多功能旋轉(zhuǎn)式操作面板的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

齊新戰(zhàn)，衛(wèi) 翔，王金樹

（海里潛艇學(xué)院，山東青島，266042）

0 引言

隨著模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，各類模擬器應(yīng)用于軍用和民用許多領(lǐng)域，在人才培養(yǎng)、樣機(jī)研制等方面起到了重要作用，發(fā)揮出了重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在實(shí)踐中，由于經(jīng)常會(huì)為同一系列的不同型號(hào)裝備、設(shè)備研制多套模擬器，從而導(dǎo)致造價(jià)高、存放空間利用率低等問(wèn)題。研制適用于特定領(lǐng)域的通用模擬器是解決這些問(wèn)題的很好思路。文獻(xiàn)[1]從裝備發(fā)展、模擬訓(xùn)練、人才培養(yǎng)等方面分析了通用模擬器研制的必要性，并進(jìn)行了可行性分析。文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]分別設(shè)計(jì)了通用搜索雷達(dá)模擬器和衛(wèi)星測(cè)控通用模擬器。

本文作者在進(jìn)行某型艦艇電子裝備通用模擬器設(shè)計(jì)研制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，同一系列不同型號(hào)裝備的整體結(jié)構(gòu)和外觀布局大體相同，主要區(qū)別在于局部操作元器件不同。為了實(shí)現(xiàn)模擬器的通用化，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)控制的多功能旋轉(zhuǎn)式操作面板。

1 旋轉(zhuǎn)式操作面板硬件設(shè)計(jì)

1.1 組成結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)式操作面板由元器件三面體、控制板、步進(jìn)電機(jī)組件、旋轉(zhuǎn)體主軸、上位機(jī)組成。由控制板向步進(jìn)電機(jī)組件發(fā)送控制指令，步進(jìn)電機(jī)組件通過(guò)旋轉(zhuǎn)體主軸帶動(dòng)元器件三面體實(shí)現(xiàn)操作面板的旋轉(zhuǎn)。工作流程如下：

（1）上位機(jī)軟件下發(fā)旋轉(zhuǎn)切換指令給控制板，使其發(fā)送步進(jìn)脈沖信號(hào)和方向電平信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)組件。

（2）步進(jìn)電機(jī)組件收到信號(hào)后，旋轉(zhuǎn)元器件三面體至合適位置，結(jié)束旋轉(zhuǎn)操作。

（3）用戶操作元器件三面體上的元件，操作結(jié)果上傳至上位機(jī)軟件，上位機(jī)軟件進(jìn)行相應(yīng)處理。

1.2 元器件三面體設(shè)計(jì)

在某型艦艇電子裝備通用模擬器中，元器件三面體能夠?qū)崿F(xiàn)三種不同類型的界面布局結(jié)構(gòu)（見圖1）。元器件三面體的三個(gè)面分別記為A面、B面、C面。A面元件為五個(gè)按鍵；B面元件分別為兩個(gè)指示燈、一個(gè)蜂鳴器、一個(gè)按鍵和三個(gè)旋鈕；C面元件為四個(gè)旋鈕。

圖1 元器件三面體效果圖

將元器件三面體上的元件信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)線引至控制板，并實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。為避免旋轉(zhuǎn)過(guò)程中數(shù)據(jù)線出現(xiàn)纏繞，選取某個(gè)操作面為基準(zhǔn)操作面，其他兩個(gè)面采用往復(fù)雙向旋轉(zhuǎn)復(fù)位方式運(yùn)行工作。

1.3 控制板設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)式面板控制板由主控制器、電源電路、CAN通信電路、驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)電路、元器件通信電路組成（見圖2）。主控制器接收上位機(jī)指令，轉(zhuǎn)動(dòng)元器件三面體至合適的平面位置。電源電路實(shí)現(xiàn)將12V轉(zhuǎn)換為5V，再將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V供給給主控制器。CAN通信電路主要由CAN總線接口及CAN收發(fā)器組成，連接上位機(jī)并接收CAN通信指令。驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)電路主要完成發(fā)送步進(jìn)脈沖信號(hào)和方向電平信號(hào)至電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使其帶動(dòng)元器件三面體轉(zhuǎn)動(dòng)。元器件通信電路實(shí)現(xiàn)元器件與上位機(jī)通信。

