专利名称：基于usb总线的飞行模拟机通用接口系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及基于USB总线的通用接口，特别涉及一种可以应用于飞行模拟机的基于USB总线的通用接口。
背景技术：
飞行模拟机的接口系统是连接计算机主机与飞行座舱的唯一通路，飞机驾驶舱中的所有仪表和信号牌、指示灯都由它按计算机指令驱动，飞行驾驶舱中的开关(离散数据)，位置传感器(模拟数据)都由它接收并发送给计算机主机。因此接口系统在飞行仿真中有据足轻重的地位，是飞行模拟机驾驶舱和计算机主机之间的桥梁。传统的飞行模拟机接口电路由计算机并行总线直接驱动，电路复杂、驱动开发难度大、价格昂贵、抗干扰能力差、传输距离较近。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明设计了基于USB总线的飞行模拟机通用接口系统，USB设备根据其内部单片机固件(Firmware)的不同，可被计算机识别为不同的设备。如可构造成人机接口设备(HID Human Interface Device)鼠标、键盘、游戏操纵杆、数据手套等；可构造成外部存储设备(MSD Mass Storage Device) U盘、移动硬盘、夕卜置光驱等；可构造成通讯设备(⑶C CommunicationDevice)虚拟串口、USB网卡、调制解调器等；还可构造成用户专用设备(Custom Class/Vendor Class)比如USB接口的PIC单片机的I⑶2调试器。基于USB总线的通用飞行模拟机接口系统利用计算机的USB总线作为计算机与接口系统的通讯媒介，接口系统硬件上由接口母板和各类接口子板构成，每块接口母板最多可以驱动8块接口子板实现对端口数量的扩展，而计算机可以同时带动多块接口母板，理论上可以高达127块，且支持PnP技术。接口母板负责与计算机通讯，接受计算机发送来的数据，并按数据类型发送给相应类型的输出接口子板。同时接口母板接受接口子板的输入数据，并编码后通过USB总线发送给计算机。接口母板与接口子板之间通过时钟频率高达IOMHZ的SPI同步串型总线连接。接口母板与接口子板的配合工作完成计算机与飞行模拟座舱设备的数据交换，接口子板的种类包括开关量输入子板、开关量输出子板、模拟量输出子板，模拟量的输入工作由接口母板完成。软件系统包括在飞行仿真计算机上运行的接口通讯程序和在接口母板中运行的代码。在计算机上运行的接口程序采用Microsoft公司的Visual Studio C++开发,接口母板固件采用Microchip公司的C18开发。接口母板的固件将接口系统模拟成计算机的人机接口设备(HID)，在Windows XP操作系统中已经内置了该类HID设备驱动程序，从而避免了开发USB设备驱动，而该类驱动程序的开发工作往往极其复杂、繁琐。为了实现上述目的，本发明的原理如下I. USB接口母板的硬件设计
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硬件的实现思路、设计理念主要包括以下几个部分接口母板的硬件设计；开关量输出子板的硬件设计；开关量输入子板的硬件设计；模拟量输出子板的硬件设计。USB接口系统的母板采用PIC18F4550原生USB接口的单片机为核心部件，实现计算机与其上SIE引擎通过USB总线通讯，并控制接口子板进行应有操作。该板可以用跳线选择外接电源或计算机USB接口供电；能完成12路模拟输入量的高速采集；能检测自身电源工作状况并发出警示；红绿LED指示灯可指示工作状况；复位按钮可对系统复位；编程按钮可对单片机内用户编写的固件执行在线升级；20针的JPl插座用于模拟量的采集和ICD2调试使用；14针的JP2提供SPI和I2C总线和器件选择总线用于连接接口子板。开关量输出子板工作在开出低工作方式，一般应通过JP3外接5V电源供电,在母板带动子板较少时也可通过跳线改为USB供电；具有短路自恢复功能和防浪涌信号冲击能力JPl为板地址设置跳线JP2为连接母板底接口，Jl为DB37型插座，提供32路输出控制，驱动信号指示灯等设备的电源由外部提供。开关量输入子板采用开入高，正逻辑检测。一般应通过JP3外接5V电源供电，在母板带动子板较少时也可通过跳线改为USB供电；在外接的开关信号电源可通过开关量输入子板提供；开关量输入子板通JP2与母板相连JPl可设置子板地址。模拟量输出子板通过JP2接收母板SPI总线发来的控制、数据信号。需外接具有±15V和+5V电源才能工作。R102和Rl 12高精度可调电阻分别负责调节O点电压和最高电压。