航空離散量輸出處理機理及設計實現(xiàn)*

蔡葉芳，邵 剛，李 昶，謝運祥

（1.中航工業(yè)西安航空計算技術研究所，陜西 西安710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安710068）

航空離散量輸出處理機理及設計實現(xiàn)*

蔡葉芳1，2，邵 剛1，2，李 昶3，謝運祥3

（1.中航工業(yè)西安航空計算技術研究所，陜西 西安710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安710068）

離散量輸出處理電路是航空電子系統(tǒng)中基本電路處理的重要組成部分，已隨著集成電路設計的發(fā)展從較繁復的分離元器件搭建向集成化、智能化方向發(fā)展。針對航空電子系統(tǒng)中離散量輸出接口電路的原理探析及實現(xiàn)方式，先對離散量輸出電路實現(xiàn)功能進行介紹，再從離散量輸出接口處理電路的基本原理和發(fā)展歷程對各種處理電路的實現(xiàn)及優(yōu)缺點進行對比分析，最后以國產(chǎn)HKA2330芯片為例歸納總結出機載航電系統(tǒng)使用集成電路處理離散量信號的優(yōu)越性。

離散量輸出；信號處理；HKA2330

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、繼電器以及電機等需要離散量驅(qū)動，而離散量的輸出一般是由機彈載計算機控制的。計算機的輸出信號都是TTL信號或 CMOS信號，驅(qū)動能力很弱，電壓也比較低，無法直接驅(qū)動負載，因此，就必須設計相關的轉換電路，將計算機的輸出信號放大，提高電壓，增大電流以適應負載的驅(qū)動要求，同時也必須有對異常狀態(tài)的監(jiān)控和保護，當出現(xiàn)過壓、過流和過熱時能夠及時發(fā)現(xiàn)和關斷，防止損壞電路和器件。

1 離散量輸出信號處理電路的功能

一般離散量輸出處理電路主要實現(xiàn)以下功能：

(1)數(shù)據(jù)鎖存功能：數(shù)據(jù)鎖存功能實現(xiàn)離散量輸出信號按計算機控制要求在特定時間內(nèi)輸出的功能，保證了離散量輸出信號的穩(wěn)定性。

(2)隔離放大功能：計算機輸出的離散量信號都是TTL或CMOS信號，隔離處理保證外部干擾不對計算機造成電氣損害，放大功能保證低電壓、弱電流信號轉換為具有帶載能力的高電壓、大電流信號，直接驅(qū)動負載。

(3)異常監(jiān)控和保護功能：離散量輸出信號處理電路通過過壓、過流和過熱等監(jiān)控功能，可以保證輸出的狀態(tài)信息的安全性和準確性。

(4)輸出電路BIT功能：輸出電路 BIT是計算機對所輸出信號的狀態(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的準確性。

2 離散量輸出信號處理電路基本原理

在機彈載領域，離散量輸出類型主要分為 28 V/開、地/開以及15 V/地等，前兩種是機彈載設備上的主流離散量輸出類型，后一種只用在飛控等對可靠性和電壓穩(wěn)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，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)指示的信號類還是功率驅(qū)動的控制類，其輸出電路的基本原理和架構都是相同的[2]，主要包括總線驅(qū)動、譯碼邏輯、數(shù)據(jù)鎖存、功率驅(qū)動、回繞監(jiān)控(由隔離驅(qū)動和電平轉換共同完成)、異常監(jiān)控和保護，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進步，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)控保護的方向逐步發(fā)展。

