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)。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，因此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
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(guò)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200 mm×200 mm。該方案存在以下缺點(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。
2.新離散量解決方案
新解決方案采用HKA03201芯片設(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(kāi)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(kāi)、28 V/地和地/開(kāi)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(guò)濾波并采取過(guò)壓保護(hù)后，經(jīng)過(guò)分壓限幅送入離散量芯片HKA03201，通過(guò)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(kāi)外圍電路如圖1所示，地/開(kāi)外圍電路如圖2所示。
圖1 28V/開(kāi)外圍電路
圖2 地/開(kāi)外圍電路
若應(yīng)用工程對(duì)離散量端口沒(méi)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(kāi)的離散量外圍電路參照?qǐng)D1，地/開(kāi)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(kāi)的模式干/濕電流：28 V/RD≧1 mA;推薦阻值：RD=20 kΩ。
地/開(kāi)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(guò)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(guò)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(méi)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)總線以地址查尋的方式訪問(wèn)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(xiě)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。
圖3 單片使用示意圖
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(guò)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(kāi)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(xiě)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(kāi)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。
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。
總結(jié)
以上就是基于芯片的離散量接口設(shè)計(jì)介紹了。該設(shè)計(jì)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，已成功應(yīng)用于航空電子、工業(yè)控制等領(lǐng)域中。
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