基于USB接口和DSP的飛機(jī)防滑剎車測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

飛機(jī)防滑剎車控制器作為飛機(jī)防滑剎車系統(tǒng)的核心部件，其設(shè)計(jì)好壞直接影響到飛機(jī)的安全起飛和安全著陸剎車，系統(tǒng)性能的好壞需要通過測試設(shè)備來檢驗(yàn)。我國對控制器的研究已有半個多世紀(jì)的時間，從機(jī)械－氣壓式到目前的數(shù)字式，均取得了良好的效果。而對控制盒測試的研究卻處于一片空白，迄今為止仍用人工儀器對控制盒進(jìn)行性能測試，不僅操作復(fù)雜，而且耗用大量的空間和時間。本文設(shè)計(jì)的剎車測試系統(tǒng)可以彌補(bǔ)此項(xiàng)空白。

　　微機(jī)技術(shù)的發(fā)展、單片機(jī)的廣泛應(yīng)用以及便攜式電腦的出現(xiàn)，為測試系統(tǒng)的發(fā)展提供了良好的硬件平臺，高速化、便攜式、微型化、低成本、智能化成為測試系統(tǒng)的最大特點(diǎn)。通用串行總線(USB)以其即插即用、速度快、低成本等特點(diǎn)而倍受青睞，逐步取代了傳統(tǒng)的RS232通信，廣泛應(yīng)用于各種測試系統(tǒng)中。其中，USB接口的設(shè)計(jì)方案很多，主要有兩種類型：一種是采用MCU 和USB接口芯片分離式結(jié)構(gòu)，此類方案的特點(diǎn)是成本和開發(fā)難度較低。另一種方案是采用嵌入式結(jié)構(gòu)，即采用帶USB接口的MCU或內(nèi)嵌MCU的USB接口芯片，此類方案的特點(diǎn)是成本高、不適用于簡單和低成本的數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)。這里采用了第一種方案，實(shí)用并且開發(fā)周期較短。

1 數(shù)字式飛機(jī)防滑剎車測試系統(tǒng)的組成

數(shù)字式飛機(jī)防滑剎車測試系統(tǒng)的組成如圖1所示。圖中虛線框內(nèi)為飛機(jī)防滑剎車測試系統(tǒng)的原理框圖，測試系統(tǒng)需要向防滑剎車控制器提供模擬機(jī)輪速度信號、模擬踏板信號、各種開關(guān)信號和各種故障狀態(tài)，以便模擬實(shí)際的剎車狀態(tài)。測試系統(tǒng)采集控制器輸出的閥門電壓和參考速度信號，通過USB芯片傳輸給上位機(jī)，由上位機(jī)來顯示，依此判斷控制器的工作狀態(tài)。

2 主要硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 前端信號調(diào)理電路

前端信號調(diào)理電路如圖2所示。參考速度信號、閥門電壓信號、模擬踏板信號均為直流信號，范圍為0～10V，由于DSP的A/D端只能接收0～5V的電平，因此需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。先將輸入信號進(jìn)行跟隨，提高輸入阻抗，再進(jìn)行兩級反相比例放大。將0～10V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為0～5V的輸出電壓，末端的兩個二極管起限幅作用。

2.2 模擬機(jī)輪速度信號電路

　　在實(shí)際的剎車過程中，機(jī)輪速度傳感器產(chǎn)生的信號為近似正弦信號，所以利用正弦信號代替機(jī)輪速度信號。信號發(fā)生電路原理框圖如圖3所示。 AD9850輸出的信號經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出，輸出電壓經(jīng)過有效值/直流轉(zhuǎn)換電路輸出交流信號的平均值,該值和I/V轉(zhuǎn)換輸出的信號做減法運(yùn)算，得到以0電平為基準(zhǔn)的交流信號。再與直流偏置做加法運(yùn)算，得到一個帶直流偏置的正弦信號。經(jīng)過二階壓控低通濾波后輸出峰峰值為0.6～5V可調(diào)、直流偏置0～5V可調(diào)的正弦信號，此信號可作為機(jī)輪速度模擬信號。

　　AD9850為美國ADI公司推出的一款DDS集成芯片，8位并行數(shù)據(jù)接口D0～D7或者一位串行數(shù)據(jù)接口D7，在寫時鐘端W_CLK和頻率升降控制端FR_UD的控制下，可直接輸入頻率、相位等控制數(shù)據(jù)，最大工作時鐘為125MHz，最小工作時鐘為1MHz。內(nèi)有32位累加器、sin/cos表，集成10位D/A電流型輸出，采用28腳貼片封裝。

AD9850接口電路如圖4所示，D0～D7口與DSP的數(shù)據(jù)線D0～D7相連。復(fù)位引腳與DSP的PC0口相接，高電平復(fù)位，復(fù)位時間不低于40ms。FR_UD引腳與DSP的PC1腳相接。WCLK1是地址線經(jīng)過可編程邏輯器件GAL16V8或邏輯后產(chǎn)生的片選信號。Rset連接3.9k?贅的電阻，設(shè)定最大的輸出電流為10mA。IOUTB端連接24?贅的電阻，作為電流輸出補(bǔ)償電阻。