它能驱动单指针仿真航空仪表和电动地平仪、HSI等复杂飞行模拟机仪表。18F4550固件的开发流程。固件代码采用MPLAP IDE V7. 52集成环境开发，采用C语言开发，使用C18编译器编译。开发时，C语音的代码通过MPLAP调用C18编译器，编译生成HEX后缀名的18F4550机器码文件。运行TOFSUSB. EXE文件将工作于等待更新状态下的电路板固件进行在线更新，就可重新复位电路板，运行固件进行测试了。本固件代码集成在MCHPUSB. MCP工程中。2. USB接口母板的Fireware软件设计USB接口母板使用的18F4550单片机需内置固件(软件)才用正常工作。在接口母板的设计中采用了人机接口设备(Human InterfaceDevice HID)。当一个USB设备连接到PC机的USB端口后，PC机需要寻找合适的驱动给该设备，并为其分配相应的地址，初始化硬件。该过程分为四个步骤上电状态、缺省状态、地址分配状态和配置状态。该过程是PC机经过一定步骤发现有新的USB外设连接，PC机按顺序获取产品生产厂家、产品信息、配置信息、生产商ID等信息，进行相应操作，完成初始化硬件工作。
图I为USB模拟机接口系统框图。图2为USB接口母板工作流程。
具体实施例方式为了使本发明的设计特征、技术手段易于明白理解，以下结合具体实施例进一步阐述本发明。
实施例如图I所示是USB模拟机接口系统框图。基于USB总线的接口母板核心采用Microchip公司的18F4550单片机，该芯片为40脚DIP封装或46脚贴片封装。芯片的23 脚和24脚通过22 Ω电阻连接PC机USB端口的D-和D+数据通讯线。18脚VUSB连接电容提供稳定的3. 3V电压供USB通讯使用。芯片采用20MHZ石英晶体提供时钟信号，该信号经18F4550内部PLL最终生成48MHZ时钟信号供18F4550使用。I脚为Reset弓丨脚，通过4. 7K上拉电阻接电源，当按压连接其的按钮开关时，芯片复位。38脚RB5连接编程写入按钮，当按压下该按钮后再按压复位按钮，再松开复位按钮，此时不释放编程写入按钮，单片机能引导程序自动进入编程写入状态。母板将被PC机识别为18FXXX设备。ANO ANll为模拟量输入引脚可提供每通道10μ S的IObit高速模数转换。其中ANl连接4. 7Κ电阻接电源，用于检测系统电压，也可通过程序屏蔽该功能。5脚为AN3/VREF+多功能复用管脚，可通过编程设置为外部参考电压输入，提供更高的转换精度。19和20脚分别连接红绿两色LED用于指示芯片工作状态。34脚为SCL提供SPI串行总线时钟。33脚为SDA用于SPI总线数据的输入和输出。RDO RD7在程序中设置为输出端口，用于选择不同的子板。当使用最多8块子板时，需在程序中屏蔽状态显示LED。25脚为芯片RS232串口的发送TX引脚，26脚为芯片RS232串口的接口 RX引脚。该端口可用于调试和与PC机串行通讯。如连接PC需接MX232进行TTL电平到RS232通讯电平的转换。JPl用于模拟信号的采集输入和单片机连接ICD2在线单片机调试器。JP2用于连接系统子板。开关量输出子板采用串并转换锁存芯片为SPI数据接收核心。Ul U4共4片该芯片串连，可接收母板发来的4字节数据，提供32路输出通道。U9 U12共4片ULN2803A芯片用于放大Ul U4的信号，提供最大500mA/48V负载的驱动能力，该芯片具有抗脉冲冲击能力。ULN2803A至输出插座Jl间串连500mA自恢复器件。用于过流保护，避免因为负载短路或电流过大烧毁UNL2803A芯片或前级芯片。JPl跳线插头可用跳线设置子板工作地址，地址从I 8，即最多8块子板同时工作。JP2用于连接母板用于SPI信号和子板选择信号的交换。开关量输入子板的核心芯片是并串转换芯片，该板共有Ul U4四块芯片串连工作，提供32路开关量信号输入。每个芯片的并行输入引脚通过4. 7K的电阻排上拉至电源电源。连接其的开关等无需再提供信号电压即可正常工作。JPl跳线插头可用跳线设置子板工作地址，地址从I 8，即最多8块子板同时工作。JP2用于连接母板用于SPI信号和子板选择信号的交换。接口模数转换子板的核心芯片是TI公司生产的SPI串行同步总线驱动模数转换芯片IC1、IC2，ICUIC2各提供8路12bit(4096个分辨率)精度的数模转换通道，转换时间小于10微妙，合计提供16路模拟量输出。因IC1、IC2是输出的模拟信号是正电压，不能提供负电压，而模拟机使用航空仪表输入信号电压多为土 IOV电压，需要设置虚拟O点电压和负参考电压供后级运放使用。所以采用基准电源与运放合成参考O点电压和负电压。子板中采用2. 048V的基准电源芯片，该芯片能满足12bit数模转换芯片的参考电压精度要求。该输出电压经过U2A，U2D运放电路变换为4. 096V基准电源，经过U2B，U2C运放电路变换为
