基于usb总线传输的模拟机通用单板控制器及控制方法

基于usb总线传输的模拟机通用单板控制器及控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于USB总线传输的模拟机通用单板控制器及控制方法，单板控制器包括MCU，MCU连接USB接口、EEPROM存储器、I/O控制器、AD转换器、PWM控制器及继电器控制器，MCU通过USB接口与模拟机主机连接，I/O控制器、AD转换器、PWM控制器及继电器控制器连接逻辑使能开关阵列的一端，所述逻辑使能开关阵列的另一端对应分别连接开关量信号接线座、AD信号接线座、PWM接线座及继电器信号接线座。本发明在一个控制器主板上集成仪表、控制面板和电门等设备的驱动，并统一接口，保证了稳定和高速的数据交换，无须进行接口的转接，降低了接口的复杂度，软件配置一次性完成，无须额外的开销。
【专利说明】基于USB总线传输的模拟机通用单板控制器及控制方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及模拟机飞行训练设备领域，特别是一种基于USB总线传输的模拟机通 用单板控制器及控制方法。

【背景技术】
[0002] 飞行模拟器研发难点之一是需要对数量众多的仪表、控制面板和电门等设备进行 数据交换。由于这些设备接口不统一，为了保证稳定和高速的数据交换，各设备间都需要单 独的一套复杂的输入输出接口并通过多次转接连接到模拟机的总线系统上，这样不仅造成 了硬件成本高昂，且在软件上，一个控制信号传输需要经过多个节点的转换造成了软件上 额外的开销。
[0003] 除此之外，传统模拟机中各个设备的组件接口不统一，协议不统一，每个设备、组 件需要开发专用的驱动板，造成成本较高，硬件连接复杂等问题。因此，需要一种在模拟机 上的通用单板，针对各机型上不同的设备，通过软件的不同配置达到兼容的目的。硬件只开 发一次，而不是传统上不同的设备需要开发不同的驱动板，整体上降低模拟器的研发成本， 并方便维护。


【发明内容】

[0004] 为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于USB总线传输的模拟机通用单 板控制器及控制方法，控制器作为通用控制驱动板，使用配置参数的方法合理控制系统资 源，驱动飞行训练器中不同类型的设备面板，降低了飞行训练器的成本，并且方便维护。
[0005] 本发明解决其问题所采用的技术方案是： 一种基于USB总线传输的模拟机通用单板控制器，包括MCU，所述Μ⑶连接USB接口、 EEPR0M存储器、I/O控制器、AD转换器、PWM控制器及继电器控制器，所述MCU通过USB接口 与模拟机主机连接，所述I/O控制器、AD转换器、PWM控制器及继电器控制器连接逻辑使能 开关阵列的一端，所述逻辑使能开关阵列的另一端对应分别连接开关量信号接线座、AD信 号接线座、PWM接线座及继电器信号接线座。
[0006] 进一步，所述MCU还连接用于调试的Uart串口和SPI接口。
[0007] 进一步，所述MCU为32位的嵌入式MCU，所述I/O控制器具有80路，所述AD转换 器为8路12位AD，所述PWM控制器为4路16位PWM，所述逻辑使能开关阵列中的一组拨码 开关控制8路接口，对应的，所述I/O控制器对应设置10组拨码开关，所述AD转换器对应 设置1组拨码开关，所述PWM控制器设置1组拨码开关。
[0008] 进一步，所述EEPR0M存储器用于存储参数配置码，所述参数配置码由模拟机主机 按照一定的规则通过USB接口刷新数据，所述模拟机通用单板控制器采用带线程管理的操 作系统编程，每次上电时首先读取EEPR0M存储器中的参数配置码，并根据参数配置码中所 包含的参数初始化模拟机单板控制器上的资源，启动对应的线程。
