0 引言

    在機(jī)彈載領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)需要通過(guò)采集離散量信號(hào)來(lái)識(shí)別大量的位置、閥門狀態(tài)、指示燈狀態(tài)等信息。但是，機(jī)彈載領(lǐng)域的離散量一般使用28 V信號(hào)，這類信號(hào)不能直接被計(jì)算機(jī)所識(shí)別，必須通過(guò)一定的接口電路轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)所能識(shí)別的TTL或CMOS信號(hào)^[1]。隨著電子元器件、集成電路以及計(jì)算機(jī)的發(fā)展，離散量信號(hào)的接口電路由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，可靠性逐步提高，集成度逐步增加，功能逐步完善。

1 離散量輸入信號(hào)處理電路的功能

    在機(jī)彈載領(lǐng)域，離散量輸入信號(hào)一般為高壓、大電流信號(hào)，機(jī)彈載計(jì)算機(jī)無(wú)法直接進(jìn)行采集，需要將離散量輸入信號(hào)進(jìn)行降壓、隔離、濾波等相關(guān)處理后，才能由計(jì)算機(jī)CPU獲取、采集。一般離散量輸入信號(hào)處理電路實(shí)現(xiàn)以下功能：

    (1)隔離及雷電防護(hù)功能，離散量輸入信號(hào)不能對(duì)后端采集計(jì)算機(jī)造成電氣損壞。

    (2)電平轉(zhuǎn)換功能，將高壓、大電流的離散量輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為可被后端計(jì)算機(jī)識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)TTL或CMOS信號(hào)。

    (3)濾波，消抖功能。經(jīng)過(guò)處理，離散量輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的狀態(tài)信號(hào)，才可保證后端計(jì)算機(jī)采集的準(zhǔn)確性。

    (4)與計(jì)算機(jī)主機(jī)接口的對(duì)接功能。處理轉(zhuǎn)換后，離散量輸入信號(hào)應(yīng)與計(jì)算機(jī)總線靈活對(duì)接，方便處理器的采集。

    (5)BIT測(cè)試能力。離散量輸入信號(hào)處理電路需要具有自測(cè)試能力，保證CPU對(duì)接口處理電路狀態(tài)的可控性和可信性。

2 離散量輸入信號(hào)處理電路的基本原理

    用于機(jī)彈載領(lǐng)域的離散量輸入主要分為28 V/開、地/開以及15 V/地等，前兩種在機(jī)彈載設(shè)備上是主流離散量輸入類型，后一種只用在飛控等對(duì)可靠性和電壓穩(wěn)定度要求很高的設(shè)備上。本文主要對(duì)前兩種離散量處理的接口電路進(jìn)行介紹，15 V/地離散量輸入的處理方法和前兩種在原理上相同。

    離散量輸入接口電路不論是分立器件搭建的電路還是集成電路的單芯片電路，其電路的基本原理和組成相同，主要包括雷電防護(hù)電路、分壓濾波電路、轉(zhuǎn)換隔離電路、總線驅(qū)動(dòng)電路、譯碼邏輯電路以及激勵(lì)產(chǎn)生電路等，其框架原理圖見(jiàn)圖1。

3 當(dāng)前離散量輸入信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方式

    目前，主流的離散量輸入接口電路的處理方法仍是基于分立元器件搭建電路，分為隔離型和非隔離型兩種。前者是通過(guò)光耦附加分立器件搭建電路進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)與內(nèi)部處理電路的電氣隔離(輸入信號(hào)和處理電路不“共地”)；而非隔離型則經(jīng)過(guò)了三代發(fā)展，從早期的分立器件搭建，到之后的通過(guò)比較器和分立器件組合，再到現(xiàn)在的完全單片化集成電路[5]。目前兩種電路在機(jī)載電子設(shè)備中根據(jù)不同應(yīng)用情況仍在使用。

