多数据来源的机载时钟设备仿真

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【摘要】本文研究A320飞机时钟仿真设计，作为机务模拟机的时钟部分，满足航空维修人员的需求及教学使用，提升相关人员的能力，促进航空业的发展。采用AT89S52单片机作为接收GPS、DS1302的数据、处理数据、发送数据的CPU处理器，计时的功能由DS1302芯片来完成，最终利用MAX7219芯片驱动数码管准确的显示当地的时间和计时的时间。通过切换旋钮，显示GPS时间或时钟芯片DS1302的时间。

【关键词】AT89C52;DS1302;GPS;旋转编码器EC11

1.引言

航空业的蓬勃发展使得维修人员不断增加，在对于学员、维修人员的授学培训过程需要大量的器材。因此实现A320的飞机时钟的仿真设计对于相关人员的学习、培训、维修操作有很大的帮助。组件仿真的实现提供了模型基础，同时减少了成本。由于功能与飞机真实时钟相同，能够达到同样的教学培训目的。

图1-1 A320飞机时钟面板

飞机时钟按功能块主要分为三部分：计时计（CHR）、协调世界时（UTC）、耗用时间（ET）。

（1）计时计（CHR）：包括CHR显示（前两位显示分钟，后两位显示秒）、CHR按键（时钟表面右上角）、RST按键（时钟表面左上角）。第一次按下CHR按钮：计时开始;第二次按下CHR按钮：计时停止;按压RST按钮：计时复位到零。

（2）协调世界时（UTC）：UTC显示窗有时间模式（前两位显示小时，后两位显示分钟，最后两位显示秒）和日期模式（在UTC显示窗中分别以月、日、年代替时间显示）两种显示模式。UTC旋钮（右侧）有GPS/INT/SET三个位置选择：

GPS位置：时间显示由GPS接收机控制;

INT位置：时间显示由时钟内部时基控制;

SET位置：允许设置时钟内部时基，即时间和日期。当UTC旋钮在GPS位或INT位时，可通过按压SET按钮，从当前时间模式切换到日期模式，再次按压，切换回时间模式，循环切换。

（3）耗用时间（ET）：包括ET显示（前两位显示小时，后两位显示分钟）、RUN/STP/RST选择开关（时钟表面右下角）。

右侧旋钮有RUN/STP/RST三个位置选择：

RUN位：计数器运行;STP位：计数停止，该计时显示冻结;RST位：计数瞬时复位到零，且显示消失。

2.总体设计方案

总体设计框：

飞机时钟设备的界面有显示界面和操作界面。显示界面包括计时计（CHR）、协调世界时（UTC）和耗用时间（ET）。操作界面包括CHR的控制启停的按键、UTC左侧的时间日期切换旋钮和UTC三档旋转开关以及ET的控制启停复位的三档旋转开关。其中切换UTC三档旋钮开关选择多种时钟数据来源。

时钟数据来源分别由GPS数据和DS1302芯片的内部基准时基而来;操作界面上有按钮及旋钮，可控制数码管显示CHR与ET并调整显示的时间。单片机作为GPS、DS1302接收数据、处理数据、发送数据的CPU处理器。MAX7219驱动数码管显示可以节约单片机的引脚资源。单片机还需要有电源电路、晶振电路及复位电路，才能保证单片机正常、稳定地工作。

图1-2 总体设计框图

3.硬件设计框图

3.1 时钟芯片DS1302的硬件图

图1-3 DS1302硬件图

时钟芯片DS1302作为飞机时钟数据的来源之一，同时提取DS1302时钟的秒时间作为计时器的基准秒。单片机作为DS1302数据接收与处理中心，并控制数码管显示相应的时间。DS1302中的时钟信号SCLK与单片机的P1.7相连，数据输入输出I/O与单片机的P1.6相连，复位信号RST与单片机的P1.5相连。

3.2 GPS的硬件图

图1-4 GPS与单片机连接图

GPS是飞机时钟数据来源之一，将UTC右侧的旋钮切换至GPS位置便可显示GPS时间。GPS通过串口与单片机进行数据交换。用数据线将GPS的TXA和RXA端口与单片机的TXA和RXA端口即可进行串行数据传输。为了使串口正常工作，需要对串口进行初始化，设置串口工作方式、波特率、定时器工作模式，并将EA和ES置1，允许串口中断。

