0 引言

    在航空電子系統(tǒng)中，大量的指示燈狀態(tài)、閥門開關(guān)、繼電器以及電機(jī)等需要離散量驅(qū)動(dòng)，而離散量的輸出一般是由機(jī)彈載計(jì)算機(jī)控制的。計(jì)算機(jī)的輸出信號(hào)都是TTL信號(hào)或CMOS信號(hào)，驅(qū)動(dòng)能力很弱，電壓也比較低，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，因此，就必須設(shè)計(jì)相關(guān)的轉(zhuǎn)換電路，將計(jì)算機(jī)的輸出信號(hào)放大，提高電壓，增大電流以適應(yīng)負(fù)載的驅(qū)動(dòng)要求，同時(shí)也必須有對(duì)異常狀態(tài)的監(jiān)控和保護(hù)，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流和過(guò)熱時(shí)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和關(guān)斷，防止損壞電路和器件。

1 離散量輸出信號(hào)處理電路的功能

    一般離散量輸出處理電路主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

    (1)數(shù)據(jù)鎖存功能：數(shù)據(jù)鎖存功能實(shí)現(xiàn)離散量輸出信號(hào)按計(jì)算機(jī)控制要求在特定時(shí)間內(nèi)輸出的功能，保證了離散量輸出信號(hào)的穩(wěn)定性。

    (2)隔離放大功能：計(jì)算機(jī)輸出的離散量信號(hào)都是TTL或CMOS信號(hào)，隔離處理保證外部干擾不對(duì)計(jì)算機(jī)造成電氣損害，放大功能保證低電壓、弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有帶載能力的高電壓、大電流信號(hào)，直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

    (3)異常監(jiān)控和保護(hù)功能：離散量輸出信號(hào)處理電路通過(guò)過(guò)壓、過(guò)流和過(guò)熱等監(jiān)控功能，可以保證輸出的狀態(tài)信息的安全性和準(zhǔn)確性。

    (4)輸出電路BIT功能：輸出電路BIT是計(jì)算機(jī)對(duì)所輸出信號(hào)的狀態(tài)監(jiān)控以及輸出電路工作狀態(tài)的監(jiān)控，保證了離散量輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性。

2 離散量輸出信號(hào)處理電路基本原理

    在機(jī)彈載領(lǐng)域，離散量輸出類型主要分為28 V/開、地/開以及15 V/地等，前兩種是機(jī)彈載設(shè)備上的主流離散量輸出類型，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，而15 V/地離散量輸出的方法和前兩種在原理上是相同的^[1]。

    離散量輸出電路不論是用于狀態(tài)指示的信號(hào)類還是功率驅(qū)動(dòng)的控制類，其輸出電路的基本原理和架構(gòu)都是相同的^[2]，主要包括總線驅(qū)動(dòng)、譯碼邏輯、數(shù)據(jù)鎖存、功率驅(qū)動(dòng)、回繞監(jiān)控(由隔離驅(qū)動(dòng)和電平轉(zhuǎn)換共同完成)、異常監(jiān)控和保護(hù)，其框架原理圖見圖1。隨著電子電路、元器件和集成電路的技術(shù)進(jìn)步，離散量輸出接口電路按照由分立器件到集成電路、由小功率到大功率、由基本功能到具有完善的監(jiān)控保護(hù)的方向逐步發(fā)展。

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

    目前國(guó)內(nèi)外主流的離散量接口電路的處理方法仍是基于分離元器件搭建電路實(shí)現(xiàn)，分為隔離型和非隔離型^[4]。前者是通過(guò)繼電器或固態(tài)繼電器附加分立器件搭建電路進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部控制信號(hào)與外部驅(qū)動(dòng)電路的電氣隔離（控制信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電路不“共地”）；非隔離型則發(fā)展了三代，目前這三代實(shí)現(xiàn)方式仍在不同場(chǎng)合使用，第一代是通過(guò)分立器件與三極管、MOSFET搭建，第二代是小功率驅(qū)動(dòng)集成芯片，現(xiàn)在則是完全單片化的集成電路，片內(nèi)集成有完善的異常保護(hù)功能和故障指示，主機(jī)可以方便地通過(guò)故障指示管腳監(jiān)控芯片的工作狀態(tài)。

