0 引言

    隨著航空電子技術(shù)的發(fā)展，如何提高產(chǎn)品的可靠性，減小系統(tǒng)的重量、體積、功耗等，已成為硬件設(shè)計(jì)的一種趨勢(shì)^[1-2]。國(guó)內(nèi)公司研究設(shè)計(jì)了一款具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的離散量信號(hào)接口芯片，可替代傳統(tǒng)的離散量接口電路設(shè)計(jì)方案，解決離散量輸入電路使用的器件多、添加激勵(lì)測(cè)試復(fù)雜、占用主機(jī)資源較多，尤其在離散量處理路數(shù)增加時(shí)，硬件電路設(shè)計(jì)占用板面大、功耗大等問(wèn)題?；谝陨媳尘?，本論文提出了一種基于HKA03201芯片的離散量接口解決方案。

1 傳統(tǒng)離散量接口解決方案

    傳統(tǒng)離散量信號(hào)的處理方案主要由FPGA、采樣電路、BIT電路構(gòu)成。該方案采用光耦或比較器完成離散量信號(hào)的轉(zhuǎn)換，通過(guò)無(wú)源RC電路進(jìn)行信號(hào)濾波，繼電器注入測(cè)試量，采用可編程器件FPGA構(gòu)建控制和主機(jī)接口。32路采樣電路包含光隔8個(gè)，比較器8個(gè)，電阻電容各96個(gè)，閃電防護(hù)器件32個(gè)，繼電器8個(gè)，總元件數(shù)大于150個(gè)，電路板面積為200 mm×200 mm。

傳統(tǒng)系統(tǒng)方案存在以下缺點(diǎn)：

    (1)由于使用無(wú)源濾波電路、高壓保護(hù)管以及光隔比較器用于抗浪涌、閃電防護(hù)以及轉(zhuǎn)換接收，器件種類(lèi)和數(shù)量繁多，導(dǎo)致系統(tǒng)方案體積大、重量大、功耗高、可靠性差，且分立器件構(gòu)成的板級(jí)電路使用方法固定、模式單一、靈活性差；

    (2)受分立元件特性限制，離散量信號(hào)處理速率、轉(zhuǎn)換可靠性及延時(shí)控制等關(guān)鍵性能指標(biāo)無(wú)法滿(mǎn)足高可靠、高性能離散量轉(zhuǎn)換處理的發(fā)展需求；

    (3)由于器件種類(lèi)多、渠道分散，質(zhì)量難以有效控制；同時(shí)，高性能核心器件不易采購(gòu)，自主保障困難；

    (4)離散量信號(hào)處理時(shí)，需要系統(tǒng)軟硬件配合，占用大量的系統(tǒng)資源^[3]。

    基于傳統(tǒng)離散量處理方案的缺點(diǎn)，急需尋找新的離散量解決方案來(lái)應(yīng)對(duì)以上問(wèn)題，以滿(mǎn)足新一代航空電子系統(tǒng)對(duì)離散量接口電路設(shè)計(jì)可靠性、功耗、體積、重量的要求。

2 基于HKA03201芯片的離散量接口模塊設(shè)計(jì)

    HKA03201-QB-B/L是一款高度集成的離散量信號(hào)轉(zhuǎn)換處理電路，用于各行業(yè)中開(kāi)關(guān)離散信號(hào)的轉(zhuǎn)換，電路集成32路離散量處理通道，支持28 V/開(kāi)、28 V/地和地/開(kāi)三種離散量輸入形式，提供全面的芯片自檢、靈活錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)校驗(yàn)等功能。芯片提供條件中斷模式和自?huà)呙璺绞?，支持多片?jí)連方式，并提供AirBus ABD0100H兼容性以及離散量輸入端口1 mA干/濕電流解決方案。

    被采集的離散量信號(hào)通過(guò)濾波并采取過(guò)壓保護(hù)后，經(jīng)過(guò)分壓限幅送入離散量芯片HKA03201，通過(guò)芯片處理后由局部總線(xiàn)、SPI或串行總線(xiàn)將轉(zhuǎn)換后的信息發(fā)送到主機(jī)處理模塊。

2.1 離散量輸入端口配置

    芯片可同時(shí)處理32路離散量信號(hào)，分為A和B兩組，每組各16路離散量輸入端口。根據(jù)用戶(hù)實(shí)際需求，提供一種類(lèi)離散量接口解決方案和干/濕電流支持型離散量接口解決方案。28 V/地或28 V/開(kāi)外圍電路如圖1所示，地/開(kāi)外圍電路如圖2所示。