3.3 旋转编码器

UTC显示界面右侧三档旋转编码器可实现对飞机时钟数据来源的选择;ET显示界面右侧三档旋转编码器可实现对ET的启停复位的控制。

转编码器的工作原理：增量式旋转编码器通过内部两个光敏接受管转化其角度码盘的时序和相位关系，得到其角度码盘角度位移量增加（正方向）或减少（负方向）。如下图所示，可以通过比较A相和B相的超前和滞后，判断编码器是正转还是反转，图中所示的A相超前B相即为正旋输出，A相滞后B相即为反旋输出。

图1-5 旋转编码器原理

4.软件系统流程

图1-6 软件系统流程图

系统软件的设计流程：首先要初始化，即对CHR、ET、UTC三部分的数码管驱动芯片MAX7219进行初始化，GPS模块方面还需要对串口进行初始化;在编写完初始化程序后，主程序中将调用能切换时间的按键旋钮程序、MAX7219的显示程序，每时每刻系统都在判断是否有按键的按下操作或者旋钮的转动，则数据处理函数将相应的时间传递到MAX7219的显示程序;若无任何操作，显示器正常显示。

4.1 时钟芯DS1302程序设计

时钟芯片DS1302是飞机时钟的数据来源之一，单片机从DS1302的寄存器中读出时间与日期，并将十进制的数据转换成16进制，从而控制MAX7219驱动数码管显示相应的时间与日期。

CHR计时是将DS1302时钟的秒时间作为计时基准秒，即每增加一秒数码管显示计时时间加一。若总的时间秒数为T秒，CHR计时的分计时为MIN，秒计时为SEC，则：

MIN=T/60

SEC=T%60

若CHR数码管显示分计时的十位与个位分别为MINSH、MINGE;秒计时的十位与个位分别为SECSH，SECGE，则：

MINSH=MIN/10=（T/60）/10

MINGE=MIN%10=（T/60）%10

SECSH=SEC/10=（T%60）/10

SECGE=SEC%10=（T%60）%10

ET计时是将DS1302时钟的秒时间作为计时基准秒，即每增加一分钟数码管显示计时时间加一。若总的时间秒数为T秒，ET计时的小时计时为H，秒计时为MIN，则

H=（T/60）/60

MIN=（T/60）%60

若ET数码管显示小时计时的十位与个位分别为HSH、HGE;分计时的十位与个位分别为MINSH，MINGE，则：

HSH=H/10={（T/60）/60}/10

HGE=H%10={（T/60）/60}%10

MINSH=MIN/10={（T/60）%60}/10

MINGE=MIN%10={（T/60）%60}%10

4.2 旋转编码器的程序设计

单片机通过程序判断编码器是正转还是反转切换到相应的功能。单片机通过查询的方式读取旋转偏码器A、B两端的电平来判断当前旋钮是否旋转以及旋转的方向。A点电平与B点电平有4种不同的组合：00、01、10、11，可以根据4种组合状态之间的变化进行鉴相。若顺时针旋转，者可得到对应的序列{11、01、00、10}，反旋转则有对应的序列{11、10、00、01}。如表1所示的判断表中，行表示当前AB点电平值组合，列表示上一次变化前AB点电平值组合，检测到发生1次电平变化即可进行鉴相，需要指出的是：若AB两点电平相比上次均发生了变化，则无法进行判断。

表1 AB相位判断表

00 01 10 11

00 错 逆 顺 错

01 顺 错 错 逆

10 逆 错 错 顺

11 错 顺 逆 错

综上所述，旋转编码器顺时针旋转为Y，逆时针旋转为N，当前AB的电平为A1、B1，下一时刻AB的电平为A2，B2，则：

5.总结

本章主要从系统的功能要求出发，先对系统做了一个总体设计，画出了系统的总设计框图，然后采用protues仿真，在Keil环境中编写和调试程序，并用Altium Designer画原理图制作PCB板，用万用表、示波器等调试硬件电路。经过实验证明，该研究过程能准确的实现A320的飞机时钟的仿真设计。

参考文献

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基金项目：大学生创新创业训练计划（项目编号：IECAUC13019）。

作者简介：邱石（1992―），男，江苏徐州人，现就读于天津中国民航大学，研究方向：电子信息工程自动控制。