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,，通過無源RC電路進(jìn)行信號(hào)濾波,，繼電器注入測試量，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)無法滿足高可靠,、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,，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應(yīng)對(duì)以上問題,，以滿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、28 V/地和地/開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)測和數(shù)據(jù)校驗(yàn)等功能。芯片提供條件中斷模式和自掃描方式,，支持多片級(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)通過濾波并采取過壓保護(hù)后,，經(jīng)過分壓限幅送入離散量芯片HKA03201,，通過芯片處理后由局部總線、SPI或串行總線將轉(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)用戶實(shí)際需求,，提供一種類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/開外圍電路如圖1所示，地/開外圍電路如圖2所示,。

    若應(yīng)用工程對(duì)離散量端口沒有干/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/開的離散量外圍電路參照?qǐng)D1,，地/開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/開的模式干/濕電流：28 V/RD≧1 mA,；推薦阻值：RD=20 kΩ,。

    地/開模式干/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)還可以通過配置VDD_IO來決定與主機(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)的分立器件方案沒有抖動(dòng)屏蔽功能，無法保證離散量信號(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,，通過芯片的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可通過局部總線或者SPI串行接口獲取采集的值，如圖3所示,。采用局部總線交聯(lián)時(shí),，CPU通過總線以地址查尋的方式訪問離散量接口芯片，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、冗余檢測及其他錯(cuò)誤檢測功能,，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)處理功能開啟。

    在工作中如需維護(hù)測試,，可以主機(jī)發(fā)起自檢,，主機(jī)向寄存器（地址01010X或10100X）寫入任意字符，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)處理功能開啟，可查詢錯(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‰,，外圍器件種類和數(shù)量大幅減少，大大提高了可靠性,，BIT 測試和抖動(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,、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)通過各類實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全滿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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