機(jī)彈載離散量輸出接口設(shè)計(jì)與技術(shù)

惠曉強(qiáng) 秦沖 董凱

摘 要：文章針對機(jī)彈載領(lǐng)域離散量輸出接口電路的設(shè)計(jì)和未來的技術(shù)發(fā)展，介紹了離散量輸出電路的基本原理及實(shí)現(xiàn)方法，對離散量輸出接口處理電路的各種處理電路的實(shí)現(xiàn)及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對比分析，以HKA2330芯片為例論證了國內(nèi)外各種集成電路處理離散量信號(hào)的芯片架構(gòu)、功能及其優(yōu)點(diǎn)，對未來離散量輸出接口電路的發(fā)展方向提出了思路。

關(guān)鍵詞：離散量輸出;信號(hào)處理;HKA2330;雷電防護(hù);過流保護(hù);過壓保護(hù);繼電器;FPGA

中圖分類號(hào)： TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）02-0192-02

機(jī)彈載設(shè)備等電子系統(tǒng)中，存在大量的負(fù)載需要通過離散量信號(hào)輸出驅(qū)動(dòng)，比如起落架的收放、故障告警指示燈、艙門開關(guān)以及自動(dòng)滅火等。離散量輸出電路具有簡單、可靠、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，所以現(xiàn)在的飛機(jī)上仍在大量使用。傳統(tǒng)上，離散量電路可以通過模擬電路搭建或者直接手動(dòng)機(jī)械操作，隨著航空機(jī)載計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展，機(jī)上所有的控制作動(dòng)幾乎都離不開計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)硬件電路搭建，軟件控制實(shí)現(xiàn)既定的動(dòng)作、顯示、告警、聲音等。因此，安全可靠的離散量輸出電路的設(shè)計(jì)顯得越來越重要[1]。

1 機(jī)彈載離散量輸出接口電路基本原理

機(jī)彈載離散量輸出類型分為28V/開和地/開，其特點(diǎn)是：直接使用機(jī)載28V電源，驅(qū)動(dòng)電路不需要專門回線，對于28V/開信號(hào)，負(fù)載就近直接使用電源地線或者機(jī)體做回線;對于地/開信號(hào)，負(fù)載就近直接使用電源線;機(jī)上的28V電源不是一個(gè)穩(wěn)定的直流電源，需要做相應(yīng)的抗尖峰浪涌設(shè)計(jì)。

離散量輸出電路主要包括主處理器CPU、I/O接口、隔離驅(qū)動(dòng)、功率驅(qū)動(dòng)、回繞監(jiān)控、異常保護(hù)和雷電防護(hù)等，其框架原理圖見圖1[2]。

機(jī)載離散量輸出接口電路的組成包括：

1） I/O口：目前的絕大部分CPU或者微控制器等都具有I/O口，CPU在相應(yīng)的寄存器寫入數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)I/O口的“0或者1”輸出，I/O口的狀態(tài)可以穩(wěn)定保持，不需要其他支持電路;

2） 隔離驅(qū)動(dòng)：一般CPU自帶的I/O口的驅(qū)動(dòng)能力比較小，無法直接驅(qū)動(dòng)后級(jí)，另外為了防止外部信號(hào)干擾對I/O口的損傷，在I/O口和功率驅(qū)動(dòng)電路之間增加了驅(qū)動(dòng)隔離電路;

3） 功率驅(qū)動(dòng)放大電路：計(jì)算機(jī)輸出的離散量信號(hào)都是TTL或CMOS信號(hào)，這些信號(hào)無法直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，功率放大電路將小信號(hào)轉(zhuǎn)換為大電流、高電壓的信號(hào)，以適應(yīng)系統(tǒng)的需求;

4） 電壓轉(zhuǎn)換、異常保護(hù)和故障處理電路：當(dāng)離散量輸出接口電路輸出的電壓出現(xiàn)某種原因的過壓和過流時(shí)，有可能會(huì)對負(fù)載或者功率放大電路本身造成損壞，一旦輸出超過了設(shè)定的電壓電流限定值，需要及時(shí)做出處理，關(guān)斷輸出以保證安全，同時(shí)將故障情況指示匯報(bào)給CPU，CPU可以做出故障隔離、處理和記錄;

