文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.03.002
中文引用格式： 惠曉強，李昶，鄧廣真. 航空離散量輸入處理機理及設計實現[J].電子技術應用，2016，42(3)：5-8，12.
英文引用格式： Hui Xiaoqiang，Li Chang，Deng Gaungzhen. Aviation discrete input mechanism and design realization[J].Application of Electronic Technique，2016，42(3)：5-8，12.
0 引言
在機彈載領域，計算機需要通過采集離散量信號來識別大量的位置、閥門狀態、指示燈狀態等信息。但是，機彈載領域的離散量一般使用28 V信號，這類信號不能直接被計算機所識別，必須通過一定的接口電路轉換成計算機所能識別的TTL或CMOS信號[1]。隨著電子元器件、集成電路以及計算機的發展，離散量信號的接口電路由簡單到復雜，可靠性逐步提高，集成度逐步增加，功能逐步完善。
在機彈載領域，離散量輸入信號一般為高壓、大電流信號，機彈載計算機無法直接進行采集，需要將離散量輸入信號進行降壓、隔離、濾波等相關處理后，才能由計算機CPU獲取、采集。一般離散量輸入信號處理電路實現以下功能：
(1)隔離及雷電防護功能，離散量輸入信號不能對后端采集計算機造成電氣損壞。
(2)電平轉換功能，將高壓、大電流的離散量輸入信號轉換為可被后端計算機識別的標準TTL或CMOS信號。
(3)濾波，消抖功能。經過處理，離散量輸入信號轉化為穩定的狀態信號，才可保證后端計算機采集的準確性。
(4)與計算機主機接口的對接功能。處理轉換后，離散量輸入信號應與計算機總線靈活對接，方便處理器的采集。
(5)BIT測試能力。離散量輸入信號處理電路需要具有自測試能力，保證CPU對接口處理電路狀態的可控性和可信性。
2 離散量輸入信號處理電路的基本原理
用于機彈載領域的離散量輸入主要分為28 V/開、地/開以及15 V/地等，前兩種在機彈載設備上是主流離散量輸入類型，后一種只用在飛控等對可靠性和電壓穩定度要求很高的設備上。本文主要對前兩種離散量處理的接口電路進行介紹，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，主要包括雷電防護電路、分壓濾波電路、轉換隔離電路、總線驅動電路、譯碼邏輯電路以及激勵產生電路等，其框架原理圖見圖1。
3 當前離散量輸入信號處理電路的設計與實現方式
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。前者是通過光耦附加分立器件搭建電路進行處理，實現輸入信號與內部處理電路的電氣隔離(輸入信號和處理電路不“共地”)；而非隔離型則經過了三代發展，從早期的分立器件搭建，到之后的通過比較器和分立器件組合，再到現在的完全單片化集成電路[5]。目前兩種電路在機載電子設備中根據不同應用情況仍在使用。
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圖2，通過分立器件電阻電容等形成分壓限流電路拓撲，配合光耦以及緩沖驅動電路實現離散量兩種狀態到TTL信號的轉換。這種接口電路的優點是可以實現離散量信號與內部電路的電氣隔離[2]；缺點是沒有集成芯片可用，都是通過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，另外光耦導通時的電流范圍很大，參數受溫度影響很大，加之外部電源一般使用機上28 V，導致電路參數設計時比較困難；針對28 V/開、28 V/地、地/開三種離散量類型必須設計不同的電路拓撲和參數分別調試，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現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 分立器件實現的離散量輸入接口處理
基于分立元器件實現的離散量輸入接口電路如圖3所示。其原理為：通過兩個電阻分壓，當輸入是高(18 V～32 V)時，D1輸入端電壓大于2.0 V，當輸入為低(-0.5 V～1 V)時，D1輸入端電壓小于0.4 V，通過D1轉換輸出高低的TTL電平，R3輸出端直接連接計算機內部數據總線。C1與R1、R2構成低通濾波。正常工作時，R2下端接地，當進行BIT測試時，通過開關控制接-15 V。這種電路的優點是設計簡單，價格便宜。缺點是所用電阻電容等分立器件較多，特別是路數較多時，器件占用的印制板面積、體積很大，電路可靠性低；更改閾值時要通過更換分壓電阻進行，比較繁瑣；輸出的數據都是并行總線，方式單一；不同類型的信號要設計不同的電路拓撲和參數；做BIT時是同時加載激勵源，容易出現相互干擾。