    若應(yīng)用工程對(duì)離散量端口沒(méi)有干/濕電流接觸要求，對(duì)于3種輸入方式，RD可選用50 kΩ電阻。

    如需干/濕電流支持型離散量接口解決方案，按如下步驟完成配置操作：

    (1)明確離散量輸入形式；

    (2)28 V/地或28 V/開(kāi)的離散量外圍電路參照?qǐng)D1，地/開(kāi)模式的外圍電路參照?qǐng)D2；

    (3)根據(jù)端口電流需要，確定RD阻值大小。

    VP為上拉電壓，根據(jù)離散量的輸入形式可選15 V～28 V，推薦選擇28 V。設(shè)計(jì)端口干/濕電流最小值為1 mA，RD阻值具體計(jì)算方法示例：

    芯片內(nèi)阻(圖1中框內(nèi)168 kΩ和24 kΩ的和)在-55 ℃～125 ℃變化范圍為100 kΩ～300 kΩ。

    28 V/地或28 V/開(kāi)的模式干/濕電流：28 V/RD≧1 mA；推薦阻值：RD=20 kΩ。

    地/開(kāi)模式干/濕電流：28 V/RD≧1 mA；推薦阻值：RD=20 kΩ。

2.2 基準(zhǔn)配置

    基準(zhǔn)是與分壓后離散量電壓的比較參考，芯片提供兩組四類(lèi)基準(zhǔn)輸入端口，分別為設(shè)定A組16路離散兩信號(hào)閾值的Vref_A、Vref_A_HI、Vref_A_LO、Vref_charge_A和設(shè)定B組16路離散兩信號(hào)閾值的Vref_B、Vref_B_HI、Vref_B_LO、Vref_charge_B。

    以A組作為示例，在單閾值的情況下，分壓后的離散量電壓大于基準(zhǔn)(Vref_A)輸出為高，低于基準(zhǔn)(Vref_A)輸出為低，在雙閾值配置的情況下，大于Vref_A為高，低于Vref_charge_A為低，Vref_A_HI與Vref_A_LO僅配合Vref_A完成電路自檢功能。

    對(duì)于這款芯片的閾值端口配置，只需明確離散量輸入類(lèi)型，然后查找芯片手冊(cè)列出的參考電壓，使用DAC配置。

2.3 主機(jī)接口選擇

    HKA03201-QB-B/L芯片提供兩種主機(jī)接口：SPI接口或異步并行接口，可以通過(guò)與主機(jī)的通信方式進(jìn)行端口配置，接口的選擇由interface_sel（Pin18）確定，接口的選擇具有互斥性，兩種主機(jī)接口不可同時(shí)工作。當(dāng)interface_sel=1，選擇SPI接口，反之為異步并行接口。同時(shí)還可以通過(guò)配置VDD_IO來(lái)決定與主機(jī)通信的TTL電平。

    傳統(tǒng)分立器件方案僅可提供32路并口輸出，占用主機(jī)端口資源較多。該應(yīng)用方案中的SPI模式只需三個(gè)端口即可完成與主機(jī)通信的任務(wù)，大大節(jié)省了主機(jī)的端口資源。

2.4 響應(yīng)時(shí)間配置

    傳統(tǒng)的分立器件方案沒(méi)有抖動(dòng)屏蔽功能，無(wú)法保證離散量信號(hào)轉(zhuǎn)化的正確性。

    根據(jù)系統(tǒng)對(duì)離散量轉(zhuǎn)換時(shí)間的要求，可以選擇芯片的兩種離散量的更新和轉(zhuǎn)換方式：自動(dòng)更新和快速DMA響應(yīng)模式。

    離散量信號(hào)為低速開(kāi)關(guān)信號(hào)，同時(shí)由于前級(jí)繼電器等機(jī)械裝置切換，會(huì)導(dǎo)致離散量信號(hào)切換過(guò)程中的彈跳抖動(dòng)，可以根據(jù)使用不同型號(hào)繼電器所造成的不同抖動(dòng)時(shí)長(zhǎng)，通過(guò)芯片的bsel<2:0>端口選擇合適抖動(dòng)屏蔽。

    如果系統(tǒng)需要離散量快速響應(yīng)，可以通過(guò)配置條件中斷寄存器，快速離散量響應(yīng)DMA模式，離散量信號(hào)比較后直接輸出，響應(yīng)時(shí)間小于100 μs。

