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)計的一種趨勢^[1-2]。國內(nèi)公司研究設(shè)計了一款具有自主知識產(chǎn)權(quán)的離散量信號接口芯片,，可替代傳統(tǒng)的離散量接口電路設(shè)計方案,，解決離散量輸入電路使用的器件多、添加激勵測試復雜,、占用主機資源較多,，尤其在離散量處理路數(shù)增加時，硬件電路設(shè)計占用板面大,、功耗大等問題,。基于以上背景,，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的轉(zhuǎn)換,，通過無源RC電路進行信號濾波,，繼電器注入測試量，采用可編程器件FPGA構(gòu)建控制和主機接口,。32路采樣電路包含光隔8個,，比較器8個，電阻電容各96個,，閃電防護器件32個,，繼電器8個,，總元件數(shù)大于150個，電路板面積為200 mm×200 mm,。

傳統(tǒng)系統(tǒng)方案存在以下缺點：

    (1)由于使用無源濾波電路,、高壓保護管以及光隔比較器用于抗浪涌、閃電防護以及轉(zhuǎn)換接收,，器件種類和數(shù)量繁多,，導致系統(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,，離散量信號處理速率,、轉(zhuǎn)換可靠性及延時控制等關(guān)鍵性能指標無法滿足高可靠、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,，高性能核心器件不易采購，自主保障困難,；

    (4)離散量信號處理時,，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,，急需尋找新的離散量解決方案來應對以上問題，以滿足新一代航空電子系統(tǒng)對離散量接口電路設(shè)計可靠性,、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

    HKA03201-QB-B/L是一款高度集成的離散量信號轉(zhuǎn)換處理電路,，用于各行業(yè)中開關(guān)離散信號的轉(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,、靈活錯誤監(jiān)測和數(shù)據(jù)校驗等功能,。芯片提供條件中斷模式和自掃描方式,，支持多片級連方式，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通過濾波并采取過壓保護后,，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)送到主機處理模塊,。

2.1 離散量輸入端口配置

    芯片可同時處理32路離散量信號，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。

    若應用工程對離散量端口沒有干/濕電流接觸要求,，對于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圖1，地/開模式的外圍電路參照圖2,；

    (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)計端口干/濕電流最小值為1 mA,，RD阻值具體計算方法示例：

    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 基準配置

    基準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輸入端口，分別為設(shè)定A組16路離散兩信號閾值的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(Vref_A)輸出為高，低于基準(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,，然后查找芯片手冊列出的參考電壓,，使用DAC配置。

2.3 主機接口選擇

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

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

2.4 響應時間配置

    傳統(tǒng)的分立器件方案沒有抖動屏蔽功能,，無法保證離散量信號轉(zhuǎn)化的正確性。

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

    離散量信號為低速開關(guān)信號，同時由于前級繼電器等機械裝置切換,，會導致離散量信號切換過程中的彈跳抖動,，可以根據(jù)使用不同型號繼電器所造成的不同抖動時長，通過芯片的bsel<2:0>端口選擇合適抖動屏蔽,。

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

2.5 主機連接

    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，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,，每個地址對應16路離散量。采用SPI接口交聯(lián)時,，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，SI輸入指令字(8 bit) 和地址(8 bit),；SPI寫操作時,，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,、主機自檢,、冗余檢測及其他錯誤檢測功能，可以驗證芯片內(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的錯誤寄存器,，實時了解芯片狀態(tài)^[4-6],。

    模擬端口配置完成后，芯片上電自動完成自檢,，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,。

    在工作中如需維護測試，可以主機發(fā)起自檢,，主機向寄存器（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，可查詢錯誤狀態(tài)寄存器（地址10011X）得到自檢結(jié)果,。

    在對離散量數(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模式，用于校驗雙路離散量通道是否一致,。

3 技術(shù)特點

    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)間接雷防護功能，基于此芯片的離散量接口解決方案可以應對航空應用中的惡劣環(huán)境,。

4 結(jié)論

    本文通過對傳統(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)計的基于芯片的離散量接口解決方案集成了自檢測,、冗余,、錯誤校驗和錯誤隔離等功能，大大提高了數(shù)據(jù)可靠性,，同時,，由于該方案基于芯片，設(shè)計靈活簡單,，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,。目前該芯片解決方案以其高低溫性能穩(wěn)定及高可靠性，已成功地應用于多個實際工程項目中,，并已經(jīng)通過各類實驗驗證,。實驗結(jié)果完全滿足新一代航空電子系統(tǒng)對離散量接口電路設(shè)計可靠性，功耗、體積,、重量的要求,。

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