5） 雷電防護(hù)電路：機(jī)彈載計(jì)算機(jī)需要對進(jìn)出機(jī)箱的接口信號(hào)設(shè)計(jì)間接雷電防護(hù)設(shè)計(jì)，保證雷擊時(shí)，接口電路不會(huì)損壞，各種接口信號(hào)能夠正常工作;

6） 輸出電路BIT功能：輸出電路BIT主要包括電壓轉(zhuǎn)換和故障監(jiān)控、處理電路，它是主處理器CPU對輸出信號(hào)的狀態(tài)監(jiān)控，保證離散量輸出信號(hào)的正確、穩(wěn)定和可靠，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，可以進(jìn)一步定位、記錄和處理故障。

2 機(jī)彈載離散量輸出接口電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)的需求，機(jī)彈載離散量輸出接口電路一般分為非隔離型和隔離型。隔離型是通過光或者磁隔離，通常用繼電器外加驅(qū)動(dòng)保護(hù)等電路，實(shí)現(xiàn)外部驅(qū)動(dòng)電路與內(nèi)部控制信號(hào)的電氣隔離;非隔離型則發(fā)展了三代，第一代是通過分立器件與三極管、MOSFET搭建模擬電路，根據(jù)系統(tǒng)需要，可以增加電壓電流溫度監(jiān)控和故障隔離、切除以及故障記錄電路。第二代是小功率驅(qū)動(dòng)集成芯片，數(shù)字模擬混合集成電路，片內(nèi)集成有完善的故障指示和異常保護(hù)功能，過流過壓保護(hù)的大小是固定的，不可更改，故障指示管腳可以方便主機(jī)監(jiān)控芯片的工作狀態(tài)。第三代是將功率驅(qū)動(dòng)器件與小規(guī)模FPGA、Flash存儲(chǔ)器結(jié)合產(chǎn)生的新一代離散量驅(qū)動(dòng)集成芯片，它與第二代功率驅(qū)動(dòng)集成芯片的最大不同是能夠?qū)2t曲線的參數(shù)寫入芯片的Flash存儲(chǔ)器，F(xiàn)PGA進(jìn)行控制，協(xié)調(diào)整個(gè)芯片的工作，實(shí)現(xiàn)靈活的保護(hù)關(guān)斷時(shí)間，而且，當(dāng)系統(tǒng)需求改變時(shí)，也可以隨時(shí)改變I2t曲線的參數(shù)。

2.1 隔離型離散量輸出接口電路設(shè)計(jì)

繼電器輸出離散量是最常用的電路，該電路由I/O口、隔離驅(qū)動(dòng)電路、小功率MOS管驅(qū)動(dòng)電路、繼電器和續(xù)流保護(hù)二極管組成。隔離鎖存電路通常無法驅(qū)動(dòng)繼電器，必須通過三極管或者M(jìn)OS管放大后驅(qū)動(dòng)繼電器，繼電器輸出端產(chǎn)生離散量輸出（28V/開或地/開）信號(hào)，電阻R用于MOS管的基極保護(hù)，二極管用于抑制繼電器關(guān)斷時(shí)線圈兩端出現(xiàn)的高壓，防止打壞MOS管。通過繼電器輸出離散量的電路原理圖見圖2。繼電器離散量輸出的優(yōu)點(diǎn)是：可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部控制信號(hào)與外部電路的電氣隔離，電路設(shè)計(jì)簡單，成本較低，輸出電流從幾十毫安到十幾安培的都有，繼電器吸合時(shí)有聲音，可以比較方便地判斷電路是否正常工作;缺點(diǎn)是：繼電器與分立器件搭建電路，體積、重量較高，繼電器的動(dòng)作時(shí)間一般在毫秒級(jí)，輸出的過流過壓和過熱保護(hù)難以實(shí)現(xiàn)，繼電器的線圈是感性負(fù)載，會(huì)對線圈的驅(qū)動(dòng)電源以及地線造成干擾，另外繼電器存在觸點(diǎn)壽命的問題。