3.1 隔離型離散量輸入接口處理

    隔離型離散量輸入接口電路見(jiàn)圖2，通過(guò)分立器件電阻電容等形成分壓限流電路拓?fù)?，配合光耦以及緩沖驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)離散量?jī)煞N狀態(tài)到TTL信號(hào)的轉(zhuǎn)換。這種接口電路的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)離散量信號(hào)與內(nèi)部電路的電氣隔離^[2]；缺點(diǎn)是沒(méi)有集成芯片可用，都是通過(guò)光耦和分立電阻電容等器件搭建電路，體積、重量和成本較高，另外光耦導(dǎo)通時(shí)的電流范圍很大，參數(shù)受溫度影響很大，加之外部電源一般使用機(jī)上28 V，導(dǎo)致電路參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)比較困難；針對(duì)28 V/開、28 V/地、地/開三種離散量類型必須設(shè)計(jì)不同的電路拓?fù)浜蛥?shù)分別調(diào)試，工作量比較大。

3.2 非隔離型離散量輸入接口處理

    非隔離型離散量輸入接口電路分為分立阻容器件實(shí)現(xiàn)的輸入接口電路和基于比較器的輸入接口電路兩種。

3.2.1 分立器件實(shí)現(xiàn)的離散量輸入接口處理

    基于分立元器件實(shí)現(xiàn)的離散量輸入接口電路如圖3所示。其原理為：通過(guò)兩個(gè)電阻分壓，當(dāng)輸入是高(18 V～32 V)時(shí)，D1輸入端電壓大于2.0 V，當(dāng)輸入為低(-0.5 V～1 V)時(shí)，D1輸入端電壓小于0.4 V，通過(guò)D1轉(zhuǎn)換輸出高低的TTL電平，R3輸出端直接連接計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線。C1與R1、R2構(gòu)成低通濾波。正常工作時(shí)，R2下端接地，當(dāng)進(jìn)行BIT測(cè)試時(shí)，通過(guò)開關(guān)控制接-15 V。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。缺點(diǎn)是所用電阻電容等分立器件較多，特別是路數(shù)較多時(shí)，器件占用的印制板面積、體積很大，電路可靠性低；更改閾值時(shí)要通過(guò)更換分壓電阻進(jìn)行，比較繁瑣；輸出的數(shù)據(jù)都是并行總線，方式單一；不同類型的信號(hào)要設(shè)計(jì)不同的電路拓?fù)浜蛥?shù)；做BIT時(shí)是同時(shí)加載激勵(lì)源，容易出現(xiàn)相互干擾。

3.2.2 基于比較器實(shí)現(xiàn)的離散量輸入接口處理

    基于比較器的離散量輸入接口電路如圖4所示。其原理為：輸入信號(hào)通過(guò)R1、R2兩個(gè)電阻分壓后加在比較器的同相端，固定參考電壓Vref通過(guò)R3、R4兩個(gè)電阻分壓設(shè)置閾值，該閾值電壓加在比較器的反相端，比較器通過(guò)比較兩個(gè)輸入端的電壓輸出高低電平的TTL信號(hào)，輸出信號(hào)直接接計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，離散量輸入信號(hào)端的電容與電阻構(gòu)成低通濾波，這種電路形式比單純的電阻分壓模式要復(fù)雜一些，但優(yōu)點(diǎn)是閾值可以精確設(shè)置，同一種類型的所有電路用一個(gè)閾值，因此調(diào)整閾值時(shí)，只需要調(diào)整閾值設(shè)置的兩個(gè)電阻即可^[4]。同樣的，當(dāng)路數(shù)較多時(shí)，需要的元器件也比較多，占用板面積、體積、重量都較大。