2.3 USB通信電路設(shè)計(jì)

CH375為國內(nèi)自主研發(fā)的新型USB接口芯片。它支持3.3V和5V供電，支持全速USB設(shè)備接口，兼容USBV2.0；提供一對主端點(diǎn)和一對輔助端點(diǎn)，支持控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸；具有省事的內(nèi)置固件模式和靈活的外部固件模式。內(nèi)置固件模式下屏蔽了相關(guān)的USB 協(xié)議，自動完成標(biāo)準(zhǔn)的USB 枚舉配置過程，完全不需要本地端控制器做任何處理，簡化了單片機(jī)的固件編程； 通用的8 位并行數(shù)據(jù)總線控制簡單，采用4線控制：讀選通、寫選通、片選輸入、中斷輸出；通用Windows 驅(qū)動程序提供設(shè)備級接口；體積小，采用SSOP-28 封裝。

與DSP的接口連接如圖5所示。CH375的8位并行接口直接與DSP的數(shù)據(jù)線低8位相連。/WR 和/RD分別與DSP的WR和RD信號相連，DSP的地址線A0與CH375的A0端口相連，作為CH375的命令和數(shù)據(jù)端口的選擇，片選信號是經(jīng)過可編程邏輯器件GAL16V8進(jìn)行與邏輯后產(chǎn)生的片選信號。電容C4用于CH375內(nèi)部電源節(jié)點(diǎn)退耦，可選用1000pF～0.01?滋F的獨(dú)石或者高頻磁片電容。電容C3和C5構(gòu)成外部電源退耦。晶體Y1、電容C1和C2構(gòu)成CH375的時鐘振蕩電路，Y1選用12MHz晶振，C1和C2選用15pF～30pF的獨(dú)石或高頻磁片電容。中斷端口與DSP的外部中斷1相接，下降沿有效。

3 測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括下位機(jī)程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)用戶平臺的開發(fā)。

3.1下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

　　下位機(jī)程序包括系統(tǒng)初始化、A/D數(shù)據(jù)采集子程序、正弦信號發(fā)生子程序和USB中斷服務(wù)子程序。系統(tǒng)初始化包括DSP寄存器的初始化、AD9850初始化和CH375的初始化。AD9850初始化包括復(fù)位AD9850和控制字初始化，先讓PC0口輸出高電平，延時40ms后，輸出低電平，完成AD9850復(fù)位；將控制字0x00寫入AD9850，定義為并行輸入，初始相位為0，電源休眠控制。CH375的初始化先對CH375自檢，判斷CH375是否工作正常，如果工作正常則進(jìn)入下一步，否則繼續(xù)等待；將CH375配置為內(nèi)置固件模式。A/D數(shù)據(jù)采集完成16路模擬量的采集，采用中值法數(shù)字濾波技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。正弦信號發(fā)生子程序先計(jì)算輸出頻率的頻率控制字，向AD9850中寫入控制字，再將頻率控制字從低字節(jié)到高字節(jié)分4次通過數(shù)據(jù)線寫入AD9850中。USB數(shù)據(jù)發(fā)送過程為：先向CH375寫入WR_USB_DATA命令，等待USB主機(jī)取走數(shù)據(jù)，然后CH375鎖定當(dāng)前的緩沖區(qū)，防止重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)，將INT#引腳設(shè)置為低，進(jìn)入USB中斷服務(wù)子程序，執(zhí)行GET_STATUS命令獲取中斷狀態(tài)，執(zhí)行WR_USB_DATA命令，寫入待發(fā)送數(shù)據(jù)。執(zhí)行UNLOCK_USB命令釋放緩沖區(qū)，退出中斷服務(wù)子程序，等待發(fā)送下一組數(shù)據(jù)。

3.2上位機(jī)用戶平臺的設(shè)計(jì)

采用VC++6.0作為上位機(jī)開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、保存、分析等功能。上位機(jī)用戶平臺具有以下特點(diǎn)：①通過波形、數(shù)值、指示燈等方式實(shí)時顯示數(shù)據(jù)和系統(tǒng)特性；②光標(biāo)讀取數(shù)據(jù)參數(shù),系統(tǒng)可以利用光標(biāo)讀取任意時刻的參數(shù)；③方便的標(biāo)記功能,可以在任意兩點(diǎn)之間進(jìn)行標(biāo)記,計(jì)算對應(yīng)波形圖的值；④對于歷史數(shù)據(jù)可以通過文件形式保存下來。上位機(jī)流程圖如圖6所示。

　　USB 為計(jì)算機(jī)外設(shè)提供了一個全新的接口標(biāo)準(zhǔn)。它不占用IRQ 和DMA 資源,具有熱插拔、即插即用、自動配置的能力。在本測試系統(tǒng)中,采用USB1.1協(xié)議設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)通訊,與筆記本電腦相結(jié)合可以構(gòu)成移動式的飛機(jī)防滑剎車測試儀,可以方便地使用于機(jī)場、野外等傳統(tǒng)人工測試設(shè)備不便使用的場合。

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