2.2 非隔離型離散量輸出接口電路設(shè)計(jì)

機(jī)上的顯示、故障告警等LED的驅(qū)動(dòng)只需要幾個(gè)到幾十個(gè)毫安的電流，可以直接使用晶體管驅(qū)動(dòng)。它由I/O口、驅(qū)動(dòng)隔離芯片、晶體管電路組成?？梢苑奖愕剌敵?8V/開和地/開型離散量，常用的芯片有SG2803、SG2813等。它的優(yōu)點(diǎn)是：控制簡單，驅(qū)動(dòng)電路有貨架產(chǎn)品，占用空間小，價(jià)格低廉。缺點(diǎn)是：無法實(shí)現(xiàn)內(nèi)外電路的隔離，驅(qū)動(dòng)電流較小，晶體管的過載能力小，需要設(shè)計(jì)輔助電路進(jìn)行異常保護(hù)。

3 機(jī)彈載離散量輸出接口電路的保護(hù)

通常的離散量輸出接口電路，由于某些原因，可能導(dǎo)致輸出過壓或者過流，因此，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路進(jìn)行保護(hù)，一種過流保護(hù)方法在要求不是很精準(zhǔn)的情況下，采用可恢復(fù)保險(xiǎn)絲進(jìn)行保護(hù)，可恢復(fù)保險(xiǎn)絲具有過流過熱保護(hù)和自恢復(fù)雙重功能。

選用自恢復(fù)保險(xiǎn)絲的電路的優(yōu)點(diǎn)是：電路設(shè)計(jì)簡單，占用資源少，缺點(diǎn)是：保護(hù)的電流大小無法做到精準(zhǔn)，保護(hù)電流大小受溫度的影響較大，一般工作環(huán)境溫度是-40℃～85℃，因此，只能做簡單的保護(hù)，另外無法進(jìn)行過壓保護(hù)。

過壓保護(hù)的方法是：將輸出的電壓進(jìn)行分壓濾波，由于可能涉及高壓大電流等問題，為了安全，用隔離運(yùn)放調(diào)理后送入A/D轉(zhuǎn)換器，然后送入FPGA處理，F(xiàn)PGA內(nèi)可以存儲(chǔ)一個(gè)過壓的規(guī)定值，當(dāng)采樣的電壓超過規(guī)定值時(shí)，在極短時(shí)間內(nèi)輸出關(guān)斷信號(hào)，將電子開關(guān)關(guān)斷，從而保護(hù)負(fù)載不因?yàn)檫^壓而被燒壞，具體電路見圖3。

過流保護(hù)的方法跟過壓保護(hù)的方法相似，只是需要將被監(jiān)控的電流轉(zhuǎn)換為電壓，因此，需要在負(fù)載所在的主回路中串入采樣電阻，然后將采樣電阻端的電壓進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)輸出電流超過某個(gè)設(shè)定的安全值后，進(jìn)行切斷以保護(hù)后級(jí)負(fù)載，過流保護(hù)一般是根據(jù)過流的電流大小決定切斷主電路的時(shí)間，即過流電流越大，關(guān)斷時(shí)間約短，過流電流越小，關(guān)斷時(shí)間約長，這就是所謂的I2t曲線，I2t曲線一般需要綜合考慮整個(gè)系統(tǒng)的電源、電子開關(guān)、負(fù)載等各個(gè)組成的保護(hù)特性，有時(shí)還需要根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。因此FPGA內(nèi)存儲(chǔ)的過流電流數(shù)據(jù)以及對應(yīng)的關(guān)斷時(shí)間可能有許多，一般是設(shè)計(jì)成查表方法，即根據(jù)采樣的電流值查表確定對應(yīng)的關(guān)斷時(shí)間，這樣才能及時(shí)關(guān)斷電子開關(guān)，保護(hù)后級(jí)負(fù)載。比較完善的設(shè)計(jì)應(yīng)該同時(shí)記錄過壓過流故障發(fā)生的時(shí)間、故障電壓值、故障次數(shù)等，為后續(xù)的排故或者分析提供可靠的數(shù)據(jù)和依據(jù)。