4.096V基准电源变换为-2. 048V基准电压。运放Ul、U3、U4、U5用于放大ICl和IC2的输出模拟量信号，运放的反相输入端连接-2. 048V基准信号，完成虚地信号地合成。
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如图2所示为USB接口母板工作流程，其中整个工程包括多个C语言文件。hid.c文件用于HID接口的汇报功能和解码功能；main. c文件是主程序文件,用于初始化USB接口、任务轮流执行控制；usb9. c文件用于标准USB信号的解码处理；usbctrltrf. c文件用于USB控制查询数据包的解码、译码处理；usbdrv. c文件用于USB各个状态的切换控制；usbdsc. c用于USB信号的定义；usbmmap. c文件定义了 18F4550的各个数据接收、发送硬件端点；uSb_generiC_hid. c文件是用户数据发送、接收、处理模块。系统初始化代码采用宏定义方式，该定义方法在单片机中常采用。定义UCFG工作标志等于UCFG_VAL即设定USB工作于全速模式。同时对当前USB工作状态全局变量赋值。基于USB总线的飞行模拟机通用接口系统研制完成后，先后对夏延全任务飞行模拟机的备用地平仪、速度表、信号指示牌等进行驱动测试，试验效果符合预期设想。该发明的研制成功是国内民航业界内首次将USB总线应用于飞行模拟机、训练器的接口系统设计，填补了国内模拟机接口电路采用USB通用高速串行总线的空白。该发明研究成果可作为新型飞行练习器、飞行模拟机的接口系统使用，也可为旧模拟机升级改造提供相应的技术支持。系统主要特点如下(I)系统采用USB2. O全速运行方式，理论速度最高达12Mb/S。(2)理论上最多可挂接127块接口母板。(3)支持USB即插即用技术，配合程序能实现模拟机不停机维修、恢复。(4)多块母板能同时互不干扰的工作，母板可挂接多块子板能满足大、中、小型不同飞机模拟机、飞行练习器的需求。(5)接口在计算机中识别为人机接口设备(HID)，无序安装驱动程序。(6)整体系统价格低廉。(7)完整的PC机端软件开发包。(8)能驱动多种复杂飞行模拟机使用的航空仪表。(9)系统提供自身和外接状态检测功能，配合探头可监视电源电源、工作温度等模拟机运行参数。(10)通过USB HUB信号放大传输线，能在工作距离达25M时全速运行。如采用CAT5延长设备，传输距离可达100M以上。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
权利要求
1.基于USB总线的飞行模拟机通用接口系统，其特征在于，利用计算机的USB总线作为计算机与接口系统的通讯媒介，接口系统硬件上由接口母板和各类接口子板构成，每块接口母板最多可以驱动8块接口子板实现对端口数量的扩展，而计算机可以同时带动多块接口母板，理论上可以高达127块，且支持PnP技术。
2.根据权利要求I所述的基于USB总线的飞行模拟机通用接口系统，其特征在于，接口母板与接口子板的配合工作完成计算机与飞行模拟驾驶舱设备的数据交换，接口子板的种类包括开关量输入子板、开关量输出子板、模拟量输出子板，模拟量的输入工作由接口母板完成。
3.根据权利要求I所述的基于USB总线的飞行模拟机通用接口系统，其特征在于，接口母板的固件将接口系统模拟成计算机的人机接口设备(HID)。
全文摘要
本发明公开了基于USB总线的飞行模拟机通用接口系统，基于USB总线的飞行模拟机通用接口利用计算机的USB总线作为计算机与接口系统的通讯媒介，接口系统硬件上由接口母板和各类接口子板构成，每块接口母板最多可以驱动8块接口子板实现对端口数量的扩展，而计算机可以同时带动多块接口母板，理论上可以高达127块，且支持PnP技术。接口母板与接口子板的配合工作完成计算机与飞行模拟座舱设备的数据交换，接口子板的种类包括开关量输入子板、开关量输出子板、模拟量输出子板，模拟量的输入工作由接口母板完成。接口母板的固件将接口系统模拟成计算机的人机接口设备(HID)。USB接口母板中设计了Fireware软件实现和模拟机的通信。
文档编号G06F13/38GK102937942SQ20121048555
公开日2013年2月20日 申请日期2012年11月26日 优先权日2012年11月26日
发明者陈又军, 苏彬, 周毅 申请人:中国民用航空飞行学院