基于8051的運載器時序等效器設計

中國人民解放軍戰略支援部隊航天工程大學 姚凱豐 姚靜波

1 引言

新一代運載火箭對火箭發射的測試周期、測試精度、可靠性及工作連續性提出了新的要求。由于需要測試的時序路數多，傳統的數字信號發生器和等效器對地面測設設備難以滿足需求，“因此，在某特定使用環境下，要求對系統的動作時序進行較為準確的測量”[1]，來模擬箭機產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時序時串部分進行校準測試，可有效提高測試效率，增加測得數據可靠性。

2 時序系統測試需求

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

3 硬件設計

以8051單片機作為基礎硬件設計測試系統，系統具有結構簡單、體積小、性價比高等特點。“通過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 顯示設計

“用微控制器實現對多位數碼管的控制就是一個較實用的例子”[3]。數碼管有八個發光二極管，分別是七個條形和一個小圓點。各管的亮暗不同則對應組合成的字符也不同。數碼管的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部發光二極管，其中COM為公共端。（本實驗所用數碼管為共陽極）

圖1 數碼管接線圖

3.2 鍵盤設計

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。當按鍵按下時，輸入到單片機I/O口的是低電平；當按鍵沒有按下時，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端口進行擴展”。單片機系統I/O端口數量有限的問題在這里也就迎刃而解了。本文4個I/O端口直接實現了傳統并行技術中需要64個端口實現的功能。實驗結果表明，74HC595芯片擴展I/O口的效果良好。

圖2 獨立按鍵引腳圖

4 等效器軟件設計

4.1 軟件需求

軟件擬實現功能如下：

（1）信號發生功能

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

（2）顯示功能

可用數值方式顯示時序信號的脈寬、信號重復發生間隔（采樣周期可以根據用戶要求由技術人員進行更改）

（3）存儲功能

可以將編輯好的時序時串存到芯片寄存器內，方便再次調出。

（4）實時調節功能

利用設計的獨立按鍵來調節周期、脈寬。

4.2 顯示設計

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

4.3 鍵盤設計

單片機上的獨立按鍵按下的過程實質上是利用機械觸點閉合、斷開產生的效應。彈性作用下的機械點的狀態的改變會導致產生5-10ms的抖動。因此，人員的按鍵動作對穩定的閉合時間就產生了很大的影響。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，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進行判斷，若判斷結果為是，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，可以連接該鍵對應的功能程序段，以實現特定的功能。

5 定時器設計

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

圖3 定時器方式1的工作方式

6 測試結果分析

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

圖4 時序開關信號輸入電路

7 結論

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。