[0009] 进一步，所述参数配置码所包含的参数包括设备PID、I/O编码、输入检测的采样 周期及AD采样的检测周期，所述设备PID用于识别不同的模拟机通用单板控制器，所述1/ 〇编码用于使能对应的I/O接口，所述输入检测的采样周期用于每隔固定周期检测I/O接口 是否有输入量，所述AD采样的检测周期用于每隔固定周期检测AD转换器是否有变化量。 [0010] 进一步，所述输入检测的采样周期为200ms，所述AD采样的检测周期为100ms。
[0011] 一种基于USB总线传输的模拟机通用单板控制器的控制方法，所述控制方法采用 以上所述的模拟机通用单板控制器，所述控制方法包括： 初步化的步骤，读取EEPR0M存储器中的参数配置码，并根据参数配置码对I/O控制器、 AD转换器、PWM控制器及继电器控制器依次进行初始化设置。单板控制器采用带线程管理 的嵌入式操作系统，在上电初始化时，读取单板控制器中EEPR0M存储器上的参数配置码和 单板控制器上的拨码开关信息，解析出相关资源的使能配置，根据配置初始化对应的资源。 首先配置I/O 口的使能、输入或者输出，并分配指定的物理接口为输入口或输出口；其次， 配置AD转换器，根据配置码使能AD采样控制口，控制AD采样脚的数量；第三，配置PWM控 制器，根据配置码使能PWM控制口，控制PWM脚的数量；最后，配置继电器，根据配置码使能 继电器控制口，控制继电器的数量。
[0012] 线程启动的步骤，分别启动协议处理线程、输入检测线程、输出控制线程、AD采样 线程、继电器控制线程及PWM控制线程进行相应数据的处理，其中，所述协议处理线程用于 收发USB接口的数据，解析模拟机主机的控制指令，并周期性的将输入队列中的开关量信 息传递至模拟机主机；所述输入检测线程用于按照参数配置码中的采样周期设置周期性的 检测对应设备的输入信号，识别出对应的跳变信号并将此跳变信号传递至协议处理线程中 的输入队列；所述输出控制线程用于解析来自协议处理线程的输出量控制指令，完成对应 输出口的控制；所述AD采样线程用于按照参数配置码中AD采样的检测周期检测AD采样 值，并将采样值传递给协议处理线程，再由协议处理线程传递至模拟机主机；所述继电器控 制线程用于解析来自协议处理线程的继电器控制指令，完成对应继电器的控制；所述PWM 控制线程用于解析来自协议处理线程的舵机位置的控制指令，并将其转换为对应PWM信号 以完成对舵机位置的控制。
[0013] 一种小型飞机模拟训练器，包括以上所述的模拟机通用单板控制器，所述模拟机 通用单板控制器通过USB接口连接训练器主机，所述模拟机通用单板控制器通过开关量信 号接线座连接作为输入量的ELT电门、灯光开关、电瓶电门、点火开关、襟翼电门、配平轮， 所述模拟机通用单板控制器还通过开关量信号接线座连接作为输出量的电瓶指示灯和LTE 指示灯，所述模拟机通用单板控制器通过PWM接线座连接襟翼指示器和配平指示器，所述 模拟机通用单板控制器通过AD信号接线座连接油门控制杆和油气混合比控制杆，所述模 拟机通用单板控制器通过继电器信号接线座连接计时器。
[0014] 一种大型飞机模拟训练器，包括多个以上所述的模拟机通用单板控制器，所述每 个控制器分别通过USB接口与训练器主机连接，且其中： 控制器一用于连接电门组件； 控制器二用于连接指示仪表； 控制器三用于连接告警信号牌； 控制器四用于连接操纵杆、脚舵和油门。
[0015] 进一步，所述控制器一、控制器二、控制器三采集的输入信号以低速率的通信方式 输入至训练器主机，所述控制器四采集的输入信号以高速率的通信方式输入至训练器主 机，所述训练器主机以高速率的通信方式输出对应数据至控制器二、以低速率的通信方式 输出数据至控制器三。