3.1 隔離型離散量輸出接口電路處理

    通過(guò)電磁繼電器輸出離散量是最傳統(tǒng)的電路形式，目前在一些定型產(chǎn)品或通用產(chǎn)品中仍有使用。該電路由隔離鎖存電路、三極管驅(qū)動(dòng)電路和電磁繼電器組成。一般來(lái)說(shuō)，隔離鎖存電路無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)電磁繼電器，必須通過(guò)三極管或達(dá)林頓管或MOS管放大電流后驅(qū)動(dòng)電磁繼電器，電磁繼電器輸出端產(chǎn)生所需要的離散量輸出（28 V/開或地/開），電阻R用于三極管的基極限流。電磁繼電器輸出28 V/開離散量電路見圖2。這種接口電路的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部控制信號(hào)與外部電路的電氣隔離，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，電磁繼電器輸出電流從幾十毫安到十幾安培的都有；缺點(diǎn)是通過(guò)電磁繼電器和分立電阻電容等器件搭建電路，體積、重量和成本較高，另外輸出的過(guò)流過(guò)壓和過(guò)熱保護(hù)比較難做，需要占用大量的輔助電路和資源；電磁繼電器存在觸點(diǎn)壽命的問題。

    固態(tài)繼電器輸出28 V/開離散量電路見圖3，該電路由隔離鎖存電路和固態(tài)繼電器組成。固態(tài)繼電器的輸入控制端是TTL電平，鎖存電路可以直接驅(qū)動(dòng)，總線數(shù)據(jù)通過(guò)隔離驅(qū)動(dòng)以及鎖存后，控制固態(tài)繼電器的輸入端，在輸出端產(chǎn)生所需要的離散量輸出(28 V/開或地/開)，電阻R用于限流，防止輸出短路時(shí)，電流過(guò)大燒壞固態(tài)繼電器^[3]。該電路在一些復(fù)雜機(jī)載電子設(shè)備中應(yīng)用于特殊類型離散量輸出。這種接口電路的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部控制信號(hào)與外部電路的電氣隔離，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，固態(tài)繼電器沒有機(jī)械觸點(diǎn)，沒有觸點(diǎn)彈跳帶來(lái)的輸出不穩(wěn)以及壽命短的問題，固態(tài)繼電器輸出電流從幾十毫安到十幾安培的都有；缺點(diǎn)是通過(guò)固態(tài)繼電器和分立電阻電容等器件搭建電路，體積、重量和成本較高，另外輸出的過(guò)流過(guò)壓和過(guò)熱保護(hù)比較難做，需要占用大量的輔助電路和資源；如果能夠?qū)⒈Ｗo(hù)監(jiān)控電路做在固態(tài)繼電器內(nèi)，將是一種很有前途的離散量輸出電路。

3.2 非隔離型離散量輸出接口電路處理

    許多用于LED等驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合需要幾個(gè)到十幾個(gè)毫安的小電流，常用如圖4所示的電路。它由總線驅(qū)動(dòng)鎖存電路以及達(dá)林頓陣列組成，可以方便地輸出地/開型離散量。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是：控制簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)電路有集成電路可用，芯片帶有電流泄放管腳，可以驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載。缺點(diǎn)是：無(wú)法實(shí)現(xiàn)內(nèi)外電路的隔離，驅(qū)動(dòng)電流較小，如果要進(jìn)行異常保護(hù)也需要大量的輔助電路，占用較多資源。

3.3 集成電路實(shí)現(xiàn)離散量的輸出接口處理

    目前，最新的離散量輸出接口電路處理方式是單片式集成電路，芯片內(nèi)集成有完整的自保護(hù)功能。國(guó)外的英飛凌公司的BTS系列高邊控制器以及Intersil公司的HIP系列低邊控制器可供用戶選擇^[5]。這類器件都是將離散量輸出、智能保護(hù)、故障指示等整合進(jìn)單片集成芯片內(nèi)，廣泛應(yīng)用于機(jī)載設(shè)備和工業(yè)控制領(lǐng)域。

4 基于HKA2330芯片的離散量輸出接口電路

    隨著集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展及國(guó)內(nèi)對(duì)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機(jī)載電子設(shè)備中通用離散量輸出處理方式為需求，成功研制了HKA2330芯片，其功能類似于BTS410。下面以HKA2330為例介紹該類芯片。

    傳統(tǒng)離散量輸出電路對(duì)于像過(guò)壓過(guò)流保護(hù)、溫度異常、雷電防護(hù)等異常保護(hù)時(shí)，需要采用分離元器件對(duì)各種異常進(jìn)行保護(hù)，其由于電路繁雜、元器件眾多增加了電路板面積，造成可靠性降低，增加了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)難度。集成各種異常保護(hù)的集成電路在這種情況下是一種趨勢(shì)。

    作為國(guó)產(chǎn)離散量輸出處理芯片，HKA2330芯片涵蓋機(jī)載電子設(shè)備中常用異常保護(hù)電路的各種情況，并且具有集成化和小型化的優(yōu)點(diǎn)，非常適合于在日益復(fù)雜龐大的機(jī)載電子設(shè)備中使用。

