基于ATmega16的飞机防滑刹车测试系统设计与实现

摘要：飞机防滑刹车控制器是飞机制动系统的核心部件。装机前对它进行离线测试能够为它装机后的正常运行提供重要保障，从而极大地降低它的装机成本。描述了一种针对该控制器，基于ATmega16的离线测试系统的原理以及实现方法。核心思想为将模拟出的飞机刹车过程中的各种物理量施加在控制器上，完成相关功能测试，再利用LabVIEW软件开发平台实现对测试数据的接收、处理和显示，为控制器提供了一套有效的检测手段。
关键词：控制器；ATmega16；测试系统；LabVIEW

0 引言
    飞机防滑刹车系统是飞机重要的机载设备，它是飞机上具有相对独立功能的子系统，对飞机的起飞和安全着陆起着重要的作用。由于飞机着陆过程持续的时间比较短，正常刹车时在1．5 s内防滑刹车系统必须做出反应，以确保飞机安全、可靠刹车。防滑刹车系统的响应速度、轮间保护、刹车率等性能的好坏直接影响到飞机及机载人员的安全。为避免防滑刹车系统某些装置发生故障而引起整个系统的瘫痪，就必须对飞机防滑刹车系统的性能进行检测。
    飞机防滑刹车控制器测试系统是指在飞机起飞和检修时对防滑刹车控制器进行性能自动检测的地勤设备。通过检测可对防滑刹车控制器的性能、状态做出评估。本文设计一种基于ATmega16芯片的用于测试飞机防滑刹车控制器的自动测试系统，能模拟刹车控制器的多种刹车状态并对其性能进行检测，保障防滑刹车系统安全、可靠、快速运行，确保飞机刹车安全。

1 系统结构原理
    测试系统结构中包括：主控芯片ATmega16，模拟机轮速度输出，模拟信号采集，开关信号输出，刹车压力信号，液晶显示及键盘输入，上位机RS 232通信，如图1所示。

    ATmega 16是基于增强型AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器，具有先进的RISC结构。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega 16的数据吞吐率高达1MIPS／MHz，芯片运行稳定，程序不易跑飞，因此选其作为本测试系统的主芯片。
    机轮转速传感器产生频率与机轮速度成正比的近似正弦电信号，频率范围为0～3 kHz。测试系统中利用可编程波形发生器模拟轮速信号，作为刹车控制器工作时的输入信号。采用美国AD公司推出的DDS芯片AD9833，通过软件编程产生频率及幅值可调的正弦信号。当AD9833主频时钟为25 MHz时，其精度为0．1 Hz。在实现机轮转速模拟时，机轮速度信号可通过上位机设定方式和单片机设定方式进行设定。上位机设定方式允许用户在上位机界面中输入模拟机轮速度。单片机设定方式允许用户通过键盘设定模拟机轮速度为0～2 600 Hz的正弦信号。
    测试系统需要检测和显示的参量主要有六路模拟量信号，如图2所示，通过ATmega16的PA口输入。在程序初始化时将PA口设置为A／D转换功能对六路模拟信号进行采集，采集结果经转换后由液晶屏显示。为了使系统使用灵活，增加其通用性，本测试系统设计了液晶显示与上位机显示两种显示方式。

    飞机刹车过程中开关信号主要包括静刹信号、轮载信号以及落地信号等。可模拟飞机的各种刹车状态：地面静刹车、起落架收上刹车、空中刹车和正常刹车。测试系统中采用双向模拟开关，与刹车过程中各个开关量一一对应，每个开关均由ATmega16的一个端口对其进行控制，可确定信号处于有效或无效状态。通过对模拟开关的控制，系统可测试刹车控制盒在多种工作状态下的刹车情况。
    刹车压力信号用来模拟飞行员通过刹车踏板施加的刹车压力信号，它是一个模拟量，在系统设计时采用电位器来分别给出可调的刹车压力信号。刹车控制盒响应该信号后开始工作，同时测试系统对控制盒工作情况进行检测。
    液晶显示及键盘输入部分是将测试系统的测试信息通过液晶屏幕进行显示，方便用户及时了解测试情况，并可通过键盘对测试系统参数进行设定，例如修改模拟机轮速度的正弦信号的频率，设定刹车状态等等。
    测试系统通过RS 232电路与上位机进行通信，可将测试到的实时数据上传至PC机，并可通过上位机软件对测试系统进行设置。上位机程序由LabVIEW软件编写。
    测试时要模拟飞机刹车过程，测试系统只需要向刹试系统需要对刹车控制器工作时的机轮转速及其对应的参考转速这两个关键量进行采样、处理及显示。另外，为了检测伺服阀这一刹车关键作动器件的工作状态，测试系统还将伺服阀电压进行采样并显示，这些信号也正是控制器反馈给测试系统的信号量，所有这些信号量一起构成了控制器与控制器测试系统之间的信号流动，连接方式如图2所示。

