and debugging practice，the model has great significance to promote the students’comprehensive practical ability．

NC table；Proteus；mechatronics；simulation model

TG659；TP391．9

A

1002－4956（2015）3－0133－04

2014－07－15

國家自然科學基金資助項目（61302191）；浙江省教育廳科研項目（Y201224542）；中國計量學院機電工程學院教改項目

張遠輝（1982—），男，浙江紹興，博士，講師，主要從事機電一體化系統設計、機器人智能控制、計算機視覺和圖像處理等教學和研究工作．

E－mail：zhangyh23＠gmail．com