基于USB接口和DSP的飞机防滑刹车测试系统设计

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   飞机防滑刹车控制器作为飞机防滑刹车系统的核心部件，其设计好坏直接影响到飞机的安全起飞和安全着陆刹车，系统性能的好坏需要通过测试设备来检验。我国对控制器的研究已有半个多世纪的时间，从机械－气压式到目前的数字式，均取得了良好的效果。而对控制盒测试的研究却处于一片空白，迄今为止仍用人工仪器对控制盒进行性能测试，不仅操作复杂，而且耗用大量的空间和时间。本文设计的刹车测试系统可以弥补此项空白。
　　微机技术的发展、单片机的广泛应用以及便携式电脑的出现，为测试系统的发展提供了良好的硬件平台，高速化、便携式、微型化、低成本、智能化成为测试系统的最大特点。通用串行总线(USB)以其即插即用、速度快、低成本等特点而倍受青睐，逐步取代了传统的RS232通信，广泛应用于各种测试系统中。其中，USB接口的设计方案很多，主要有两种类型：一种是采用MCU 和USB接口芯片分离式结构，此类方案的特点是成本和开发难度较低。另一种方案是采用嵌入式结构，即采用带USB接口的MCU或内嵌MCU的USB接口芯片，此类方案的特点是成本高、不适用于简单和低成本的数据采集测试系统。这里采用了第一种方案，实用并且开发周期较短。
1 数字式飞机防滑刹车测试系统的组成
    数字式飞机防滑刹车测试系统的组成如图1所示。图中虚线框内为飞机防滑刹车测试系统的原理框图，测试系统需要向防滑刹车控制器提供模拟机轮速度信号、模拟踏板信号、各种开关信号和各种故障状态，以便模拟实际的刹车状态。测试系统采集控制器输出的阀门电压和参考速度信号，通过USB芯片传输给上位机，由上位机来显示，依此判断控制器的工作状态。

2 主要硬件电路的设计
2.1 前端信号调理电路
    前端信号调理电路如图2所示。参考速度信号、阀门电压信号、模拟踏板信号均为直流信号，范围为0～10V，由于DSP的A/D端只能接收0～5V的电平，因此需要进行电平转换。先将输入信号进行跟随，提高输入阻抗，再进行两级反相比例放大。将0～10V的输入电压转换为0～5V的输出电压，末端的两个二极管起限幅作用。

2.2 模拟机轮速度信号电路
　　在实际的刹车过程中，机轮速度传感器产生的信号为近似正弦信号，所以利用正弦信号代替机轮速度信号。信号发生电路原理框图如图3所示。 AD9850输出的信号经过I/V转换电路转换为电压输出，输出电压经过有效值/直流转换电路输出交流信号的平均值,该值和I/V转换输出的信号做减法运算，得到以0电平为基准的交流信号。再与直流偏置做加法运算，得到一个带直流偏置的正弦信号。经过二阶压控低通滤波后输出峰峰值为0.6～5V可调、直流偏置0～5V可调的正弦信号，此信号可作为机轮速度模拟信号。

　　AD9850为美国ADI公司推出的一款DDS集成芯片，8位并行数据接口D0～D7或者一位串行数据接口D7，在写时钟端W_CLK和频率升降控制端FR_UD的控制下，可直接输入频率、相位等控制数据，最大工作时钟为125MHz，最小工作时钟为1MHz。内有32位累加器、sin/cos表，集成10位D/A电流型输出，采用28脚贴片封装。
    AD9850接口电路如图4所示，D0～D7口与DSP的数据线D0～D7相连。复位引脚与DSP的PC0口相接，高电平复位，复位时间不低于40ms。FR_UD引脚与DSP的PC1脚相接。WCLK1是地址线经过可编程逻辑器件GAL16V8或逻辑后产生的片选信号。Rset连接3.9k?赘的电阻，设定最大的输出电流为10mA。IOUTB端连接24?赘的电阻，作为电流输出补偿电阻。

2.3 USB通信电路设计
    CH375为国内自主研发的新型USB接口芯片。它支持3.3V和5V供电，支持全速USB设备接口，兼容USBV2.0；提供一对主端点和一对辅助端点，支持控制传输、批量传输、中断传输；具有省事的内置固件模式和灵活的外部固件模式。内置固件模式下屏蔽了相关的USB 协议，自动完成标准的USB 枚举配置过程，完全不需要本地端控制器做任何处理，简化了单片机的固件编程； 通用的8 位并行数据总线控制简单，采用4线控制：读选通、写选通、片选输入、中断输出；通用Windows 驱动程序提供设备级接口；体积小，采用SSOP-28 封装。
    与DSP的接口连接如图5所示。CH375的8位并行接口直接与DSP的数据线低8位相连。/WR 和/RD分别与DSP的WR和RD信号相连，DSP的地址线A0与CH375的A0端口相连，作为CH375的命令和数据端口的选择，片选信号是经过可编程逻辑器件GAL16V8进行与逻辑后产生的片选信号。电容C4用于CH375内部电源节点退耦，可选用1000pF～0.01?滋F的独石或者高频磁片电容。电容C3和C5构成外部电源退耦。晶体Y1、电容C1和C2构成CH375的时钟振荡电路，Y1选用12MHz晶振，C1和C2选用15pF～30pF的独石或高频磁片电容。中断端口与DSP的外部中断1相接，下降沿有效。

3 测试系统的软件设计
    测试系统的软件设计包括下位机程序设计和上位机用户平台的开发。
3.1下位机软件的设计
　　下位机程序包括系统初始化、A/D数据采集子程序、正弦信号发生子程序和USB中断服务子程序。系统初始化包括DSP寄存器的初始化、AD9850初始化和CH375的初始化。AD9850初始化包括复位AD9850和控制字初始化，先让PC0口输出高电平，延时40ms后，输出低电平，完成AD9850复位；将控制字0x00写入AD9850，定义为并行输入，初始相位为0，电源休眠控制。CH375的初始化先对CH375自检，判断CH375是否工作正常，如果工作正常则进入下一步，否则继续等待；将CH375配置为内置固件模式。A/D数据采集完成16路模拟量的采集，采用中值法数字滤波技术对数据进行处理。正弦信号发生子程序先计算输出频率的频率控制字，向AD9850中写入控制字，再将频率控制字从低字节到高字节分4次通过数据线写入AD9850中。USB数据发送过程为：先向CH375写入WR_USB_DATA命令，等待USB主机取走数据，然后CH375锁定当前的缓冲区，防止重复发送数据，将INT#引脚设置为低，进入USB中断服务子程序，执行GET_STATUS命令获取中断状态，执行WR_USB_DATA命令，写入待发送数据。执行UNLOCK_USB命令释放缓冲区，退出中断服务子程序，等待发送下一组数据。
3.2上位机用户平台的设计
   采用VC++6.0作为上位机开发工具，实现数据显示、保存、分析等功能。上位机用户平台具有以下特点：①通过波形、数值、指示灯等方式实时显示数据和系统特性；②光标读取数据参数,系统可以利用光标读取任意时刻的参数；③方便的标记功能,可以在任意两点之间进行标记,计算对应波形图的值；④对于历史数据可以通过文件形式保存下来。上位机流程图如图6所示。

　　USB 为计算机外设提供了一个全新的接口标准。它不占用IRQ 和DMA 资源,具有热插拔、即插即用、自动配置的能力。在本测试系统中,采用USB1.1协议设计与计算机通讯,与笔记本电脑相结合可以构成移动式的飞机防滑刹车测试仪,可以方便地使用于机场、野外等传统人工测试设备不便使用的场合。