2 硬件设计
    测试系统以ATmega16单片机为核心，硬件设计主要包括以下几个部分：信号采集与输出部分、信号模拟部分、信号处理和数据传输部分。下面主要介绍硬件设计中的几个关键点和难点。
2．1 A／D采样电路
    测试系统需要采集的模拟量有机轮参考速度和伺服阀电压，设计中直接应用ATmega16芯片内部的A／D口进行信号采集，采用CD4053对A／D口扩展。待测模拟信号经过跟随电路后分压。当设置ATmega16的控制端S1为低电平时，Z0通道选通，进行机轮参考速度的采样；为高电平时Z1通道选通，进行伺服阀电压的采样，如图3所示。

2．2 D／A转换电路
    设计中采用串行10位数／模转换器TLC5615进行D／A转换，转换速率快，只需三根串行总线就可完成10位数据的串行输入。当片选端CS为低电平时，每个SCLK时钟的上升沿将DIN的一位数据移入16位移位寄存器，在CS的上升沿将16位移位寄存器的10位有效数据存于10位DAC寄存器，供DAC电路进行转换输出。DAC输出的最大电压为2倍基准输入电压。基准电压采用精密的2．5 V并联稳压器LM336。如图4所示。

2．3 AD9833模拟机轮速度信号
    机轮速度信号的模拟采用低功耗、可编程的波形发生器AD9833，它能够产生正弦波并且无需外接元件，输出频率和相位都可通过软件编程，易于调节。其输出的正弦信号经运算放大器后作为机轮速度的模拟信号，如图5所示。

2．4 串口通信电路
    采用RS 232标准电路，完成测试系统与上位机之间的通信。
2．5 键盘扫描电路
    键盘扫描芯片选用ZLG7289，内部含有译码器，具有串行接口，单片即可完成键盘接口的全部功能。外接四行三列12键键盘，当有按键按下时KEY端口会变为低电平，利用指令可读出所按键值。电路如图6所示。

3 系统软件设计
    系统软件总体设计流程如图7所示，程序进入主函数先是完成对系统的初始化，包括：关闭总中断，完成单片机内部相关寄存器的配置、AD9833的初始化和ZLG7289的配置，开总中断，进入死循环的主程序运行，直到系统断电。子程序的设计主要包括：模拟信号的采集和处理子程序、正弦信号控制子程序、键盘扫描子程序、RS 232通信子程序。

4 上位机分析软件
    上位机数据分析软件是运行在PC机上脱离于测试仪器的数据分析软件。用LabVIEW 8．6编写，可记录并回放测试装置的检测数据。该软件在Windows系统下运行，可通过串口与测试装置通信。通过上传的检测数据可以观测数据波形，例如阀门电流，还可分析防滑刹车控制器的性能。

5 结语
    目前该测试系统已经交付使用，成本低，携带方便，人机界面良好，可靠性高，并且在实际运行过程中取得了良好的运行效果。能够快速地检测到飞机刹车防滑控制盒的故障信息，并能把检测结果实时显示在液晶屏上，并由上位机软件对检测结果进行记录。测试数据为飞机刹车事故分析、处理和预防提供有利的证据，同时也能通过防滑控制盒的检测结果，为防滑控制盒的改进工作提供参考依据。