這種過壓過流的保護(hù)方法優(yōu)點(diǎn)是可靠準(zhǔn)確、I2t曲線參數(shù)可以靈活設(shè)置和更改，控制周期短，一套電路可以同時(shí)做到電流電壓保護(hù);缺點(diǎn)是系統(tǒng)保護(hù)的電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，涉及軟硬件協(xié)調(diào)，當(dāng)保護(hù)的負(fù)載較多時(shí)，這種電路占用軟硬件資源較多，為了保證閉環(huán)控制的時(shí)間，甚至需要每一路保護(hù)電路配置一個(gè)微處理器，有時(shí)系統(tǒng)難以提供。

4 機(jī)彈載離散量輸出接口電路的新技術(shù)

離散量輸出接口電路的技術(shù)發(fā)展方向是單片式集成電路，通過微電子的方法將離散量輸出功能、智能保護(hù)、故障指示等整合進(jìn)單片集成芯片內(nèi)，芯片內(nèi)集成有完整的自保護(hù)功能，大大縮小了離散量輸出接口電路的體積、重量和功耗。國外的Intersil公司的HIP系列低邊控制器以及英飛凌的BTS系列高邊控制器都已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)這些功能，廣泛應(yīng)用于機(jī)載設(shè)備和工業(yè)控制領(lǐng)域。

近年來，國內(nèi)的元器件研制單位也競相研制此類復(fù)雜的接口電路，某公司研制的HKA2330芯片，其功能類似于BTS410。

HKA2330的內(nèi)部功能組成包括邏輯電路、電荷泵電平整流器、電壓傳感器、電壓源、ESD防護(hù)電路、過流保護(hù)、過壓保護(hù)、門級(jí)保護(hù)、負(fù)載開路檢測、感性負(fù)載鉗位限制、溫度傳感器以及短路檢測等。HKA2330主要應(yīng)用于：

1） 機(jī)彈載環(huán)境下20V-48V寬電源范圍的接地負(fù)載驅(qū)動(dòng)，具有與微處理器兼容的接口，并帶有診斷反饋功能;

2） 可以接阻性或感性負(fù)載;

3） 代替繼電器、熔斷器和離散量輸出電路等。

機(jī)彈載航空電子系統(tǒng)使用單片集成電路設(shè)計(jì)離散量輸出接口電路的優(yōu)點(diǎn)：

顯然，使用集成電路的機(jī)彈載離散量輸出接口技術(shù)比分立器件搭建的電路有了很大提高，但是該集成電路對于過流狀態(tài)的保護(hù)還只能實(shí)現(xiàn)固定的電流保護(hù)，無法實(shí)現(xiàn)I2t曲線參數(shù)的靈活調(diào)整，因此，可以將微控制器與邏輯電路，功率電路，過流過壓保護(hù)電路集成在一起，實(shí)現(xiàn)該功能，這將是下一代集成離散量輸出接口設(shè)計(jì)研究的方向[3]。

5 結(jié)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(shè)計(jì)，從沒有異常保護(hù)到固定電流的過流保護(hù)到靈活的多梯度、多過流點(diǎn)的保護(hù)。離散量輸出接口設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，應(yīng)用越來越簡單，保護(hù)越來越完善，系統(tǒng)的可靠性、可用性越來越高，測試性越來越完善，這也是國家將集成電路列為未來重點(diǎn)發(fā)展的高科技的重要原因之一。

參考文獻(xiàn)：

[1] 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.

[2] 蔡葉芳，邵剛，李昶，等.航空離散量輸出處理機(jī)理及設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42（3）：13-15，19.

[3] 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.

【通聯(lián)編輯：唐一東】