2.5 主機(jī)連接

    離散量芯片采集完成后，CPU可通過(guò)局部總線(xiàn)或者SPI串行接口獲取采集的值，如圖3所示。采用局部總線(xiàn)交聯(lián)時(shí)，CPU通過(guò)總線(xiàn)以地址查尋的方式訪(fǎng)問(wèn)離散量接口芯片，芯片支持6位地址空間，每個(gè)地址對(duì)應(yīng)16路離散量。采用SPI接口交聯(lián)時(shí)，支持最大速率10 Mb/s，完整序列包含指令字(8 bit) 、地址(8 bit) 、數(shù)據(jù)(16 bit)共32位。SPI讀操作時(shí)，SI輸入指令字(8 bit) 和地址(8 bit)；SPI寫(xiě)操作時(shí)，SI輸入指令字(8 bit)、地址(8 bit)、數(shù)據(jù)(16 bit)共32位。

    也可以多片級(jí)聯(lián)異步并行或SPI接口操作使用，以SPI接口為例，如圖4所示。

2.6 接口電路測(cè)試

    傳統(tǒng)方案中為了保證系統(tǒng)的可靠性，需要BIT電路，但BIT占用大量的資源。在本芯片方案中，芯片內(nèi)部包含了上電自檢、主機(jī)自檢、冗余檢測(cè)及其他錯(cuò)誤檢測(cè)功能，可以驗(yàn)證芯片內(nèi)部模塊的工作狀態(tài)正常與否，自檢可以覆蓋時(shí)鐘、比較器和數(shù)字邏輯等模塊，因此只需通過(guò)通信端口查看相應(yīng)的錯(cuò)誤寄存器，實(shí)時(shí)了解芯片狀態(tài)^[4-6]。

    模擬端口配置完成后，芯片上電自動(dòng)完成自檢，自檢結(jié)果存入狀態(tài)寄存器，fault引腳根據(jù)自檢結(jié)果輸出高低電平，同時(shí)ready引腳將輸出1，離散量數(shù)據(jù)處理功能開(kāi)啟。

    在工作中如需維護(hù)測(cè)試，可以主機(jī)發(fā)起自檢，主機(jī)向寄存器（地址01010X或10100X）寫(xiě)入任意字符，發(fā)起0/1自或1/0自檢，自檢完成后，ready引腳將再次輸出1，離散量數(shù)據(jù)處理功能開(kāi)啟，可查詢(xún)錯(cuò)誤狀態(tài)寄存器（地址10011X）得到自檢結(jié)果。

    在對(duì)離散量數(shù)據(jù)的確定性有較高要求的場(chǎng)合，可以使用雙冗余的校驗(yàn)?zāi)Ｊ剑糜谛ｒ?yàn)雙路離散量通道是否一致。

3 技術(shù)特點(diǎn)

    由表1可以看出，與傳統(tǒng)的離散量接口電路相比，基于芯片的離散量接口電路體積大大減小，重量降低為原方案的6‰，外圍器件種類(lèi)和數(shù)量大幅減少，大大提高了可靠性，BIT 測(cè)試和抖動(dòng)屏蔽不需要額外增加電路。

    另外HKA03201芯片還具有片內(nèi)間接雷防護(hù)功能，基于此芯片的離散量接口解決方案可以應(yīng)對(duì)航空應(yīng)用中的惡劣環(huán)境。

4 結(jié)論

    本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的分立器件離散量接口解決方案的分析，提出了一種基于芯片的離散量接口解決方案。本文設(shè)計(jì)的基于芯片的離散量接口解決方案集成了自檢測(cè)、冗余、錯(cuò)誤校驗(yàn)和錯(cuò)誤隔離等功能，大大提高了數(shù)據(jù)可靠性，同時(shí)，由于該方案基于芯片，設(shè)計(jì)靈活簡(jiǎn)單，在系統(tǒng)的小型化、功耗、成本、面積和重量上具有巨大優(yōu)勢(shì)。目前該芯片解決方案以其高低溫性能穩(wěn)定及高可靠性，已成功地應(yīng)用于多個(gè)實(shí)際工程項(xiàng)目中，并已經(jīng)通過(guò)各類(lèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全滿(mǎn)足新一代航空電子系統(tǒng)對(duì)離散量接口電路設(shè)計(jì)可靠性，功耗、體積、重量的要求。

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