3.2.2 基于比較器實現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：輸入信號通過R1、R2兩個電阻分壓后加在比較器的同相端，固定參考電壓Vref通過R3、R4兩個電阻分壓設置閾值，該閾值電壓加在比較器的反相端，比較器通過比較兩個輸入端的電壓輸出高低電平的TTL信號，輸出信號直接接計算機內部數據總線，離散量輸入信號端的電容與電阻構成低通濾波，這種電路形式比單純的電阻分壓模式要復雜一些，但優點是閾值可以精確設置，同一種類型的所有電路用一個閾值，因此調整閾值時，只需要調整閾值設置的兩個電阻即可[4]。同樣的，當路數較多時，需要的元器件也比較多，占用板面積、體積、重量都較大。
3.3 集成電路實現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，國外的DDC公司、DEI公司和Holt公司都有相應的系列產品供用戶選擇。DDC公司最先基于比較器原理研制了32路(型號DD-03201)和96路(型號DD-03296)單片離散量處理芯片，廣泛應用于機載設備的離散量接口處理領域[3]。由于許多場合并不需要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，特別是近年來接口設計要求的雷電防護功能也集成在了芯片內，可以大大節省資源，這種芯片內置的雷電防護等級可以達到DO-160G中規定的三級水平。由于芯片僅僅集成了6或8路，路數較少，芯片封裝較小，使用起來更加靈活方便，費用也比較低廉。
4 基于HKA03201芯片的離散量輸入接口電路
近年來，隨著集成電路設計技術的發展及自主知識產權的需求，國內的元器件研制單位也競相研制此類復雜的接口電路，其中西安翔騰公司以國內機載電子設備中離散量輸入通用處理方式作為需求已經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。
傳統的離散量輸入處理方式是根據不同離散量的電氣特性設計專用處理電路，這種處理方式專一固定，對于多路同類型離散量輸入處理時顯得笨重，且大量占用板面積。不利于機載電子設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的集成化和小型化問題。
HKA03201芯片作為自主知識產權的國產芯片避免了國外同類型芯片的斷檔、禁運風險，保障了國產機載電子設備的正常生產。
HKA03201是一款將離散量信號轉換為TTL電平的數字接口集成電路。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、數據抖動延時屏蔽、冗余和錯誤校驗，隔離等功能，提高了數據可靠性，同時由于小型化，在功耗、成本和面積重量上具有一定優勢[1]。HKA03201芯片功能框圖如圖5所示。
HKA03201芯片具有以下特點：
(1)2路離散量輸入比較單元，可完成分壓后的離散量信號與外部基準比較。
(2)雙時鐘冗余為兩路內部振蕩器，優先選用主OSC，在主時鐘出錯的情況下自動切換至從OSC。
(3)自檢測部分在電路上電時會自動執行，并將檢測結果存儲至自檢結果寄存器中，自檢測也可以在工作狀態由控制器以指令形式發出。自檢測有0′s/1′s mode和1′s/0′s mode兩種形式。
(4)離散量輸入抖動屏蔽用于屏蔽離散量信號輸入的抖動。采用延時采樣輸入信號的方式，屏蔽高頻抖動，同時可配置的抖動時間，可以滿足不同離散量抖動時間的要求。
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，通過軟件配置實現同一管腳對三種離散量接口的支持；
(2)提供串行接口和異步并行接口，實現與主機接口的靈活對接；
(3)可配置為條件中斷模式，減少對主機工作的打斷，大大降低主機負擔，使主機專注于應用任務；
(4)寬溫度工作范圍-55 ℃~125 ℃，能夠在惡劣條件下使用；
(5)輸入16位時可配置為雙倍冗余模式，可以很容易的用于雙余度計算機場合；
(6)可配置防抖動時間，這是該款芯片不同于國外同類芯片的最大特色，當離散量輸入信號由繼電器提供時，繼電器的觸點抖動會導致信號不穩，HKA03201能根據不同的繼電器觸點抖動的最大穩定時間自動將抖動屏蔽掉，芯片輸出的信號是穩定后的信號，這個功能是國外芯片沒有的；