[0016] 本发明的有益效果是： 本发明采用种基于USB总线传输的模拟机通用单板控制器及控制方法，在一个控制器 主板上集成仪表、控制面板和电门等设备的驱动，并统一接口，同时保证稳定和高速的数据 交换；与模拟机主机的连接通过USB接口，无须进行接口的转接，降低了接口的复杂度，且 降低了成本；采用通用单板控制器之后，使用主机软件配置板上资源和通信速率，无需额外 的固件编程，提升了运行效率；采用通用单板控制器，可统一不同设备的协议、接口等，使结 构简单化，并降低成本。

【专利附图】

【附图说明】
[0017] 下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
[0018] 图1是本发明所述模拟机通用单板控制器的结构示意图； 图2是本发明所述方法的一种流程示意图； 图3是本发明所述方法另一种流程示意图； 图4是本发明优选的一种小型模拟机系统结构示意图； 图5是本发明优选一种大型模拟机系统结构示意图。

【具体实施方式】
[0019] 参照图1-图5所示，本发明一种基于USB总线传输的模拟机通用单板控制器，包 括MCU，所述MCU连接USB接口、EEPR0M存储器、I/O控制器、AD转换器、PWM控制器及继电 器控制器，所述MCU通过USB接口与模拟机主机连接，所述I/O控制器、AD转换器、PWM控制 器及继电器控制器连接逻辑使能开关阵列的一端，所述逻辑使能开关阵列的另一端对应分 别连接开关量信号接线座、AD信号接线座、PWM接线座及继电器信号接线座。
[0020] 为方便调试和升级，所述MCU还连接Uart串口和SPI接口。
[0021] 为了便于本发明的实现，本发明在具体的应用上对模拟机通用单板控制器进行了 具体的设置，其中，所述MCU为32位的嵌入式MCU，所述I/O控制器具有80路，所述AD转换 器为8路12位AD，所述PWM控制器为4路16位PWM，所述逻辑使能开关阵列中的一组拨码 开关控制8路接口，对应的，所述I/O控制器对应设置10组拨码开关，所述AD转换器对应 设置1组拨码开关，所述PWM控制器设置1组拨码开关。
[0022] 80路I/O 口作为开关量的输入或者输出，输入接开关，输出接指示灯信号，其中有 3路I/O 口连接到板载的继电器上，用于控制大电流设备（比如计时器)。80路I/O 口通过 10组拨码开关控制使能，单板控制器启动时，通过读取拨码开关或参数配置码的使能信息， 只初始化用到的I/O 口，禁用不用的I/O 口，这样可以节省I/O检测的消耗。选取8路AD 转换器，可同时采集8路模拟量，设置一组拨码开关控制各路使能，节省消耗；4路PWM控制 器可以同时输出4路16位的PWM信号，设置一组拨码开关控制各路使能，节省消耗。
[0023] 本发明中，单板控制器通过USB接口接受来自模拟行主机传递来的输出控制信 号，同时把开关量等输入信号传回模拟机主机。
[0024] 所述EEPR0M存储器用于存储参数配置码，所述参数配置码由模拟机主机按照一 定的规则通过USB接口刷新数据，所述模拟机通用单板控制器采用带线程管理的操作系统 编程，每次上电时首先读取EEPR0M存储器中的参数配置码，解析出以上参数，并根据参数 的设置初始化模拟机单板控制器上的资源，启动对应的线程。
[0025] 所述参数配置码包括设备PID、I/O编码、输入检测的采样周期及AD采样的检测 周期，所述设备PID用于识别不同的模拟机通用单板控制器，所述I/O编码用于使能对应的 I/O接口，所述输入检测的采样周期用于每隔固定周期检测I/O接口是否有输入量，所述AD 采样的检测周期用于每隔固定周期检测AD转换器是否有输入量。
