一种机载航空服务器的离散控制输入输出信号的设计方法

马先明

（1. 深圳研祥智能科技股份有限公司，广东 深圳 518057；2.国家特种计算机工程技术研究中心，广东 深圳，518057）

一种机载航空服务器的离散控制输入输出信号的设计方法

马先明1，2

（1. 深圳研祥智能科技股份有限公司，广东 深圳 518057；2.国家特种计算机工程技术研究中心，广东 深圳，518057）

本文针对航空服务器对离散输入输出信号需要严格的时序控制的特点，提出一种离散输入输出信号的设计方法。该方法通过对I2C总线、控制芯片、IO芯片、触发器、电压隔离等器件的控制来实现离散输入输出信号的设计，满足航空服务器场合的应用。

离散输入输出信号；控制芯片；IO芯片

0 引言

机载航空服务器一般向乘客提供咨询、娱乐、新闻等服务，该服务器的离散控制输入输出信号负责处理航空电子设备的控制信号，其离散控制输入信号负责采集航空电子设备的状态信息或接收航空电子设备的控制信息，比如温度、湿度、气压等信息；离散控制输出信号负责向航空电子设备发送控制信息或返回航空服务器的状态信息。

航空电子设备的工作电平往往与普通工业设备的工作电平不同，不能将普通工业设备的离散控制输入输出信号直接与航空电子设备的信号连接，否则会严重损坏航空电子设备。

普通工业设备的离散控制输入输出信号只是简单的信号输入和信号输出，根本不涉及离散控制输入输出信号的时序控制和使能，无法满足航空服务器的现场应用需求。但是机载航空服务器因其使用环境的特殊性，离散控制输入输出信号的产生需要严格的时序控制信号和使能信号的配合，防止IO芯片的电平扰动得不到有效控制从而对航空电子设备产生误触发和误操作。

因此有必要提出一种满足机载航空服务器环境应用的离散控制输入输出信号设计方法。

1 设计思想

本设计采用Intel Sandy Bridge[1]处理器搭配南桥HM65来实现。图1所示为本设计的系统方框图。

图1 系统方框图Fig. 1 System block diagram

从系统方框图中可以看出，本设计主要通过南桥的I2C（串行总线）接口来做通讯端口，所选的外围设备也都是采用I2C总线通讯的元器件。I2C总线用于CPU与外设直接进行通信，只有两条线：数据线SDA和控制线SCL，该总线用于CPU与外设直接进行通信，具有简单性，有效性，其优点是可以连接多个设备，但同一时刻只有一个设备成为主设备与CPU通信。

南桥HM65通过自带的I2C[2]模块经I2C总线协议分别与控制芯片A、IO芯片A、控制芯片B和IO芯片B连接，其中控制芯片A和控制芯片B采用FPGA或单片机（MCU）来实现，用来产生控制信号，IO芯片A和IO芯片B采用PCA9555芯片来实现，用来传送输入输出端口上的数据。

南桥HM65通过I2C总线控制和配置连接到该总线上的I2C设备，南桥HM65的I2C控制器中需要配置的寄存器包含状态寄存器STS、控制寄存器CNT、命令寄存器CMD、地址寄存器SLVA和数据寄存器D0。

IO控制芯片A和IO控制芯片B PCA9555[3]接收来自南桥HM65的I2C控制器的控制命令，该芯片共有两个端口port 0和port 1，每个端口包含8路输入输出。命令字0和1表示访问port 0和port 1的输入寄存器；命令字2和3表示访问port 0和port 1的输出寄存器；命令字4和5表示访问port 0和port 1的极性寄存器；命令字6和7表示访问port 0和port 1的配置寄存器，将配置寄存器设置成1表示将对应管脚设置成输入模式，将配置寄存器设置成0表示将对应管脚设置成输出模式。命令字功能如表1所示。

表1 命令字功能Tab.1 Command functions

南桥HM65通过I2C总线向IO控制芯片A和IO控制芯片B PCA9555发送相应的命令字来实现对相应端口的控制[4]，从而实现离散控制信号的输入和输出。对IO控制芯片B PCA9555的操作需要遵循先设置配置寄存器，再设置极性寄存器，最后设置输入或输出寄存器的原则，否则将产生设置失败的错误。

2 离散输入信号控制

航空电子设备的输出信号作为机载航空服务器的离散控制输入信号，通过这些离散控制输入信号，机载航空服务器可以获得航空电子设备的状态信息或接收来自航空电子设备的控制信息。

航空电子设备的输出信号也即离散控制输入信号一般是高电压工作范围，高电压的离散控制输入信号经过光耦器件后将光耦器件的输出信号作为透明D型触发器的输入信号。光耦器件不仅起到了隔离的作用，同时还将高电压工作范围过渡到低电压工作范围，对机载航空服务器和航空电子设均有保护作用，防止电子设备的击穿损坏。