圖1 離散量輸出處理電路功能原理圖

3 當前離散量輸出信號處理電路的設計與實現(xiàn)方式

目前國內(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現(xiàn)，分為隔離型和非隔離型[4]。前者是通過繼電器或固態(tài)繼電器附加分立器件搭建電路進行處理，實現(xiàn)內(nèi)部控制信號與外部驅(qū)動電路的電氣隔離（控制信號和驅(qū)動電路不“共地”）；非隔離型則發(fā)展了三代，目前這三代實現(xiàn)方式仍在不同場合使用，第一代是通過分立器件與三極管、MOSFET搭建，第二代是小功率驅(qū)動集成芯片，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功能和故障指示，主機可以方便地通過故障指示管腳監(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)動電路和電磁繼電器組成。一般來說，隔離鎖存電路無法直接驅(qū)動電磁繼電器，必須通過三極管或達林頓管或MOS管放大電流后驅(qū)動電磁繼電器，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)點是可以實現(xiàn)內(nèi)部控制信號與外部電路的電氣隔離，驅(qū)動簡單，電磁繼電器輸出電流從幾十毫安到十幾安培的都有；缺點是通過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，另外輸出的過流過壓和過熱保護比較難做，需要占用大量的輔助電路和資源；電磁繼電器存在觸點壽命的問題。

圖2 電磁繼電器輸出28 V/開離散量電路

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，總線數(shù)據(jù)通過隔離驅(qū)動以及鎖存后，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，電流過大燒壞固態(tài)繼電器[3]。該電路在一些復雜機載電子設備中應用于特殊類型離散量輸出。這種接口電路的優(yōu)點是可以實現(xiàn)內(nèi)部控制信號與外部電路的電氣隔離，驅(qū)動簡單，固態(tài)繼電器沒有機械觸點，沒有觸點彈跳帶來的輸出不穩(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；缺點是通過固態(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，另外輸出的過流過壓和過熱保護比較難做，需要占用大量的輔助電路和資源；如果能夠?qū)⒈Ｗo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。

圖3 固態(tài)繼電器輸出28 V/開離散量電路

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)動的場合需要幾個到十幾個毫安的小電流，常用如圖4所示的電路。它由總線驅(qū)動鎖存電路以及達林頓陣列組成，可以方便地輸出地/開型離散量。這種電路的優(yōu)點是：控制簡單，驅(qū)動電路有集成電路可用，芯片帶有電流泄放管腳，可以驅(qū)動感性負載。缺點是：無法實現(xiàn)內(nèi)外電路的隔離，驅(qū)動電流較小，如果要進行異常保護也需要大量的輔助電路，占用較多資源。

圖4 地/開型小信號離散量輸出

3.3 集成電路實現(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功能。國外的英飛凌公司的 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、故障指示等整合進單片集成芯片內(nèi)，廣泛應用于機載設備和工業(yè)控制領域。

4 基于HKA2330芯片的離散量輸出接口電路

隨著集成電路設計技術的發(fā)展及國內(nèi)對自主知識產(chǎn)權的需求，國內(nèi)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機載電子設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)離散量輸出電路對于像過壓過流保護、溫度異常、雷電防護等異常保護時，需要采用分離元器件對各種異常進行保護，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，增加了設計人員的設計難度。集成各種異常保護的集成電路在這種情況下是一種趨勢。

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

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

圖5 HKA2330內(nèi)部結構框圖

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

(1)機載環(huán)境下 28 V電源的接地負載驅(qū)動，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芯片，主要功能有：

(1)過載保護；

(2)輸出電流限制；

(3)短路電流保護；

(4)過熱關斷，內(nèi)部嵌有溫度傳感器，過熱時，自動保護；

(5)過壓保護（包括負載突降），防止外部電壓過高燒壞負載；

(6)感性負載快速消磁，能夠適應電機等負載閉環(huán)控制的場合；

(7)電源極性反向保護，防止外部接錯電源極性；

(8)帶有自動復位和遲滯的欠壓和過壓關斷；

(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)關斷狀態(tài)下的負載開路檢測；

(11)CMOS兼容的輸入；

(12)地和電源開路保護。

5 系統(tǒng)應用

某型號飛機機載計算機中，要求輸出1路離散量用于驅(qū)動閥門開關，離散量具有大電流和高電壓驅(qū)動能力。系統(tǒng)設計中對升壓后的驅(qū)動離散量進行輸出異常保護，傳統(tǒng)的設計方法是：分別設計過壓/欠壓保護電路、過流保護電路、溫度檢測電路，并通過CPU實時查詢控制，增加了設計人員的工作量。經(jīng)分析研究后，采用集成電路 HKA2330芯片實現(xiàn)離散量輸出處理電路簡潔方便，電路實現(xiàn)框圖如圖6所示。

