基于C8051F340的模擬飛控仿真器的設(shè)計與實現(xiàn)

周雪純，張 莉，孫恒坤

（中國飛行試驗研究院 陜西 西安 710089）

基于C8051F340的模擬飛控仿真器的設(shè)計與實現(xiàn)

周雪純，張 莉，孫恒坤

（中國飛行試驗研究院 陜西 西安 710089）

為了向后端模擬設(shè)備提供快速有效的調(diào)試和檢查功能，設(shè)計并實現(xiàn)一種便攜式模擬飛控仿真器，該仿真器采用C8051F340作為主控制芯片，通過AD5722搭建DA轉(zhuǎn)換電路，以USB2.0作為與上位機數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌?，可同時輸出兩路差分模擬階梯信號。首先簡要介紹模擬飛控仿真器的總體結(jié)構(gòu)，其次詳細(xì)說明了該仿真器的軟硬件設(shè)計及實現(xiàn)方法，并給出了上位機界面圖。仿真器已經(jīng)應(yīng)用在實際的檢查排故工作中，提高工作效率，穩(wěn)定性良好。

C8051F340；仿真器；PAM；USB2.0

隨著我國航空技術(shù)的不斷發(fā)展，飛機結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，各種功能性系統(tǒng)隨之增加，前后級設(shè)備的聯(lián)機調(diào)試和排故工作量也逐漸加大，這就需要設(shè)計專用的仿真器，模擬前端設(shè)備的信號輸出，可以在實驗室進(jìn)行快速有效地聯(lián)機測試。

為了向后端的模擬飛控采集器提供快速有效的調(diào)試和檢查功能，設(shè)計并實現(xiàn)了一種便攜式模擬飛控仿真器，能夠模擬前端的模擬飛控計算機的模擬階梯信號輸出。

1　模擬飛控仿真器的總體結(jié)構(gòu)

模擬飛控仿真器由仿真器外設(shè)和應(yīng)用軟件兩部分組成，應(yīng)用軟件安裝在計算機上，通過計算機的USB接口和仿真器外設(shè)連接，輸出A和B兩個通道的模擬階梯信號，其中每個通道含有64組數(shù)據(jù)，通過6位地址線可選通其中的任何一組數(shù)據(jù)，兩個通道共128組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)的起始電壓、終止電壓和步數(shù)3個參數(shù)都可以通過軟件靈活設(shè)置并加載。其中，每個通道中的數(shù)據(jù)組號的選取由后端模擬飛控采集器提供，按照所選擇數(shù)據(jù)組號的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行信號輸出。如圖1所示。

圖1　模擬飛控仿真器結(jié)構(gòu)框圖

2　模擬飛控仿真器的硬件設(shè)計

模擬飛控仿真器的硬件設(shè)計框圖如圖2所示，C8051F340作為主控制器通過USB接口與計算機的上位機軟件連接，將設(shè)置好的全部通道數(shù)據(jù)及配置信息下載到FLASH數(shù)據(jù)存儲器中，下載完成后，主控制器根據(jù)配置信息設(shè)置每組數(shù)據(jù)的參數(shù)［1-2］。

圖2　模擬飛控仿真器的硬件設(shè)計框圖

連接后端模擬飛控采集器，接收到采集器發(fā)送的通道數(shù)據(jù)組號后，啟動數(shù)據(jù)發(fā)送時，主控制器根據(jù)所選取的數(shù)據(jù)組號將該相應(yīng)數(shù)據(jù)讀入RAM中，最后將數(shù)據(jù)通過DA轉(zhuǎn)換和緩沖電路進(jìn)行輸出。

2.1主控制器電路設(shè)計

根據(jù)本仿真器設(shè)計的需要選用Silicon公司的C8051F340微控制器，該芯片內(nèi)部集成了完全符合USB2.0規(guī)范的USB功能控制器，并且包括64 KB的片內(nèi)FLASH存儲器、4352B片內(nèi)RAM（256+4 KB）、全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口、精確校準(zhǔn)12 MHz內(nèi)部振蕩器和4倍時鐘乘法器、5個捕捉/比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數(shù)器/定時器陣列（PCA）、片內(nèi)上電復(fù)位等等資源，它具有速度高、資源配置靈活、中斷資源多的特點，完全滿足仿真器的設(shè)計需要［3-4］。如圖3所示，為C8051F340的控制電路原理框圖，外加器件很少，只有電源顯示電路、復(fù)位電路和JTAG接口電路，與AD5722的控制信號和選通數(shù)據(jù)組號的地址線信號可直接引出，無需外接器件。

