一種通用型離散量輸入接口電路設(shè)計(jì)

高 震，張祎彤，呂 俊

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所,陜西 西安 710065)

0 引言

飛機(jī)駕駛艙是飛機(jī)的重要組成部分之一，頂控板控制單元作為飛機(jī)駕駛艙指示系統(tǒng)的核心控制裝備，關(guān)系到飛機(jī)的飛行安全，其主要用途包括控制驅(qū)動(dòng)頂控板指示燈，采集頂控板開關(guān)狀態(tài)等。為實(shí)現(xiàn)對(duì)頂控板及其他指示系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)的集中處理，需要設(shè)計(jì)獨(dú)立的輸入輸出接口模塊。頂控板控制單元輸入輸出接口模塊以FPGA為接口控制芯片，集成了模擬量輸入、離散量輸入輸出及總線通信等功能。其中地/開離散量及28 V/開離散量信號(hào)數(shù)量較多，使用傳統(tǒng)的離散量輸入電路通用性較差，且電路冗余復(fù)雜，可靠性低，不利于電路的維護(hù)和擴(kuò)展處理。針對(duì)此類問題，本文應(yīng)用一種集成度較高的離散量輸入芯片，設(shè)計(jì)了一種通用型離散量輸入接口電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)地/開離散量及28 V/開離散量信號(hào)的數(shù)據(jù)處理，極大簡化了離散量輸入電路的復(fù)雜度，優(yōu)化了電路設(shè)計(jì)，并提升了電路的通用性及可靠性。

1 離散量信號(hào)輸入功能

離散量信號(hào)有著極低的輸入帶寬，存在“接通”和“斷開”兩種狀態(tài)，是分散的、不連續(xù)的信號(hào)[1]?，F(xiàn)代飛機(jī)駕駛艙指示系統(tǒng)中普遍存在離散量信號(hào)，根據(jù)電壓幅度的不同，可分為28 V、15 V、10 V等多種形式。常見的離散量信號(hào)有地/開、28 V/開、28 V/地等等，這些信號(hào)通常用于采集頂控板各類開關(guān)及指示燈的當(dāng)前狀態(tài)。為滿足機(jī)載機(jī)電產(chǎn)品的功能性能要求，需要將不同的離散量信號(hào)轉(zhuǎn)化為TTL電平輸出，當(dāng)信號(hào)數(shù)量較多時(shí)，轉(zhuǎn)換通路也隨之增多，這樣不僅增加了電路功耗，成本、重量也有所上升，通用性和可靠性降低[2]。本文設(shè)計(jì)了一種離散量信號(hào)輸入接口電路，將多通道離散量輸入信號(hào)集中處理，大大簡化了電路設(shè)計(jì)復(fù)雜程度，此電路基于HKA03201離散量轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)，功能框圖如圖1所示。

圖1 離散量采集功能框圖

HKA03201芯片可提供多達(dá)32路離散量信號(hào)的轉(zhuǎn)換功能處理，支持28 V/地、28 V/開、地/開三種離散量輸入方式，轉(zhuǎn)換閾值可配置，高閾值和低閾值之間保持原狀態(tài)，可選SPI或16位并行總線接口，內(nèi)置閃電防護(hù)功能，并提供自檢測(cè)功能，主機(jī)發(fā)起自檢過程中，離散量數(shù)據(jù)處理功能暫停，數(shù)據(jù)仍被保留在數(shù)據(jù)寄存器中，自檢開始后，自檢流程無法中斷，每次自檢時(shí)間最長需6 ms[3]。

2 離散量輸入電路設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)離散量的采集，首先需要通過主控制器配置離散量芯片信息，并對(duì)輸入接口的外圍電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足產(chǎn)品使用技術(shù)要求。

2.1 地/開、28 V/開離散量輸入電路

一片離散量芯片可處理32路離散量信號(hào)，本設(shè)計(jì)應(yīng)用2片離散量芯片，每片芯片分為A、B兩組通道，每組通道處理16路離散量信號(hào)輸入，分別用于地/開、28 V/開離散量信號(hào)的采集與地/開、28 V/開輸出信號(hào)的回采。

考慮端口電流及產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境，地/開離散量信號(hào)輸入端串聯(lián)20 k電阻上拉到內(nèi)部28 V電源，信號(hào)輸入前端串聯(lián)2 k電阻作分壓處理，同時(shí)下拉1 μF電容接模擬地構(gòu)成一階低通濾波器濾除高頻噪聲。地/開離散量輸入電路如圖2所示。

