兩種離散量信號采集電路的對比

朱耀國，惠曉強，李 陽

(中國航空工業(yè)集團公司西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068)

0 引言

隨著航空產(chǎn)業(yè)多電飛機及全電飛機的發(fā)展趨勢，機載設(shè)備電氣化的程度不斷提高，機電管理計算機作為機電管理系統(tǒng)的“大腦”，需要對大量機電信號進行采集監(jiān)控[1]，并上報給飛行管理系統(tǒng)或機組告警指示系統(tǒng)，因此具備多路離散量信號采集需求。隨著航空電子產(chǎn)品的復(fù)雜度和綜合化程度的提高，降低產(chǎn)品重量、體積、功耗成了目前硬件設(shè)計的一種趨勢[2]，航空離散量采集電路也由傳統(tǒng)的多器件搭建的電路轉(zhuǎn)變?yōu)橐约呻娐窞楹诵牡牟杉娐贰１疚囊詢煞N采集電路為例，通過對傳統(tǒng)和集成化的離散量采集電路的構(gòu)成及工作機理進行分析，闡述了集成化離散量采集電路的優(yōu)點。

1 傳統(tǒng)離散量采集電路

1.1 電路組成

傳統(tǒng)28 V/開采集電路的組成如圖1所示，如果需要改變?yōu)榈?開采集電路，則需要將A端改為地/開輸入信號，B端改為28 V源，C、E端二極管方向取反，D端改為地/開內(nèi)部測試輸入。傳統(tǒng)離散量采集電路由光耦、點平轉(zhuǎn)換器、FPGA、內(nèi)部開關(guān)、穩(wěn)壓管、二極管、電阻組成[3]，以28 V/開離散量采集電路為例，對應(yīng)的功能如下：

1) 電阻：對28 V/開輸入、28 V/開內(nèi)部測試輸入、光耦輸出5 V上拉輸入進行限流；

圖1 傳統(tǒng)28 V/開采集電路結(jié)構(gòu)圖

2) 二極管：防止28 V/開輸入、28 V/開內(nèi)部測試輸入兩者間串流；

3) 光耦：將28 V/開輸入信號轉(zhuǎn)換地/開信號輸出，光耦的地/開信號通過外部電阻上拉5 V轉(zhuǎn)換為5 V/地信號；

4) 內(nèi)部開關(guān)：由板上激勵使能開關(guān)的閉合/斷開，用于接入28 V/開內(nèi)部測試輸入；

5) 穩(wěn)壓管：如果無穩(wěn)壓管，當(dāng)28 V/開輸入線上有大于0 V的輸入擾動時，在光耦輸入側(cè)產(chǎn)生電壓降，光耦可能產(chǎn)生無輸出。根據(jù)用戶要求，將穩(wěn)壓管設(shè)置為11 V，這樣，只有28 V/開輸入線上的輸入電壓大于11 V時，光耦才會導(dǎo)通，該穩(wěn)壓管可根據(jù)外部需求更換型號；

6) 點平轉(zhuǎn)換電器：SM164245點平轉(zhuǎn)換器將5 V/地信號轉(zhuǎn)換為3.3 V/地信號，以滿足FPGA的IO接口需求；

7) FPGA：按照所需的周期，對輸入端的3.3 V/地信號進行采集，當(dāng)輸入端為3.3 V時采集記錄為1，輸入端為地時采集記錄為0，并將對應(yīng)的數(shù)據(jù)打包，供其他設(shè)備查詢，或用于自身邏輯判斷。

1.2 電路工作原理

以28 V/開采集電路為例，采集電路通過以光耦、穩(wěn)壓管為核心的電路，將外部輸入的28 V/開輸入信號轉(zhuǎn)換為3.3 V/地信號供FPGA采集；同時該電路具備自檢功能，通過板上自激勵閉合內(nèi)部測試開關(guān)，接通28 V/開內(nèi)部測試輸入，用于向采集電路提供內(nèi)部激勵，這樣可以檢測電路功能是否完好。由于外部及內(nèi)部測試的28 V/開輸入信號后端均連接了二極管，這樣可以有效防止兩者串流。該電路的優(yōu)點是具備自檢測功能，且28 V/開輸入的檢測點門限可以通過更換穩(wěn)壓管進行配置。

如果需要雷電防護功能，則需要在外部28 V/開輸入端并聯(lián)相應(yīng)的TVS管。

2 集成化28 V/開采集電路

2.1 電路組成

集成化28 V/開采集電路的組成如圖2所示，電路由離散量采集芯片HKA1223-CSC、FPGA、電容、電阻組成，對應(yīng)的功能如下：

圖2 集成化28 V/開采集電路結(jié)構(gòu)圖

1) 電阻：對28 V/開輸入進行限流；

2) 電容：與電阻構(gòu)成低通濾波電路，減少28 V/開輸入信號線上的干擾；

3) FPGA：在上電后通過SPI總線對HKA1223-CSC進行接口采集類型配置、自檢或采集模式配置，并周期訪問離散量采集芯片HKA1223-CSC，獲取離散量采集數(shù)據(jù)，并將對應(yīng)的數(shù)據(jù)打包，供其他設(shè)備查詢，或用于自身邏輯判斷；