    HKA2330的內(nèi)部功能組成包括ESD防護(hù)電路、邏輯電路、電壓源、電壓傳感器、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、門級(jí)保護(hù)、電荷泵電平整流器、感性負(fù)載鉗位限制、負(fù)載開路檢測(cè)、溫度傳感器及短路檢測(cè)等。其內(nèi)部功能原理圖見圖5。

    HKA2330的研制成功可以代替目前電子設(shè)備中的許多分立元器件電路，主要有：

    (1)機(jī)載環(huán)境下28 V電源的接地負(fù)載驅(qū)動(dòng)，具有與微處理器兼容的接口，并帶有診斷反饋功能；

    (2)感性負(fù)載；

    (3)代替繼電器、熔斷器和離散量輸出電路等。

    HKA2330作為離散量功率輸出控制及安全保護(hù)芯片，主要功能有：

    (1)過(guò)載保護(hù)；

    (2)輸出電流限制；

    (3)短路電流保護(hù)；

    (4)過(guò)熱關(guān)斷，內(nèi)部嵌有溫度傳感器，過(guò)熱時(shí)，自動(dòng)保護(hù)；

    (5)過(guò)壓保護(hù)（包括負(fù)載突降），防止外部電壓過(guò)高燒壞負(fù)載；

    (6)感性負(fù)載快速消磁，能夠適應(yīng)電機(jī)等負(fù)載閉環(huán)控制的場(chǎng)合；

    (7)電源極性反向保護(hù)，防止外部接錯(cuò)電源極性；

    (8)帶有自動(dòng)復(fù)位和遲滯的欠壓和過(guò)壓關(guān)斷；

    (9)漏極開路診斷輸出和其他故障輸出指示，為系統(tǒng)PHM提供支持；

    (10)關(guān)斷狀態(tài)下的負(fù)載開路檢測(cè)；

    (11)CMOS兼容的輸入；

    (12)地和電源開路保護(hù)。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

    某型號(hào)飛機(jī)機(jī)載計(jì)算機(jī)中，要求輸出1路離散量用于驅(qū)動(dòng)閥門開關(guān)，離散量具有大電流和高電壓驅(qū)動(dòng)能力。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)升壓后的驅(qū)動(dòng)離散量進(jìn)行輸出異常保護(hù)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是：分別設(shè)計(jì)過(guò)壓/欠壓保護(hù)電路、過(guò)流保護(hù)電路、溫度檢測(cè)電路，并通過(guò)CPU實(shí)時(shí)查詢控制，增加了設(shè)計(jì)人員的工作量。經(jīng)分析研究后，采用集成電路HKA2330芯片實(shí)現(xiàn)離散量輸出處理電路簡(jiǎn)潔方便，電路實(shí)現(xiàn)框圖如圖6所示。

    通過(guò)對(duì)國(guó)產(chǎn)HKA2330芯片的系統(tǒng)應(yīng)用，可體現(xiàn)出我國(guó)機(jī)載航空電子系統(tǒng)使用單片集成電路產(chǎn)生離散量驅(qū)動(dòng)輸出的優(yōu)點(diǎn)，主要有：

    (1)統(tǒng)一的CMOS接口規(guī)范，大大簡(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)功能。

    (2)故障指示功能為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的PHM提供了物理基礎(chǔ)和實(shí)現(xiàn)手段。

    (3)內(nèi)部集成的自保護(hù)功能，省去了保護(hù)電路所需要的大量元器件、輔助電路以及軟件邏輯控制，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)提高了整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)了離散量輸出處理技術(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)

    從完全分立元器件搭建到分立元器件與電磁繼電器或固態(tài)繼電器組合搭建，最后發(fā)展到單片集成電路設(shè)計(jì)，離散量輸出接口電路的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1。其特點(diǎn)主要是：電路集成化，輔助電路大大簡(jiǎn)化，功能及保護(hù)完善，效率提高，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，節(jié)省資源和成本。通過(guò)分析可以看出，離散量輸出電路使用單片集成電路形式實(shí)現(xiàn)，必將會(huì)成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王萌，成書鋒，李亞鋒.機(jī)載計(jì)算機(jī)內(nèi)離散量接口功能的設(shè)計(jì)方法[J]．計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2015，25（2）：207-211.

[2] 王銳.計(jì)算機(jī)接口處理模塊及自測(cè)試設(shè)計(jì)[J]．航空計(jì)算技術(shù)，2013，43（1）：123-126.

[3] 惠曉強(qiáng).某管理計(jì)算機(jī)便攜式測(cè)試設(shè)備的設(shè)計(jì)與研究[J]．航空計(jì)算技術(shù)，2006，36（5）：22-26.

[4] 徐榮錦.一種簡(jiǎn)單可靠離散量信號(hào)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（5）：130-133.

[5] 楊振江，孫占彪，王曙梅，等.智能儀器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的新器件應(yīng)用[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.