基于C8051F340的模拟飞控仿真器的设计与实现

周雪纯，张 莉，孙恒坤

（中国飞行试验研究院 陕西 西安 710089）

基于C8051F340的模拟飞控仿真器的设计与实现

周雪纯，张 莉，孙恒坤

（中国飞行试验研究院 陕西 西安 710089）

为了向后端模拟设备提供快速有效的调试和检查功能，设计并实现一种便携式模拟飞控仿真器，该仿真器采用C8051F340作为主控制芯片，通过AD5722搭建DA转换电路，以USB2.0作为与上位机数据传输的接口，可同时输出两路差分模拟阶梯信号。首先简要介绍模拟飞控仿真器的总体结构，其次详细说明了该仿真器的软硬件设计及实现方法，并给出了上位机界面图。仿真器已经应用在实际的检查排故工作中，提高工作效率，稳定性良好。

C8051F340；仿真器；PAM；USB2.0

随着我国航空技术的不断发展，飞机结构越来越复杂，各种功能性系统随之增加，前后级设备的联机调试和排故工作量也逐渐加大，这就需要设计专用的仿真器，模拟前端设备的信号输出，可以在实验室进行快速有效地联机测试。

为了向后端的模拟飞控采集器提供快速有效的调试和检查功能，设计并实现了一种便携式模拟飞控仿真器，能够模拟前端的模拟飞控计算机的模拟阶梯信号输出。

1　模拟飞控仿真器的总体结构

模拟飞控仿真器由仿真器外设和应用软件两部分组成，应用软件安装在计算机上，通过计算机的USB接口和仿真器外设连接，输出A和B两个通道的模拟阶梯信号，其中每个通道含有64组数据，通过6位地址线可选通其中的任何一组数据，两个通道共128组数据，每组数据的起始电压、终止电压和步数3个参数都可以通过软件灵活设置并加载。其中，每个通道中的数据组号的选取由后端模拟飞控采集器提供，按照所选择数据组号的参数设置进行信号输出。如图1所示。

图1　模拟飞控仿真器结构框图

2　模拟飞控仿真器的硬件设计

模拟飞控仿真器的硬件设计框图如图2所示，C8051F340作为主控制器通过USB接口与计算机的上位机软件连接，将设置好的全部通道数据及配置信息下载到FLASH数据存储器中，下载完成后，主控制器根据配置信息设置每组数据的参数［1-2］。

图2　模拟飞控仿真器的硬件设计框图

连接后端模拟飞控采集器，接收到采集器发送的通道数据组号后，启动数据发送时，主控制器根据所选取的数据组号将该相应数据读入RAM中，最后将数据通过DA转换和缓冲电路进行输出。

2.1主控制器电路设计

根据本仿真器设计的需要选用Silicon公司的C8051F340微控制器，该芯片内部集成了完全符合USB2.0规范的USB功能控制器，并且包括64 KB的片内FLASH存储器、4352B片内RAM（256+4 KB）、全速、非侵入式的在系统调试接口、精确校准12 MHz内部振荡器和4倍时钟乘法器、5个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA）、片内上电复位等等资源，它具有速度高、资源配置灵活、中断资源多的特点，完全满足仿真器的设计需要［3-4］。如图3所示，为C8051F340的控制电路原理框图，外加器件很少，只有电源显示电路、复位电路和JTAG接口电路，与AD5722的控制信号和选通数据组号的地址线信号可直接引出，无需外接器件。

图3　主控制器电路原理框图

2.2DA转换电路和输出缓冲部分

在该仿真器中，采用AD5722作为DA转换电路芯片，具有双通道、12位串行输入、单极性/双极性电压输出数模转换器。标称满量程输出范围可通过软件选择，选项有+5V、+10 V、+10.8 V、±5 V、±10 V和±10.8 V。同时还内置输出放大器、基准电压缓冲器以及专有上电/省电控制电路。采用串行接口，能够以最高30 MHz的时钟速率工作，并且与微控制器接口标准兼容，利用双缓冲，所有DAC可实现同时更新。对于双极性输出，输入编码方式为用户可选的二进制补码或偏移二进制；对于单极性输出，输入编码方式为标准二进制。利用异步清零功能，可将所有DAC寄存器清零至用户可选的零点平或中量程输出。

在该仿真器中，数字信号通过AD5722模数转换电路，其模拟信号经过由OP285搭建的隔离电路和差分电路后输出。如图4所示。

图4　数模转换电路原理框图

3　模拟飞控仿真器的软件设计

3.1底层程序设计

在C80581F340的底层程序设计中，经过初始化程序后，关掉PCA（可编程计数器），打开中断，然后判断运行标志位是否置1，置1则从外部获取数据组号，按照选通的数据参数发送数据；没有置1的话，就一直处于查询状态［5-6］。

3.2上位机软件程序设计

如图5所示为模拟飞控仿真器的上位机主界面图，上位机软件是在C++Builder环境下编写完成的，主要完成三项基本操作，即上位机和仿真器外设之间的数据传输；数据的建立、编辑、存储、打开；控制仿真器正常运行。当设备运行后，图表会以曲线的形式显示。复位用于复位外设内部MCU，设备运行状态正常情况下不建议使用。位于底部的设备状态指示条会提示上面各项操作的结果。

图5　软件运行界面图

4　结束语

文中介绍了一种能够为模拟计算机后端设备提供检查测试的模拟飞控仿真器，先介绍了该仿真器的研制需求，然后阐述了总体结构、硬件电路、底层程序和上位机软件，非常适合外场模拟接收设备的例行检查和排故，提高工作效率，且稳定性良好。

［1］刘艳梅，战立光，朱锐锋，等.基于C8051F340的航空发动机循环寿命记录系统的设计与实现 ［J］.测控技术，2012，31（4）：136-139.

［2］肖强，王冲，林炳章.基于C8051F340单片机的GPS校时器设计［J］.电子设计工程，2011，19（17）：120-122.

［3］李文华，罗霄，张乐.飞控计算机数据模拟器的设计与实现［J］.现代电子技术，2014，37（11）：104-106.

［4］新华龙电子有限公司.C8051F340/1/2/3/4/5/6/7全速USB FLASH微控制器数据手册［Z］.潘琢金译.2006.

［5］张莉，周雪纯，张乐.基于USB2.0接口的PCM数据采集器设计与实现［J］.电子设计工程，2015，23（8）：78-80.

［6］谭浩强.C程序设计［M］.北京：清华大学出版社，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稿件编号：201508010

周雪纯（1986—），女，北京人，工程师。研究方向：嵌入式系统、检测技术。