一種基于芯片的離散量接口解決方案*

楊 峰，索高華，解亞龍

(1.中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計(jì)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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)

一種基于芯片的離散量接口解決方案*

楊 峰1，2，索高華3，解亞龍3

(1.中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計(jì)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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)

傳統(tǒng)的離散量處理方案采用分立器件搭建，面積體積及重量較大，可靠性較低，BIT占用硬件資源較多，已不能滿足系統(tǒng)小型化、高可靠性的要求。提出了一種基于國(guó)產(chǎn)自研芯片的離散量接口解決方案，該方案設(shè)計(jì)靈活簡(jiǎn)單，集成了自檢測(cè)、冗余、錯(cuò)誤校驗(yàn)和錯(cuò)誤隔離等功能，同時(shí)在小型化、功耗、成本、面積和重量上具有極大優(yōu)勢(shì)，可廣泛應(yīng)用于航空電子、工業(yè)控制等領(lǐng)域中。

離散量；接口電路；HKA03201

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(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(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200mm×200mm。

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(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(cè)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。

圖1 28 V/開離散量采集端口外圍電路

圖2 地/開離散量采集端口外圍電路

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(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(zhǎng)，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。

圖3 單片使用示意圖

圖4 多片級(jí)聯(lián)SPI接口操作使用

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(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(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。

表1 方案對(duì)比

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(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。

[1]徐忠錦.一種簡(jiǎn)單可靠離散量信號(hào)電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013，21(5)：130-133．

[2]魏婷.一種新型離散量接口電路的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2015，25(3)：167-170.

[3]王萌，成書鋒，李亞鋒.機(jī)載計(jì)算機(jī)內(nèi)離散量接口功能的設(shè)計(jì)方法[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2015，25(2)：207-211.

[4]田心宇，張小林，吳海濤，等．機(jī)載計(jì)算機(jī)BIT設(shè)計(jì)技術(shù)及策略研究[J]．計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011，19(9)：2064-2066．

[5]溫熙森，胡政，易曉山，等．可測(cè)試性技術(shù)的現(xiàn)狀與未來(lái)[J]．測(cè)控技術(shù)，2000，19(1)：9-12．

[6]周德新，崔海青，謝曉敏．機(jī)載電子設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33(24)：80-82.

One solution of interface of the discrete quantity based on chip

Yang Feng1，2，Suo Gaohua3，Xie Yalong3
(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)

Traditional discrete quantity processing solutions have not met the requirements of the system miniaturization and high reliability because of applying the discrete device structures,which resulted in large volume,area,weight and low reliability,and BIT takes up more hardware resources.This paper puts forwards one solution of interfaces of the discrete quantity based on domestic self-development chips.The design of this solution is simple and flexible,integrated with functions such as self-text,redundancy, error check and fault isolation and so on.Besides,the solution has great advantages in power consumption,cost,area,and weight. So,the solution can be widely used in aviation electronics,industrial control and other area.

discrete magnitude signal；interface circuit；HKA03201

表1 各種類型離散量輸出電路優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

TP301

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.03.005

楊峰，索高華，解亞龍.一種基于芯片的離散量接口解決方案[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(3)：16-19.

英文引用格式：Yang Feng，Suo Gaohua，Xie Yalong.One solution of interface of the discrete quantity based on chip[J].Application of Electronic Technique，2016，42(3)：16-19.

2016-02-18）

楊峰（1980-），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：集成電路設(shè)計(jì)及驗(yàn)證，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)。

索高華（1985-），女，本科，助理工程師，主要研究方向：集成電路設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。

解亞龍（1985-），男，本科，助理工程師，主要研究方向：航空集成電路硬件設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司創(chuàng)新基金(2010BD63111)