圖6 基于HKA2330芯片的離散量輸出電路實現(xiàn)框圖

通過對國產(chǎn)HKA2330芯片的系統(tǒng)應用，可體現(xiàn)出我國機載航空電子系統(tǒng)使用單片集成電路產(chǎn)生離散量驅(qū)動輸出的優(yōu)點，主要有：

(1)統(tǒng)一的 CMOS接口規(guī)范，大大簡化了電路設計，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，完善了系統(tǒng)的保護功能。

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

(3)內(nèi)部集成的自保護功能，省去了保護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)提高了整個系統(tǒng)的技術水平，實現(xiàn)了離散量輸出處理技術的跨代發(fā)展，達到了國際先進水平。

6 結束語

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計，離散量輸出接口電路的優(yōu)缺點對比見表1。其特點主要是：電路集成化，輔助電路大大簡化，功能及保護完善，效率提高，簡化設計，節(jié)省資源和成本。通過分析可以看出，離散量輸出電路使用單片集成電路形式實現(xiàn)，必將會成為未來發(fā)展的趨勢。

[1]王萌，成書鋒，李亞鋒.機載計算機內(nèi)離散量接口功能的設計方法[J]．計算機技術與發(fā)展，2015，25（2）：207-211.

[2]王銳.計算機接口處理模塊及自測試設計[J]．航空計算技術，2013，43（1）：123-126.

[3]惠曉強.某管理計算機便攜式測試設備的設計與研究[J]．航空計算技術，2006，36（5）：22-26.

[4]徐榮錦.一種簡單可靠離散量信號電路的設計與實現(xiàn)[J]．電子設計工程，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)中的新器件應用[M]．西安：西安電子科技大學出版社，2002.

Aviation discrete output mechanism and design realization circuit

Cai Yefang1，2，Shao Gang1，2，Li Chang3，Xie Yunxiang3
(1.AVIC Computing Technique Research Institute，Xi′an 710068，China；2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Integrated Circuit and Micro-System Design，Xi′an 710068，China；3.Xi′an Xiangteng Microelectronics Technology CO.，LTD，Xi′an 710068，China)

Discrete output processing circuit avionics system is an important part of the basic circuit processing,has been with the development of integrated circuit design built from complex separation device transition to integrated,intelligent direction.In this paper,avionics systems discrete output interface circuit and principle of implementation,the first of discrete output circuits function and introduced,from the basic principles and the development process of discrete output interface processing circuits to achieve the various processing circuits and comparative analysis of the advantages and disadvantages,and finally to the domestic HKA2330 chip,for example summarized the airborne avionics systems using integrated circuit processing discrete signal superiority.

discrete output；signal processing；HKA2330

V243.1

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.03.004

蔡葉芳，邵剛，李昶，等.航空離散量輸出處理機理及設計實現(xiàn)[J].電子技術應用，2016，42(3)：13-15，19.

英文引用格式：Cai Yefang，Shao Gang，Li Chang，et al.Aviation discrete output mechanism and design realization circuit[J]. Application of Electronic Technique，2016，42(3)：13-15，19.

2016-02-18)

蔡葉芳（1982-），男，本科，高級工程師，主要研究方向：大規(guī)模集成電路、SoC設計。

邵剛（1978-），男，碩士，高級工程師，主要研究方向：數(shù)?；旌霞呻娐吩O計。

李昶（1987-），男，本科，助理工程師，主要研究方向：航空電子產(chǎn)品硬件設計及驗證。

中國航空工業(yè)集團公司創(chuàng)新基金(2010BD63111)