3.3 集成電路實(shí)現(xiàn)離散量的輸入接口處理

    目前，最新的離散量接口電路處理方式是單片式集成電路，國(guó)外的DDC公司、DEI公司和Holt公司都有相應(yīng)的系列產(chǎn)品供用戶選擇。DDC公司最先基于比較器原理研制了32路(型號(hào)DD-03201)和96路(型號(hào)DD-03296)單片離散量處理芯片，廣泛應(yīng)用于機(jī)載設(shè)備的離散量接口處理領(lǐng)域^[3]。由于許多場(chǎng)合并不需要32路或96路這么多的離散量接口電路，之后，DEI公司和Holt公司研制了6路和8路的單片離散量處理芯片，原理基本相同，但是功能逐步完善，性能逐步提高，特別是近年來(lái)接口設(shè)計(jì)要求的雷電防護(hù)功能也集成在了芯片內(nèi)，可以大大節(jié)省資源，這種芯片內(nèi)置的雷電防護(hù)等級(jí)可以達(dá)到DO-160G中規(guī)定的三級(jí)水平。由于芯片僅僅集成了6或8路，路數(shù)較少，芯片封裝較小，使用起來(lái)更加靈活方便，費(fèi)用也比較低廉。

4 基于HKA03201芯片的離散量輸入接口電路

    近年來(lái)，隨著集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展及自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的需求，國(guó)內(nèi)的元器件研制單位也競(jìng)相研制此類復(fù)雜的接口電路，其中西安翔騰公司以國(guó)內(nèi)機(jī)載電子設(shè)備中離散量輸入通用處理方式作為需求已經(jīng)成功研制了基于比較器原理的32路（HKA03201）和8路（HKA1217）離散量接口芯片。兩者在原理和功能上基本相同，這里以HKA03201為例介紹該類芯片。

    傳統(tǒng)的離散量輸入處理方式是根據(jù)不同離散量的電氣特性設(shè)計(jì)專用處理電路，這種處理方式專一固定，對(duì)于多路同類型離散量輸入處理時(shí)顯得笨重，且大量占用板面積。不利于機(jī)載電子設(shè)備的高度集成化及小型化需求，HKA03201以其高度集成化及小型化可以解決分立元器件搭建電路帶來(lái)的集成化和小型化問(wèn)題。

    HKA03201芯片作為自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)芯片避免了國(guó)外同類型芯片的斷檔、禁運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)，保障了國(guó)產(chǎn)機(jī)載電子設(shè)備的正常生產(chǎn)。

    HKA03201是一款將離散量信號(hào)轉(zhuǎn)換為TTL電平的數(shù)字接口集成電路。電路集成32路離散量處理通道，且每一通道均支持28 V/開、28 V/地、地/開三種離散量輸入形式。電路包含自檢測(cè)、數(shù)據(jù)抖動(dòng)延時(shí)屏蔽、冗余和錯(cuò)誤校驗(yàn)，隔離等功能，提高了數(shù)據(jù)可靠性，同時(shí)由于小型化，在功耗、成本和面積重量上具有一定優(yōu)勢(shì)[1]。HKA03201芯片功能框圖如圖5所示。

    HKA03201芯片具有以下特點(diǎn)：

    (1)2路離散量輸入比較單元，可完成分壓后的離散量信號(hào)與外部基準(zhǔn)比較。

    (2)雙時(shí)鐘冗余為兩路內(nèi)部振蕩器，優(yōu)先選用主OSC，在主時(shí)鐘出錯(cuò)的情況下自動(dòng)切換至從OSC。

    (3)自檢測(cè)部分在電路上電時(shí)會(huì)自動(dòng)執(zhí)行，并將檢測(cè)結(jié)果存儲(chǔ)至自檢結(jié)果寄存器中，自檢測(cè)也可以在工作狀態(tài)由控制器以指令形式發(fā)出。自檢測(cè)有0′s/1′s mode和1′s/0′s mode兩種形式。