[0026] 单板控制器和模拟机主机采用USB协议通信，本发明采用USB2. 0接口规范，为了 进一步提高USB总线的稳定性和接入能力，对设备进行低速和高速的划分，通过主机配置 不同的通信速率，比如仪表显示或者操纵杆摇杆控制量输入属于高速设备，每秒需要发送 10次数据更新；而开关量，指示灯信号属于低速设备，每秒只需发送2次数据更新。即对采 样周期设定时，所述输入检测的采样周期为200ms，所述AD采样的检测周期为100ms。
[0027] 主机配置不同的资源信息后，将结果发送到单板控制器，单板控制器将该信息保 存至板上EEPR0M存储器。每次启动时，读取EEPR0M中的配置信息，禁用不用的功能模块， 初始化使能的模块，并且根据信息合理的选择速率模式，调整信号的采样速率，达到节省资 源的目的。
[0028] 本发明的优选实施例提供了一种基于USB总线传输的模拟机通用单板控制器的 控制方法，所述控制方法采用以上所述的模拟机通用单板控制器，参照图2与图3所示，所 述控制方法包括： 初步化的步骤，读取EEPR0M存储器中的参数配置码，并根据参数配置码对I/O控制器、 AD转换器、PWM控制器及继电器控制器依次进行初始化设置。
[0029] 单板控制器采用带线程管理的嵌入式操作系统，在上电初始化时，读取单板控制 器中EEPR0M存储器上的参数配置码和单板控制器上的拨码开关信息，解析出相关资源的 使能配置，根据配置初始化对应的资源。首先配置I/O 口的使能、输入或者输出，并分配指 定的物理接口为输入口或输出口；其次，配置AD转换器，根据配置码使能AD采样控制口，控 制AD采样脚的数量；第三，配置PWM控制器，根据配置码使能PWM控制口，控制PWM脚的数 量；最后，配置继电器，根据配置码使能继电器控制口，控制继电器的数量。
[0030] 线程启动的步骤，分别启动协议处理线程、输入检测线程、输出控制线程、AD采样 线程、继电器控制线程及PWM控制线程进行相应数据的处理，其中，所述协议处理线程用于 收发USB接口的数据，解析模拟机主机的控制指令，并周期性的将输入队列中的开关量信 息传递至模拟机主机；所述输入检测线程用于按照参数配置码中的采样周期设置周期性的 检测对应设备的输入信号，识别出对应的跳变信号并将此跳变信号传递至协议处理线程中 的输入队列；所述输出控制线程用于解析来自协议处理线程的输出量控制指令，完成对应 输出口的控制；所述AD采样线程用于按照参数配置码中AD采样的检测周期检测AD采样 值，并将采样值传递给协议处理线程，再由协议处理线程传递至模拟机主机；所述继电器控 制线程用于解析来自协议处理线程的继电器控制指令，完成对应继电器的控制；所述PWM 控制线程用于解析来自协议处理线程的舵机位置的控制指令，并将其转换为对应PWM信号 以完成对舵机位置的控制。
[0031] 本发明的优选实施例提供了一种小型飞机模拟训练器，参照图4所示，其采用以 上所述的模拟机通用单板控制器，所述模拟机通用单板控制器通过USB接口连接训练器主 机，所述模拟机通用单板控制器通过开关量信号接线座连接作为输入量的ELT电门、灯光 开关、电瓶电门、点火开关、襟翼电门、配平轮，所述模拟机通用单板控制器还通过开关量信 号接线座连接作为输出量的电瓶指示灯和LTE指示灯，所述模拟机通用单板控制器通过 PWM接线座连接襟翼指示器和配平指示器，所述模拟机通用单板控制器通过AD信号接线座 连接油门控制杆和油气混合比控制杆，所述模拟机通用单板控制器通过继电器信号接线座 连接计时器。
