航空离散量输入处理机理及设计实现*

惠晓强，李 昶，邓广真

（1.中航工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068；2.集成电路与微系统设计航空科技重点实验室，陕西 西安710068；3.西安翔腾微电子科技有限公司，陕西 西安 710068）

航空离散量输入处理机理及设计实现*

惠晓强1，2，李 昶3，邓广真3

（1.中航工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068；2.集成电路与微系统设计航空科技重点实验室，陕西 西安710068；3.西安翔腾微电子科技有限公司，陕西 西安 710068）

随着微电子技术的发展，作为现代电子控制系统的重要组成部分，离散量输入接口处理电路已从传统较复杂的分立元件搭建电路逐步向简单可靠的集成电路方向发展。首先从离散量输入电路基本功能进行介绍，再按离散量输入接口处理电路的发展历程对各种处理电路的实现方式及优缺点进行分析对比，最后以国产HKA03201芯片为例归纳总结出机载航电系统使用集成电路处理离散量信号的优越性。

离散量输入；信号处理；HKA03201

0 引言

在机弹载领域，计算机需要通过采集离散量信号来识别大量的位置、阀门状态、指示灯状态等信息。但是，机弹载领域的离散量一般使用28 V信号，这类信号不能直接被计算机所识别，必须通过一定的接口电路转换成计算机所能识别的TTL或CMOS信号[1]。随着电子元器件、集成电路以及计算机的发展，离散量信号的接口电路由简单到复杂，可靠性逐步提高，集成度逐步增加，功能逐步完善。

1 离散量输入信号处理电路的功能

在机弹载领域，离散量输入信号一般为高压、大电流信号，机弹载计算机无法直接进行采集，需要将离散量输入信号进行降压、隔离、滤波等相关处理后，才能由计算机CPU获取、采集。一般离散量输入信号处理电路实现以下功能：

(1)隔离及雷电防护功能，离散量输入信号不能对后端采集计算机造成电气损坏。

(2)电平转换功能，将高压、大电流的离散量输入信号转换为可被后端计算机识别的标准 TTL或 CMOS信号。

(3)滤波，消抖功能。经过处理，离散量输入信号转化为稳定的状态信号，才可保证后端计算机采集的准确性。

(4)与计算机主机接口的对接功能。处理转换后，离散量输入信号应与计算机总线灵活对接，方便处理器的采集。

(5)BIT测试能力。离散量输入信号处理电路需要具有自测试能力，保证CPU对接口处理电路状态的可控性和可信性。

2 离散量输入信号处理电路的基本原理

用于机弹载领域的离散量输入主要分为 28 V/开、地/开以及15 V/地等，前两种在机弹载设备上是主流离散量输入类型，后一种只用在飞控等对可靠性和电压稳定度要求很高的设备上。本文主要对前两种离散量处理的接口电路进行介绍，15 V/地离散量输入的处理方法和前两种在原理上相同。

离散量输入接口电路不论是分立器件搭建的电路还是集成电路的单芯片电路，其电路的基本原理和组成相同，主要包括雷电防护电路、分压滤波电路、转换隔离电路、总线驱动电路、译码逻辑电路以及激励产生电路等，其框架原理图见图1。

图1 离散量输入信号处理电路功能组成原理图

3 当前离散量输入信号处理电路的设计与实现方式

目前，主流的离散量输入接口电路的处理方法仍是基于分立元器件搭建电路，分为隔离型和非隔离型两种。前者是通过光耦附加分立器件搭建电路进行处理，实现输入信号与内部处理电路的电气隔离(输入信号和处理电路不“共地”)；而非隔离型则经过了三代发展，从早期的分立器件搭建，到之后的通过比较器和分立器件组合，再到现在的完全单片化集成电路[5]。目前两种电路在机载电子设备中根据不同应用情况仍在使用。

