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3.9kΩ的电阻,设定最大的输出电流为10mA。IOUTB端连接24Ω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US-BV2.0;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～0.01μF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,Cl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。