[0032] 以上配置中，电门类属于开关输入，使用单板控制器中的I/O输入插座连接，配置 为I/O输入； 指示灯属于信号输出，使用单板控制器中的I/O输出插座连接，配置为I/O输出； 襟翼和配平指示器是用舵机驱动的，使用单板控制器中的PWM输出插座，配置为PWM输 出； 油门、油气混合比控制杆用位置传感器驱动，使用单板控制器中的AD装换插座，配置 为AD转换； 计时器是采用12V或者24V电压驱动的器件，使用单板控制器中的继电器单元控制。
[0033] 参照图5所示，本发明的优选实施例提供了一种大型飞机模拟训练器，包括多个 以上所述的模拟机通用单板控制器，所述每个控制器分别通过USB接口与训练器主机连 接，且其中： 控制器一用于连接电门组件； 控制器二用于连接指示仪表； 控制器三用于连接告警信号牌； 控制器四用于连接操纵杆、脚舵和油门。
[0034] 所述控制器一、控制器二、控制器三采集的输入信号以低速率方式输入至训练器 主机，所述控制器四采集的输入信号以高速率方式输入至训练器主机，所述训练器主机以 高速率方式输出对应数据至控制器二、以低速率方式输出数据至控制器三。
[0035] 大型飞机的驾驶台设备数量多，单个单板控制器无法满足需求。可以使用多个单 板控制器连入USB网络，每个单板控制器连接不同的组件，通过合理调整USB的通信上行和 下行的通信速率，保证USB网络的稳定性和可扩展性。
[0036] 仿真仪表类设备显示的是空速、姿态、航向、高度等信息，这些信息时刻变化，本 发明将其划分为高速设备，其数据包在上行和下行的传输率设置的较高，例如可以设置为 100ms/次。由于飞行员不可能在同一时间操作多个电门或者开关，因此，开关和电门类 的设备被划分为低速设备，其数据包在上行和下行的传输率设置的相对较低，例如设置为 200ms/次。操纵杆、油门、脚舵等控制设备需要使用电位器进行模数转换，属于高速输入设 备，其数据包的传输率可以设置为100ms/次。
[0037] 本发明只需要通过主机软件进行通信率参数的配置，而不需要再次对固件进行编 程，简化了流程，提升了效率。配置后的相同的控制器单板可以使用不同的数据传输率，达 到区分高速设备和低速设备的目的，这样优化后的USB网络，提高了数据传输效率，且能够 接入更多的仿真设备。
[0038] 以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要 其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种基于USB总线传输的模拟机通用单板控制器，其特征在于，包括MCU，所述MCU 连接USB接口、EEPROM存储器、I/O控制器、AD转换器、PWM控制器及继电器控制器，所述 MCU通过USB接口与模拟机主机连接，所述I/O控制器、AD转换器、PWM控制器及继电器控 制器连接逻辑使能开关阵列的一端，所述逻辑使能开关阵列的另一端对应分别连接开关量 信号接线座、AD信号接线座、PWM接线座及继电器信号接线座。
2. 根据权利要求1所述的模拟机通用单板控制器，其特征在于，所述MCU还连接Uart 串口和SPI接口。
3. 根据权利要求1所示的模拟机通用单板控制器，其特征在于，所述MCU为32位的嵌 入式MCU，所述I/O控制器具有80路，所述AD转换器为8路12位AD，所述PWM控制器为4 路16位PWM，所述逻辑使能开关阵列中的一组拨码开关控制8路接口，对应的，所述I/O控 制器对应设置10组拨码开关，所述AD转换器对应设置1组拨码开关，所述PWM控制器设置 1组拨码开关。
4. 根据权利要求1 一 3任一所述的模拟机通用单板控制器，其特征在于，所述EEPROM 存储器用于存储参数配置码，所述参数配置码由模拟机主机按照一定的规则通过USB接口 刷新数据，所述模拟机通用单板控制器采用带线程管理的操作系统编程，每次上电时首先 读取EEPROM存储器中的参数配置码，并根据参数配置码中所包含的参数初始化模拟机单 板控制器上的资源，启动对应的线程。