3.1 隔离型离散量输入接口处理

隔离型离散量输入接口电路见图2，通过分立器件电阻电容等形成分压限流电路拓扑，配合光耦以及缓冲驱动电路实现离散量两种状态到TTL信号的转换。这种接口电路的优点是可以实现离散量信号与内部电路的电气隔离[2]；缺点是没有集成芯片可用，都是通过光耦和分立电阻电容等器件搭建电路，体积、重量和成本较高，另外光耦导通时的电流范围很大，参数受温度影响很大，加之外部电源一般使用机上 28 V，导致电路参数设计时比较困难；针对28 V/开、28 V/地、地/开三种离散量类型必须设计不同的电路拓扑和参数分别调试，工作量比较大。

图2 隔离型离散量输入接口电路

3.2 非隔离型离散量输入接口处理

非隔离型离散量输入接口电路分为分立阻容器件实现的输入接口电路和基于比较器的输入接口电路两种。3.2.1分立器件实现的离散量输入接口处理

基于分立元器件实现的离散量输入接口电路如图3所示。其原理为：通过两个电阻分压，当输入是高(18 V～32 V)时，D1输入端电压大于2.0 V，当输入为低(-0.5 V～1 V)时，D1输入端电压小于 0.4 V，通过D1转换输出高低的TTL电平，R3输出端直接连接计算机内部数据总线。C1与R1、R2构成低通滤波。正常工作时，R2下端接地，当进行BIT测试时，通过开关控制接-15 V。这种电路的优点是设计简单，价格便宜。缺点是所用电阻电容等分立器件较多，特别是路数较多时，器件占用的印制板面积、体积很大，电路可靠性低；更改阈值时要通过更换分压电阻进行，比较繁琐；输出的数据都是并行总线，方式单一；不同类型的信号要设计不同的电路拓扑和参数；做BIT时是同时加载激励源，容易出现相互干扰。

图3 分立元器件实现离散量输入接口电路

3.2.2 基于比较器实现的离散量输入接口处理

基于比较器的离散量输入接口电路如图4所示。其原理为：输入信号通过R1、R2两个电阻分压后加在比较器的同相端，固定参考电压 Vref通过R3、R4两个电阻分压设置阈值，该阈值电压加在比较器的反相端，比较器通过比较两个输入端的电压输出高低电平的TTL信号，输出信号直接接计算机内部数据总线，离散量输入信号端的电容与电阻构成低通滤波，这种电路形式比单纯的电阻分压模式要复杂一些，但优点是阈值可以精确设置，同一种类型的所有电路用一个阈值，因此调整阈值时，只需要调整阈值设置的两个电阻即可[4]。同样的，当路数较多时，需要的元器件也比较多，占用板面积、体积、重量都较大。

图4 基于比较器的离散量输入接口电路

3.3 集成电路实现离散量的输入接口处理

目前，最新的离散量接口电路处理方式是单片式集成电路，国外的DDC公司、DEI公司和 Holt公司都有相应的系列产品供用户选择。DDC公司最先基于比较器原理研制了32路(型号DD-03201)和96路(型号DD-03296)单片离散量处理芯片，广泛应用于机载设备的离散量接口处理领域[3]。由于许多场合并不需要 32路或 96路这么多的离散量接口电路，之后，DEI公司和Holt公司研制了6路和8路的单片离散量处理芯片，原理基本相同，但是功能逐步完善，性能逐步提高，特别是近年来接口设计要求的雷电防护功能也集成在了芯片内，可以大大节省资源，这种芯片内置的雷电防护等级可以达到DO-160G中规定的三级水平。由于芯片仅仅集成了 6或8路，路数较少，芯片封装较小，使用起来更加灵活方便，费用也比较低廉。

4 基于HKA03201芯片的离散量输入接口电路

近年来，随着集成电路设计技术的发展及自主知识产权的需求，国内的元器件研制单位也竞相研制此类复杂的接口电路，其中西安翔腾公司以国内机载电子设备中离散量输入通用处理方式作为需求已经成功研制了基于比较器原理的32路（HKA03201）和8路（HKA1217）离散量接口芯片。两者在原理和功能上基本相同，这里以HKA03201为例介绍该类芯片。