圖2 地/開離散量輸入電路

28 V/開離散量信號(hào)輸入端串聯(lián)20 k電阻下拉到內(nèi)部模擬地，信號(hào)輸入前端串聯(lián)2 k電阻作分壓處理，同時(shí)下拉1 μF電容接模擬地構(gòu)成一階低通濾波器濾除高頻噪聲。28 V/開離散量輸入電路如圖3所示。

圖3 28V/開離散量輸入電路

地/開、28 V/開離散量信號(hào)經(jīng)過前段輸入電路后得到分壓后的離散量電壓，將每一路通道電壓與離散量芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓VREF進(jìn)行比較，當(dāng)離散量電壓小于基準(zhǔn)電壓VERF時(shí)，判定為低電平，當(dāng)離散量電壓大于基準(zhǔn)電壓VERF時(shí)，判定為高電平。

2.2 主機(jī)接口控制

離散量芯片通道默認(rèn)工作在自掃描模式下，采集到離散量信號(hào)后，經(jīng)過比較單元判斷高低電平，配置抖動(dòng)屏蔽功能穩(wěn)定輸入信號(hào)，并將結(jié)果存入數(shù)據(jù)寄存器輸出至主控制器。本設(shè)計(jì)應(yīng)用FPGA作為主控制器，與離散量芯片之間的通訊使用SPI串行接口，依據(jù)FPGA主控邏輯自動(dòng)實(shí)現(xiàn)離散量采集，同時(shí)解析SPI接口數(shù)據(jù)，并將采集結(jié)果存入指定地址的寄存器中供系統(tǒng)訪問讀取。主機(jī)接口控制圖如圖4所示。

圖4 主機(jī)接口控制圖

離散量芯片支持SPI接口和異步并行接口兩種主機(jī)通訊方式，將離散量芯片interface_sel信號(hào)置為1來選擇SPI接口通訊方式，通過CS片選信號(hào)選擇切換不同的離散量芯片，當(dāng)CS片選信號(hào)為0時(shí)，芯片被選中，SPI接口正常通信。依據(jù)SPI通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)和并行數(shù)據(jù)的移位轉(zhuǎn)換。SPI總線速率1 MHz，具體時(shí)序及訪問方法見HKA03201的技術(shù)手冊(cè)。按照產(chǎn)品技術(shù)要求，F(xiàn)PGA在每25 ms周期內(nèi)進(jìn)行一次離散量信號(hào)的采集和離散量芯片的周期BIT。在每個(gè)25 ms的采集周期內(nèi)，應(yīng)先進(jìn)行離散量芯片的周期BIT操作，再進(jìn)行離散量信號(hào)的采集。

2.3 BIT設(shè)計(jì)

為提高離散量輸入電路的工作可靠性，利用HKA03201離散量芯片的自檢測(cè)功能進(jìn)行周期BIT設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中周期性地以某一頻率進(jìn)行故障檢測(cè)，自檢操作由主機(jī)發(fā)起。離散量芯片默認(rèn)進(jìn)行0/1 mode自檢模式，自檢流程如圖5所示。

圖5 離散量芯片自檢流程

BIT使能后，離散量芯片開始自檢，ready引腳輸出0，芯片所有離散量輸入端口終止功能，芯片不進(jìn)行任何數(shù)據(jù)處理，同時(shí)將自檢結(jié)果存儲(chǔ)到自檢結(jié)果寄存器，自檢完成后，ready引腳將再次輸出1，離散量數(shù)據(jù)正常處理。當(dāng)32路離散量通道其中一路出現(xiàn)自檢錯(cuò)誤時(shí)，F(xiàn)ault端口信號(hào)置低，通過查詢錯(cuò)誤狀態(tài)寄存器STATUS REGISTER的BIT_FAULT位，可得到通道自檢結(jié)果。當(dāng)自檢結(jié)果D0位為1時(shí)，表示芯片自檢錯(cuò)誤，即BIT故障。

3 總結(jié)

針對(duì)駕駛艙指示系統(tǒng)大量的離散量采集需求，本文研究了一種通用型離散量輸入接口電路設(shè)計(jì)方法?；诩啥雀叩碾x散量芯片設(shè)計(jì)了離散量輸入接口電路及BIT功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多路離散量信號(hào)的采集及接口自檢測(cè)處理，該方法通用性強(qiáng)，已成功應(yīng)用在多個(gè)實(shí)際項(xiàng)目中。通過系統(tǒng)級(jí)環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證，電路工作穩(wěn)定，具有較高的可靠性。