5. 根据权利要求4所述的模拟机通用单板控制器，其特征在于，所述参数配置码包含 的参数包括设备PID、I/O编码、输入检测的采样周期及AD采样的检测周期，所述设备PID 用于识别不同的模拟机通用单板控制器，所述I/O编码用于使能对应的I/O接口，所述输入 检测的采样周期用于每隔固定周期检测I/O接口是否有输入量，所述AD采样的检测周期用 于每隔固定周期检测AD转换器是否有变化量。
6. 根据权利要求5所述的模拟机通用单板控制器，其特征在于，所述输入检测的采样 周期为200ms，所述AD采样的检测周期为100ms。
7. -种基于USB总线传输的模拟机通用单板控制器的控制方法，其特征在于，所述控 制方法采用权利要求5任一所述的模拟机通用单板控制器，所述控制方法包括： 初步化的步骤，读取EEPROM存储器中的参数配置码，并根据参数配置码对I/O控制器、 AD转换器、PWM控制器及继电器控制器依次进行初始化设置； 线程启动的步骤，分别启动协议处理线程、输入检测线程、输出控制线程、AD采样线程、 继电器控制线程及PWM控制线程进行相应数据的处理，其中，所述协议处理线程用于收发 USB接口的数据，解析模拟机主机的控制指令，并周期性的将输入队列中的开关量信息传递 至模拟机主机；所述输入检测线程用于按照参数配置码中的采样周期设置周期性的检测对 应设备的输入信号，识别出对应的跳变信号并将此跳变信号传递至协议处理线程中的输入 队列；所述输出控制线程用于解析来自协议处理线程的输出量控制指令，完成对应输出口 的控制；所述AD采样线程用于按照参数配置码中AD采样的检测周期检测AD采样值，并将 采样值传递给协议处理线程，再由协议处理线程传递至模拟机主机；所述继电器控制线程 用于解析来自协议处理线程的继电器控制指令，完成对应继电器的控制；所述PWM控制线 程用于解析来自协议处理线程的舵机位置的控制指令，并将其转换为对应PWM信号以完成 对舵机位置的控制。
8. -种小型飞机模拟训练器，其特征在于，包括权利要求1 一 6任一所述的模拟机通用 单板控制器，所述模拟机通用单板控制器通过USB接口连接训练器主机，所述模拟机通用 单板控制器通过开关量信号接线座连接作为输入量的ELT电门、灯光开关、电瓶电门、点火 开关、襟翼电门、配平轮，所述模拟机通用单板控制器还通过开关量信号接线座连接作为输 出量的电瓶指示灯和LTE指示灯，所述模拟机通用单板控制器通过PWM接线座连接襟翼指 示器和配平指示器，所述模拟机通用单板控制器通过AD信号接线座连接油门控制杆和油 气混合比控制杆，所述模拟机通用单板控制器通过继电器信号接线座连接计时器。
9. 一种大型飞机模拟训练器，其特征在于，包括多个权利要求1 一 6任一所述的模拟机 通用单板控制器，所述每个控制器分别通过USB接口与训练器主机连接，且其中： 控制器一用于连接电门组件； 控制器二用于连接指示仪表； 控制器三用于连接告警信号牌； 控制器四用于连接操纵杆、脚舵和油门。
10. 根据权利要求9所述的大型飞机模拟训练器，其特征在于，所述控制器一、控制器 二、控制器三采集的输入信号以低速率的通信方式输入至训练器主机，所述控制器四采集 的输入信号以高速率的通信方式输入至训练器主机，所述训练器主机以高速率的通信方式 输出对应数据至控制器二、以低速率的通信方式输出数据至控制器三。
【文档编号】G09B9/08GK104062934SQ201410271301
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月17日 优先权日:2014年6月17日
【发明者】杨实, 白杨, 杨正, 王治宇 申请人:珠海翔翼航空技术有限公司