4) 離散量采集芯片HKA1223-CSC：具備8路可配置離散量采集接口，可配置為28 V/開或地/開采集；SPI接口，用于接收主機配置指令，并供主機讀取采集/自檢結(jié)果。

2.2 離散量采集芯片HKA1223-CSC工作原理

芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 HKA1223-CSC內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

離散量采集芯片HKA1223-CSC可以根據(jù)SPI指令配合寄存器選擇引腳SEL，選擇訪問配置寄存器或者結(jié)果寄存器。當(dāng)SEL為低電平時，外部SPI可以讀寫配置寄存器CR，共9位，最高位第9位為自檢控制位，1表示自檢，0表示外部檢測；剩余8位分別表示每路外部檢測的配置類型，當(dāng)為0時，配置為28 V/開檢測；當(dāng)為1時，配置為地/開檢測；比較器的閾值根據(jù)采集接口配置的不同自動調(diào)整。當(dāng)SEL為高電平時，外部SPI僅可讀取數(shù)據(jù)寄存器DR，共8位，分別表示每路采集接口的結(jié)果，當(dāng)被配置為28 V/開采集時，結(jié)果1表示采集結(jié)果為28 V，結(jié)果0表示采集結(jié)果為開；當(dāng)被配置為地/開采集時，結(jié)果1表示開，結(jié)果0表示為地[4]。

根據(jù)配置信息的不同，每路采集通路中開關(guān)S1-S4的配合情況如下：

1) 當(dāng)配置為自檢模式，接口為地/開時，僅S3接通為高電平，比較器正極注入高電平，輸出高為1，表示結(jié)果為開，完成自檢測；

2) 當(dāng)配置為自檢模式，接口為28 V/開時，僅S4接通為地，比較器正極輸入地，輸出低為0，表示為開，完成自檢測；

3) 當(dāng)配置模式為外部檢測，接口為地/開時，僅S1接通為高電平，當(dāng)外部為開輸入時，比較器正極注入高電平，輸出高為1，表示為開；當(dāng)外部為地輸入時，比較器正極輸入地，輸出地為0，表示結(jié)果為地；

4) 當(dāng)配置模式為外部檢測，接口為28 V/開時，僅S2接通為地，當(dāng)外部為開輸入時，比較器注入地，輸出低為0，表示為開；當(dāng)外部為28 V輸入時，通過電阻分壓后比較器輸入為高，輸出為高，表示結(jié)果為28 V。

除了可以靈活配置的優(yōu)點外，離散量采集芯片HKA1223-CSC為每一路采集電路還配置了雷電防護電路和遲滯比較器，具備DO160-level3防雷能力，這樣可以有效防護外部接口上的過電壓、電壓抖動情況。

3 電路比較

根據(jù)上述對電路結(jié)構(gòu)與工作原理的介紹，傳統(tǒng)離散量采集電路與集成化電路的對比如下：

1) 傳統(tǒng)離散量采集電路不可在板上靈活配置，無法在28V/開或地/開采集電路間切換；集成化離散量采集電路可靈活配置為28 V/開或地/開采集電路；

2) 傳統(tǒng)離散量采集電路器件種類和數(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[5]，使用集成化離散量采集電路可以大大減小產(chǎn)品體積、重量、功耗；

3) 1路傳統(tǒng)離散量采集電路需要1路FPGA的I/O接口，而可采集8路的集成化電路的SPI總線(SPI_SEL,SPI_CLK,SPI_SDO,SPI_SDI)占用FPGA的4個I/O，在數(shù)十路離散量需要采集的場合，集成化離散量采集電路更易擴展；

4) 集成化離散量采集電路具備雷電防護功能，而傳統(tǒng)離散量采集電路需要在外部并聯(lián)TVS瞬態(tài)抑制二極管；

5) 傳統(tǒng)離散量電路可通過更改穩(wěn)壓管型號改變檢測電壓門限；而集成化的離散量采集電路的檢測門限區(qū)間為固定的遲滯區(qū)間，不可改變。

4 結(jié)論

通過對兩種不同時期的離散量采集電路的電路組成及工作原理進行介紹與分析，可以看到集成電路的巨大優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的離散量采集電路通過分立器件搭建的電路相比，集成化離散量采集電路具有占板面積小、功耗低、重量低、功能豐富、易于擴展的優(yōu)點，有效解決了航空機載系統(tǒng)離散量采集過程的小型化、集成化、可靠性的問題。