圖3　主控制器電路原理框圖

2.2DA轉(zhuǎn)換電路和輸出緩沖部分

在該仿真器中，采用AD5722作為DA轉(zhuǎn)換電路芯片，具有雙通道、12位串行輸入、單極性/雙極性電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器。標(biāo)稱滿量程輸出范圍可通過軟件選擇，選項有+5V、+10 V、+10.8 V、±5 V、±10 V和±10.8 V。同時還內(nèi)置輸出放大器、基準(zhǔn)電壓緩沖器以及專有上電/省電控制電路。采用串行接口，能夠以最高30 MHz的時鐘速率工作，并且與微控制器接口標(biāo)準(zhǔn)兼容，利用雙緩沖，所有DAC可實現(xiàn)同時更新。對于雙極性輸出，輸入編碼方式為用戶可選的二進(jìn)制補碼或偏移二進(jìn)制；對于單極性輸出，輸入編碼方式為標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制。利用異步清零功能，可將所有DAC寄存器清零至用戶可選的零點平或中量程輸出。

在該仿真器中，數(shù)字信號通過AD5722模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其模擬信號經(jīng)過由OP285搭建的隔離電路和差分電路后輸出。如圖4所示。

圖4　數(shù)模轉(zhuǎn)換電路原理框圖

3　模擬飛控仿真器的軟件設(shè)計

3.1底層程序設(shè)計

在C80581F340的底層程序設(shè)計中，經(jīng)過初始化程序后，關(guān)掉PCA（可編程計數(shù)器），打開中斷，然后判斷運行標(biāo)志位是否置1，置1則從外部獲取數(shù)據(jù)組號，按照選通的數(shù)據(jù)參數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)；沒有置1的話，就一直處于查詢狀態(tài)［5-6］。

3.2上位機軟件程序設(shè)計

如圖5所示為模擬飛控仿真器的上位機主界面圖，上位機軟件是在C++Builder環(huán)境下編寫完成的，主要完成三項基本操作，即上位機和仿真器外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)的建立、編輯、存儲、打開；控制仿真器正常運行。當(dāng)設(shè)備運行后，圖表會以曲線的形式顯示。復(fù)位用于復(fù)位外設(shè)內(nèi)部MCU，設(shè)備運行狀態(tài)正常情況下不建議使用。位于底部的設(shè)備狀態(tài)指示條會提示上面各項操作的結(jié)果。

圖5　軟件運行界面圖

4　結(jié)束語

文中介紹了一種能夠為模擬計算機后端設(shè)備提供檢查測試的模擬飛控仿真器，先介紹了該仿真器的研制需求，然后闡述了總體結(jié)構(gòu)、硬件電路、底層程序和上位機軟件，非常適合外場模擬接收設(shè)備的例行檢查和排故，提高工作效率，且穩(wěn)定性良好。

［1］劉艷梅，戰(zhàn)立光，朱銳鋒，等.基于C8051F340的航空發(fā)動機循環(huán)壽命記錄系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) ［J］.測控技術(shù)，2012，31（4）：136-139.

［2］肖強，王沖，林炳章.基于C8051F340單片機的GPS校時器設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程，2011，19（17）：120-122.

［3］李文華，羅霄，張樂.飛控計算機數(shù)據(jù)模擬器的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（11）：104-106.

［4］新華龍電子有限公司.C8051F340/1/2/3/4/5/6/7全速USB FLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊［Z］.潘琢金譯.2006.

［5］張莉，周雪純，張樂.基于USB2.0接口的PCM數(shù)據(jù)采集器設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電子設(shè)計工程，2015，23（8）：78-80.

［6］譚浩強.C程序設(shè)計［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2001.

Design and implementation of the analog flight-control simulator based on C8051F340

ZHOU Xue-chun，ZHANG Li，SUN Heng-kun
（China Flight Test Establishment，Xi'an 710089，China）

In order to debug and inspect the back-end analog equipment quickly and efficiently，a portable analog flightcontrol simulator was designed and implemented，C8051F340 was used as the main control chip in the simulator，AD conversion circuitry was builtby AD5722，the interface to transfer datawith computerwas USB2.0，the simulator can output two differential signal.Firstly，the overall structure of the analog flight-control simulatorwas introduced briefly，secondly the design and implementation of the hardware and software of the simulatorwas described in detail，and the computer interface figurewasprovided.Ithasbeen used in the actualexamination and troubleshootingwork，it isable to improvework efficiency and good stability.

C8051F340；simulator；PAM；USB2.0

TN337

A

1674-6236（2016）19-0120-02

2015-08-03稿件編號：201508010

周雪純（1986—），女，北京人，工程師。研究方向：嵌入式系統(tǒng)、檢測技術(shù)。