本设计中IO芯片A PCA9555设置成输入模式，其接收来自透明D型触发器的输出端Q0、Q1、...、Q15的输出信号，而透明D型触发器将其输入端信号D0、D1、...、D15正确锁存并传输到输出端Q0、Q1、...、Q15的过程需要在其/OE和/LE信号有效时才触发，而控制芯片A（FPGA/MCU）[5，6]就是满足对透明D型触发器/OE和/LE信号的时序控制。

通过HM65 I2C控制器将IO芯片A PCA9555设置成输入模式，同时控制芯片A模拟成一个I2C设备，同样接收来自南桥HM65 I2C控制器的命令和控制。因为透明D型触发器的/OE信号和/LE信号是低电平有效，所以当控制芯片A输出一个有效的低电平信号时，透明D型触发器的输出端Q0、Q1、...、Q15的信号将被IO芯片A PCA9555锁定采集并输出，南桥HM65的I2C控制器通过访问IO芯片A PCA9555的输入端口port 0和port 1就可以获得当前航空电子设备的离散输入信号。离散输入信号处理流程图如图2所示。

能否正常获取离散输入信号是由IO芯片A和控制芯片A共同决定的，防止输入信号的异常抖动对前端电路产生影响。

图2 离散输入信号处理流程图Fig. 2 Diagram of the software process about discrete input signal

3 离散输出信号控制

机载航空服务器需要向航空电子设备发送离散输出信号时，通过南桥HM65的I2C控制器将IO芯片B PCA9555设置成输出模式，同时控制芯片B模拟成一个I2C设备，同样接收来自南桥HM65 I2C控制器的命令和控制。

边沿触发D型触发器的/OE信号为低电平有效，而CLK信号为边沿触发上升沿有效。通过南桥HM65的I2C控制器将控制芯片B输出连接边沿触发D型触发器的/OE信号一直处于低电平，即边沿触发D型触发器的/OE信号一直处于有效状态。接着，通过南桥HM65的I2C控制器将IO芯片B PCA9555的输出端管脚设置成所需的高低电平控制信号，同时控制芯片B输出一个边沿上升沿信号给到边沿触发D型触发器的/ CLK，使边沿触发D型触发器的输入端D0、D1、...、D15信号输出到输出端Q0、Q1、...、Q15，然后经过达林顿管提高驱动能力后输出给航空电子设备。离散输出信号处理流程图如图3所示。

离散输出信号能否正常输出是由IO芯片B和控制芯片B共同决定的，对离散输出信号的有效控制避免输出不可控的信号。

图3 离散输出信号处理流程图Fig. 3 Diagram of the software process about discrete output signal

3 结束语

本设计提出的离散控制输入输出信号设计方法对所接收的输入信号和对外的输出信号都进行了严格时序控制，摒弃了以往简单的只是对输入端口和输出端口高低电平的控制，能有效防止误操作，满足航空服务器对离散控制输入输出信号的需求。

[1] 因特尔. 因特尔6系和C200系芯片组. 数据手册，2011.

Intel. Intel 6 Series Chipset and Intel C200 Series Chipset. Product data sheet，2011.

[2]] Frank van Gilluwe. PC技术内幕[M]. 北京：北京电力出版社，2001：212-222. Frank van Gilluwe. PC Technology[M]. Beijing：Beijing Electric Power Press，2001：212-222.

[3]] 飞利浦半导体. 16位I2C接口芯片PCA9555和带中断功能的SMBus输入输出端口. 产品数据手册. 2004.

Philips Semiconductors. PCA9555 16-bit I2C and SMBus I/O port with interrupt. Product data sheet，2004.

[4]] 孙琼. 嵌入式Linux应用程序开发详解[M]. 北京：人民邮电出版社，2007：166-207.

SUN Qiong. Embedded Linux Application Development [M]. Beijing：People’s Posts and Telecommunications Press，2007：166-207.

[5]] 马潮. AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践. 北京：北京航空航天大学出版社，2007：153-169.

MA Chao. AVR Microcomputer Principle and Applications. Beijing：Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2007：153-169.

[6]] 夏宇闻. Verilog数字系统设计教程. 北京：北京航空航天大学出版社，2003：177-201.

XIA Yu-wen. Verilog Digital System Design. Beijing：Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2003：177-201.

Design of Discrete Input and Output Control Signal about the Aviation Server

MA Xian-ming1,2
(1. EVOC Intelligent Technology Co., Ltd, Guangdong Shenzhen 518057, China; 2.National Special Computer Engineering Technology Research Center, Shenzhen, Guangdong 518057, China)

This paper presents a method for designing discrete input and output control signal about the aviation server because of strict control characteristics. According to control the I2C bus, control ICs, IO chips, fl ip-fl op and voltage isolation devices to achieve this design. This approach is consistent with the aviation server area.

Discrete input and output control signal; Control IC; IO chip

马先明.一种机载航空服务器的离散控制输入输出信号的设计方法[J]. 新型工业化，2016，6（10）：90-93.

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.10.014

: MA Xian-ming. Design of Discrete Input and Output Control Signal about the Aviation Server[J]. The Journal of New Industrialization, 2016, 6(10)： 90-93.

马先明（1981-），男，硕士研究生，工程师，研究方向：自动化控制