    (4)離散量輸入抖動(dòng)屏蔽用于屏蔽離散量信號(hào)輸入的抖動(dòng)。采用延時(shí)采樣輸入信號(hào)的方式，屏蔽高頻抖動(dòng)，同時(shí)可配置的抖動(dòng)時(shí)間，可以滿足不同離散量抖動(dòng)時(shí)間的要求。

    另外，HKA03201還具有一些特色功能，主要包括：

    (1)支持28 V/開、28 V/地、地/開三種離散量輸入形式，通過(guò)軟件配置實(shí)現(xiàn)同一管腳對(duì)三種離散量接口的支持；

    (2)提供串行接口和異步并行接口，實(shí)現(xiàn)與主機(jī)接口的靈活對(duì)接；

    (3)可配置為條件中斷模式，減少對(duì)主機(jī)工作的打斷，大大降低主機(jī)負(fù)擔(dān)，使主機(jī)專注于應(yīng)用任務(wù)；

    (4)寬溫度工作范圍-55 ℃~125 ℃，能夠在惡劣條件下使用；

    (5)輸入16位時(shí)可配置為雙倍冗余模式，可以很容易的用于雙余度計(jì)算機(jī)場(chǎng)合；

    (6)可配置防抖動(dòng)時(shí)間，這是該款芯片不同于國(guó)外同類芯片的最大特色，當(dāng)離散量輸入信號(hào)由繼電器提供時(shí)，繼電器的觸點(diǎn)抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)不穩(wěn)，HKA03201能根據(jù)不同的繼電器觸點(diǎn)抖動(dòng)的最大穩(wěn)定時(shí)間自動(dòng)將抖動(dòng)屏蔽掉，芯片輸出的信號(hào)是穩(wěn)定后的信號(hào)，這個(gè)功能是國(guó)外芯片沒(méi)有的；

    (7)可配置外部參考電平；

    (8)離散量輸入端口最大耐壓50 V，完全符合GJB181A飛機(jī)供電特性的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，接口電路不需要再做過(guò)壓防護(hù)處理；

    (9)離散量輸入端口瞬態(tài)間接雷電防護(hù)水平為3級(jí)，對(duì)于3級(jí)以下的雷電不需要做雷電防護(hù)處理。

    基于HKA03201芯片的離散量輸入處理電路工作原理為：被采集的離散量信號(hào)通過(guò)RC濾波后，經(jīng)過(guò)分壓限幅送入HKA03201芯片處理后，通過(guò)局部總線或者SPI串行總線將采集信息發(fā)送到處理器模塊。離散量輸入處理芯片HKA03201原理實(shí)現(xiàn)框圖如圖6所示。

    對(duì)于地/開信號(hào)，可以設(shè)置V_ref=0.3 V，V_{ref_danger}=0 V，自檢閾值電壓V_{ref_HI}=0.4 V，V_{ref_LO}=0.2 V，其中V_ref、V_{ref_HI}、V_{ref_LI}是通過(guò)輸入電壓分壓得到；同理對(duì)于28 V/開、28 V/地來(lái)說(shuō)，可設(shè)置V_ref=1.4 V，V_{ref_danger}=0 V，自檢閾值電壓V_{ref_HI}=1.5 V，V_{ref_LI}=1.3 V。

    離散量芯片采集完成后，CPU可通過(guò)局部總線或串行SPI總線采用尋址方式讀取離散量信息，采用局部總線讀取時(shí)，芯片支持最高6位的地址空間，每個(gè)地址對(duì)應(yīng)16位離散量，采用串行SPI總線時(shí)最大速率支持10 M。