(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飛機供電特性的標準規定，接口電路不需要再做過壓防護處理；
(9)離散量輸入端口瞬態間接雷電防護水平為3級，對于3級以下的雷電不需要做雷電防護處理。
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通過RC濾波后，經過分壓限幅送入HKA03201芯片處理后，通過局部總線或者SPI串行總線將采集信息發送到處理器模塊。離散量輸入處理芯片HKA03201原理實現框圖如圖6所示。
對于地/開信號，可以設置Vref=0.3 V，Vref_danger=0 V，自檢閾值電壓Vref_HI=0.4 V，Vref_LO=0.2 V，其中Vref、Vref_HI、Vref_LI是通過輸入電壓分壓得到；同理對于28 V/開、28 V/地來說，可設置Vref=1.4 V，Vref_danger=0 V，自檢閾值電壓Vref_HI=1.5 V，Vref_LI=1.3 V。
離散量芯片采集完成后，CPU可通過局部總線或串行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，芯片支持最高6位的地址空間，每個地址對應16位離散量，采用串行SPI總線時最大速率支持10 M。
基于HKA03201芯片實現的離散量輸入處理電路支持上電自測試與工作中測試兩種測試，上電自測試在加電后自動進行，并存儲測試接口到內部寄存器中，主機可通過錯誤信息寄存器中的自檢出錯位進行判斷。工作中維護檢測在工作狀態下由CPU以指令信息發出，有0/1自檢測和1/0自檢測兩種，以輸入端口基準電壓上下100 mV作為自檢閾值，+100 mV定義為HI電平，-100 mV定義為LI電平，自檢過程中不允許訪問內部寄存器，只能訪問外部寄存器。
5 系統應用
某型號飛機機載計算機的通用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指示的16路28 V/地離散量及8路28 V/開開關指示離散量，離散量輸入經過前端處理后，直接掛接在CPU的并行局部總線上，CPU通過局部總線訪問外部接口數據，根據讀取的外部離散量信號狀態判斷執行相應的操作。
首先根據實際應用情況分析，外部輸入有3種類型離散量狀態：地/開、28 V/開、28 V/地共計33路的離散量，采用傳統分離元器件搭建電路，共需3種共計29套離散量處理電路，板面積占用量非常大，無法在一個基板上實現，經分析評估后采用2片HKA03201實現離散量電路處理可以解決布板面積不夠的問題。
HKA03201芯片上具有2個參考電壓，即DIN[0:15]具有同一參考電壓，DIN[16:31]具有同一參考電壓，根據此情況系統外部輸入的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，具體設計框圖如圖7所示。
設計中，對于28 V/開、28 V/地離散量處理，VREFA=VREFB=1.4 V；VREFA_charge=VREFB_charge=0，供電電源可通過DA芯片由CPU進行靈活配置；同理，處理地/開離散量時，VREFA=0.3 V，VREFA_charge=0。
通過對以上國產HKA03201芯片的應用，對比傳統離散量處理電路，可歸納出機載航電系統使用集成電路處理離散量信號的優點，主要有以下幾方面：
(1)統一了接口規范，簡化了電路設計，提高了系統的抗干擾能力，完善了系統的保護。
(2)完善、可靠和智能化的BIT功能為實現系統的PHM提供了物理基礎和實現手段。
(3)減少了元器件的種類和數量，大幅度減輕系統的重量、體積和功耗，大大提高了系統的可靠性。
(4)降低離散量處理在計算機中所占用的軟硬件資源的比例，使計算機回歸計算控制的“本職”。
(5)提高了整個系統的技術水平，實現了離散量信號處理技術的跨代發展，達到了國際先進水平。
6 結束語
從離散量輸入接口電路的發展軌跡來看，其經歷了分立器件搭建、分立器件與比較器組合以及單片集成電路三個階段的發展。各階段優缺點見表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發展的方向，其特點是硬件功能軟件化，電路設計集成化，通過應用集成電路，可提高設計人員電路設計的效率和能力。
參考文獻
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