圖2 控制板組成圖

2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件與控制板軟件的通信，需要設(shè)計(jì)通信協(xié)議格式。通信指令分為兩類：

（1）上位機(jī)向控制板發(fā)送元器件三面體切換指令。

（2）控制板向上位機(jī)發(fā)送操作面板的元器件狀態(tài)指令。

通信協(xié)議格式見表1。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)接收上位機(jī)指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)元器件三面體、掃描元器件操作狀態(tài)等功能。

3.1.1 接收指令切換旋轉(zhuǎn)面板

判斷是否接收到指令，當(dāng)接收到指令時(shí)轉(zhuǎn)Step2，否則繼續(xù)等待；

設(shè)置步進(jìn)脈沖信號(hào)和方向電平信號(hào)；

將面板切換至合適的位置。

3.1.2 掃描元器件狀態(tài)

啟動(dòng)定時(shí)器，定時(shí)掃描元器件狀態(tài)；

掃描元器件狀態(tài)是否發(fā)生變化，當(dāng)發(fā)生變化時(shí)發(fā)送給上位機(jī)程序，否則繼續(xù)定時(shí)掃描元器件狀態(tài)。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是上位機(jī)通信類。CAN通信接口采用千目電子的USB-CAN轉(zhuǎn)換器，該產(chǎn)品附帶支持二次開發(fā)的動(dòng)態(tài)庫(kù)。

利用VC++實(shí)現(xiàn)上位機(jī)通信類的編程，該類的功能主要是下發(fā)旋轉(zhuǎn)式操作面板切換方案、接收元器件狀態(tài)。該類主要包括設(shè)備初始化方法（InitCan）、數(shù)據(jù)發(fā)送方法（SendData）、數(shù)據(jù)接收方法（RecvData）。

InitCan方法

InitCan方法完成連接并打開CAN設(shè)備，輸入?yún)?shù)是CAN設(shè)備號(hào)、波特率，輸出值為布爾類型，標(biāo)識(shí)CAN設(shè)備是否打開。處理過(guò)程：

加載收發(fā)指令動(dòng)態(tài)庫(kù)；

調(diào)用動(dòng)態(tài)庫(kù)中的Init_can函數(shù)連接并打開CAN設(shè)備。

SendData方法

SendData完成下發(fā)指令功能，輸入?yún)?shù)是顯示指令，輸出值為布爾類型，標(biāo)識(shí)發(fā)送是否成功。處理過(guò)程：

設(shè)置要發(fā)送的指令；

調(diào)用動(dòng)態(tài)庫(kù)中的Can_send函數(shù)發(fā)送指令。

RecvData方法

RecvData完成接收指令和解析指令的功能。處理過(guò)程：

調(diào)用動(dòng)態(tài)庫(kù)中的Can_receive函數(shù)接收指令；

根據(jù)通信協(xié)議進(jìn)行解析，符合協(xié)議則處理，否則不處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)控制的多功能旋轉(zhuǎn)式操作面板，并應(yīng)用于某型艦艇電子裝備通用模擬器的研制，較好地解決了同一系列不同型號(hào)裝備操作面板的模擬問(wèn)題。該設(shè)計(jì)方案同樣適用于其他多功能機(jī)電設(shè)備的設(shè)計(jì)，可以為解決操作面板可用面積不足時(shí)的元器件布設(shè)問(wèn)題提供很好的借鑒作用。

[1] 陳蕾，王嵩，張峰.通用型模擬器需求分析[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2012 (8):166-169.

[2] 樊誠(chéng)，周安棟，楊路剛.一種通用模擬器LCD顯示方案設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2010,38(5):163-165.

[3] 江建民，賀瑞龍.通用搜索雷達(dá)模擬器的設(shè)計(jì)[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2006,4(1):7-11.

[4] 王紹山.衛(wèi)星通用測(cè)控模擬器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].飛行器測(cè)控學(xué)報(bào)，2006,25(1):20-25.