传统的离散量输入处理方式是根据不同离散量的电气特性设计专用处理电路，这种处理方式专一固定，对于多路同类型离散量输入处理时显得笨重，且大量占用板面积。不利于机载电子设备的高度集成化及小型化需求，HKA03201以其高度集成化及小型化可以解决分立元器件搭建电路带来的集成化和小型化问题。

HKA03201芯片作为自主知识产权的国产芯片避免了国外同类型芯片的断档、禁运风险，保障了国产机载电子设备的正常生产。

HKA03201是一款将离散量信号转换为 TTL电平的数字接口集成电路。电路集成32路离散量处理通道，且每一通道均支持28 V/开、28 V/地、地/开三种离散量输入形式。电路包含自检测、数据抖动延时屏蔽、冗余和错误校验，隔离等功能，提高了数据可靠性，同时由于小型化，在功耗、成本和面积重量上具有一定优势[1]。HKA03201芯片功能框图如图5所示。

图5 HKA03201内部结构框图

HKA03201芯片具有以下特点：

(1)2路离散量输入比较单元，可完成分压后的离散量信号与外部基准比较。

(2)双时钟冗余为两路内部振荡器，优先选用主OSC，在主时钟出错的情况下自动切换至从OSC。

(3)自检测部分在电路上电时会自动执行，并将检测结果存储至自检结果寄存器中，自检测也可以在工作状态由控制器以指令形式发出。自检测有0′s/1′s mode和1′s/0′s mode两种形式。

(4)离散量输入抖动屏蔽用于屏蔽离散量信号输入的抖动。采用延时采样输入信号的方式，屏蔽高频抖动，同时可配置的抖动时间，可以满足不同离散量抖动时间的要求。

另外，HKA03201还具有一些特色功能，主要包括：

(1)支持28 V/开、28 V/地、地/开三种离散量输入形式，通过软件配置实现同一管脚对三种离散量接口的支持；

(2)提供串行接口和异步并行接口，实现与主机接口的灵活对接；

(3)可配置为条件中断模式，减少对主机工作的打断，大大降低主机负担，使主机专注于应用任务；

(4)宽温度工作范围-55℃～125℃，能够在恶劣条件下使用；

(5)输入16位时可配置为双倍冗余模式，可以很容易的用于双余度计算机场合；

(6)可配置防抖动时间，这是该款芯片不同于国外同类芯片的最大特色，当离散量输入信号由继电器提供时，继电器的触点抖动会导致信号不稳，HKA03201能根据不同的继电器触点抖动的最大稳定时间自动将抖动屏蔽掉，芯片输出的信号是稳定后的信号，这个功能是国外芯片没有的；

(7)可配置外部参考电平；

(8)离散量输入端口最大耐压50 V，完全符合GJB181A飞机供电特性的标准规定，接口电路不需要再做过压防护处理；

(9)离散量输入端口瞬态间接雷电防护水平为3级，对于3级以下的雷电不需要做雷电防护处理。

基于HKA03201芯片的离散量输入处理电路工作原理为：被采集的离散量信号通过RC滤波后，经过分压限幅送入 HKA03201芯片处理后，通过局部总线或者SPI串行总线将采集信息发送到处理器模块。离散量输入处理芯片HKA03201原理实现框图如图6所示。

图6 基于HKA03201芯片的处理电路框图

对于地/开信号，可以设置 Vref=0.3 V，Vref_danger=0 V，自检阈值电压 Vref_HI=0.4 V，Vref_LO=0.2 V，其中 Vref、Vref_HI、Vref_LI是通过输入电压分压得到；同理对于28 V/开、28 V/地来说， 可设置 Vref=1.4 V，Vref_danger=0 V， 自检阈值电压Vref_HI=1.5 V，Vref_LI=1.3 V。

离散量芯片采集完成后，CPU可通过局部总线或串行SPI总线采用寻址方式读取离散量信息，采用局部总线读取时，芯片支持最高6位的地址空间，每个地址对应16位离散量，采用串行SPI总线时最大速率支持10 M。