    基于HKA03201芯片實(shí)現(xiàn)的離散量輸入處理電路支持上電自測(cè)試與工作中測(cè)試兩種測(cè)試，上電自測(cè)試在加電后自動(dòng)進(jìn)行，并存儲(chǔ)測(cè)試接口到內(nèi)部寄存器中，主機(jī)可通過(guò)錯(cuò)誤信息寄存器中的自檢出錯(cuò)位進(jìn)行判斷。工作中維護(hù)檢測(cè)在工作狀態(tài)下由CPU以指令信息發(fā)出，有0/1自檢測(cè)和1/0自檢測(cè)兩種，以輸入端口基準(zhǔn)電壓上下100 mV作為自檢閾值，+100 mV定義為HI電平，-100 mV定義為L(zhǎng)I電平，自檢過(guò)程中不允許訪問(wèn)內(nèi)部寄存器，只能訪問(wèn)外部寄存器。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

    某型號(hào)飛機(jī)機(jī)載計(jì)算機(jī)的通用I/O模塊基板上要求外部輸入輪載、閥門等供給9路地/開離散量及用于狀態(tài)指示的16路28 V/地離散量及8路28 V/開開關(guān)指示離散量，離散量輸入經(jīng)過(guò)前端處理后，直接掛接在CPU的并行局部總線上，CPU通過(guò)局部總線訪問(wèn)外部接口數(shù)據(jù)，根據(jù)讀取的外部離散量信號(hào)狀態(tài)判斷執(zhí)行相應(yīng)的操作。

    首先根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況分析，外部輸入有3種類型離散量狀態(tài)：地/開、28 V/開、28 V/地共計(jì)33路的離散量，采用傳統(tǒng)分離元器件搭建電路，共需3種共計(jì)29套離散量處理電路，板面積占用量非常大，無(wú)法在一個(gè)基板上實(shí)現(xiàn)，經(jīng)分析評(píng)估后采用2片HKA03201實(shí)現(xiàn)離散量電路處理可以解決布板面積不夠的問(wèn)題。

    HKA03201芯片上具有2個(gè)參考電壓，即DIN[0:15]具有同一參考電壓，DIN[16:31]具有同一參考電壓，根據(jù)此情況系統(tǒng)外部輸入的3種離散量劃分為：28 V/開和28 V/地使用1片HKA03201，地/開使用另一片HKA03201，具體設(shè)計(jì)框圖如圖7所示。

    設(shè)計(jì)中，對(duì)于28 V/開、28 V/地離散量處理，V_REFA=V_REFB=1.4 V；V_REFA_charge=V_REFB_charge=0，供電電源可通過(guò)DA芯片由CPU進(jìn)行靈活配置；同理，處理地/開離散量時(shí)，V_REFA=0.3 V，V_REFA_charge=0。

    通過(guò)對(duì)以上國(guó)產(chǎn)HKA03201芯片的應(yīng)用，對(duì)比傳統(tǒng)離散量處理電路，可歸納出機(jī)載航電系統(tǒng)使用集成電路處理離散量信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)，主要有以下幾方面：

    (1)統(tǒng)一了接口規(guī)范，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，完善了系統(tǒng)的保護(hù)。

    (2)完善、可靠和智能化的BIT功能為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的PHM提供了物理基礎(chǔ)和實(shí)現(xiàn)手段。

    (3)減少了元器件的種類和數(shù)量，大幅度減輕系統(tǒng)的重量、體積和功耗，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

    (4)降低離散量處理在計(jì)算機(jī)中所占用的軟硬件資源的比例，使計(jì)算機(jī)回歸計(jì)算控制的“本職”。

    (5)提高了整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)了離散量信號(hào)處理技術(shù)的跨代發(fā)展，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

6 結(jié)束語(yǔ)

    從離散量輸入接口電路的發(fā)展軌跡來(lái)看，其經(jīng)歷了分立器件搭建、分立器件與比較器組合以及單片集成電路三個(gè)階段的發(fā)展。各階段優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。以單片集成電路為代表的離散量輸入接口電路必將成為未來(lái)發(fā)展的方向，其特點(diǎn)是硬件功能軟件化，電路設(shè)計(jì)集成化，通過(guò)應(yīng)用集成電路，可提高設(shè)計(jì)人員電路設(shè)計(jì)的效率和能力。

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