基于HKA03201芯片实现的离散量输入处理电路支持上电自测试与工作中测试两种测试，上电自测试在加电后自动进行，并存储测试接口到内部寄存器中，主机可通过错误信息寄存器中的自检出错位进行判断。工作中维护检测在工作状态下由CPU以指令信息发出，有0/1自检测和1/0自检测两种，以输入端口基准电压上下100 mV作为自检阈值，+100 mV定义为HI电平，-100 mV定义为LI电平，自检过程中不允许访问内部寄存器，只能访问外部寄存器。

5 系统应用

某型号飞机机载计算机的通用I/O模块基板上要求外部输入轮载、阀门等供给9路地/开离散量及用于状态指示的16路 28 V/地离散量及 8路28 V/开开关指示离散量，离散量输入经过前端处理后，直接挂接在CPU的并行局部总线上，CPU通过局部总线访问外部接口数据，根据读取的外部离散量信号状态判断执行相应的操作。

首先根据实际应用情况分析，外部输入有3种类型离散量状态：地/开、28 V/开、28 V/地共计33路的离散量，采用传统分离元器件搭建电路，共需3种共计29套离散量处理电路，板面积占用量非常大，无法在一个基板上实现，经分析评估后采用2片HKA03201实现离散量电路处理可以解决布板面积不够的问题。

HKA03201芯片上具有2个参考电压，即DIN[0:15]具有同一参考电压，DIN[16:31]具有同一参考电压，根据此情况系统外部输入的 3种离散量划分为：28 V/开和28 V/地使用1片HKA03201，地/开使用另一片HKA03201，具体设计框图如图7所示。

图7 离散量处理系统框图

设计中，对于28 V/开、28 V/地离散量处理，VREFA= VREFB=1.4 V；VREFA_charge=VREFB_charge=0，供电电源可通过DA芯片由CPU进行灵活配置；同理，处理地/开离散量时，VREFA=0.3 V，VREFA_charge=0。

通过对以上国产HKA03201芯片的应用，对比传统离散量处理电路，可归纳出机载航电系统使用集成电路处理离散量信号的优点，主要有以下几方面：

(1)统一了接口规范，简化了电路设计，提高了系统的抗干扰能力，完善了系统的保护。

(2)完善、可靠和智能化的BIT功能为实现系统的PHM提供了物理基础和实现手段。

(3)减少了元器件的种类和数量，大幅度减轻系统的重量、体积和功耗，大大提高了系统的可靠性。

(4)降低离散量处理在计算机中所占用的软硬件资源的比例，使计算机回归计算控制的“本职”。

(5)提高了整个系统的技术水平，实现了离散量信号处理技术的跨代发展，达到了国际先进水平。

6 结束语

从离散量输入接口电路的发展轨迹来看，其经历了分立器件搭建、分立器件与比较器组合以及单片集成电路三个阶段的发展。各阶段优缺点见表1。以单片集成电路为代表的离散量输入接口电路必将成为未来发展的方向，其特点是硬件功能软件化，电路设计集成化，通过应用集成电路，可提高设计人员电路设计的效率和能力。

Aviation discrete input mechanism and design realization

Hui Xiaoqiang1，2，Li Chang3，Deng Gaungzhen3
(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)

With the development of microelectronics technology,as an important part of modern electronics control systems,discrete input interface processing circuit from the traditional discrete components to build a more complex circuit is gradually developing towards the direction of a simple and reliable integrated circuits.This paper begins with the basic functions of discrete input circuit are introduced,then the course of development of discrete input interface processing circuit implementation and the advantages and disadvantages of various processing circuit were analyzed and compared,and finally to the domestic HKA03201 chip, for example summarized the airborne avionics systems using integrated circuit processing discrete signal of superiority.

discrete input；signal processing；HKA03201

V243.1

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.03.002

惠晓强，李昶，邓广真.航空离散量输入处理机理及设计实现[J].电子技术应用，2016，42(3)：5-8，12.

英文引用格式：Hui Xiaoqiang，Li Chang，Deng Gaungzhen.Aviation discrete input mechanism and design realization[J].Application of Electronic Technique，2016，42(3)：5-8，12.

中国航空工业集团公司创新基金(2010BD63111)