机载设备离散开关量采集系统设计

2021-01-21李宏伟胡先智

科学技术创新 2021年2期

王力李宏伟胡先智

（西安理工大学，陕西西安710048）

1 背景

随着现代飞机飞行高度、速度、机动性和适应性的不断提高，外界工作条件的变化也越来越复杂。飞机需要适应外界环境条件的急剧变化，这就要求飞机在急剧变化条件下的高适应性。这不仅增加了机载系统的复杂性，而且对机载产品的可靠性也提出了更高要求[1]。

机载产品中的多种设备，比如计算机产品，包括航电计算机、机电管理计算机等，都使用了大量的离散量信号，离散开关量是一种离散的，分立的信号，在飞机中用于设备的轮载信号、各系统开关状态信号（活门、状态阀等），如果离散量信号发送问题，则会大大影响到飞机性能甚至飞行安全。机载设备中离散量信号通常分为三种类型：“地／开”、“电压／地”和“电压／开”，其中电压也分为28V、15V、5V 等多种形式[2]，根据实际应用，地／开离散量采集和28V/开离散量采集选用的最多，为机载设备最常用的两种离散量信号。

本文着重介绍地／开离散量采集系统的设计。

2 系统及硬件设计

在机载设备中，离散量信号从各个子系统而来，汇集到某一个机载设备进行统一采集，并根据不同的系统需求进行不同的缺省状态配置和软件驱动配置。一般的，我们统一各个离散量信号的种类、数量以及指标后，在机载设备中进行归一化设计，尽量采用同样的电路形式，以便后续需求变更及扩展接口时，更容易操作。

离散量信号采集系统可以采用传统阻容网络设计或是采用集成离散量处理芯片设计。

2.1 传统离散量采集电路设计

在对产品体积重量要求不高的条件下，可以将离散量采集电路以传统模式进行设计，传统模式离散量输入接口电路主要由滤波电路、采样电路、电平转换及门限判断电路、数据锁存电路、逻辑控制电路及自测试电路等组成。

滤波电路通过滤波电容滤除输入信号线上叠加的毛刺。采样电路由电阻网络构成，它将接收到的信号转变为一个TTL兼容逻辑电平，同时，也提供一定的过应力保护能力。

数据锁存电路提供一个隔离和增强总线驱动能力，利用芯片具有的施密特特性对信号消颤平滑。

逻辑控制电路对接收地址总线的指令及使能等信号进行译码控制，按照系统要求进行多组及多路离散量信号的采集。

自测试电路按系统要求执行电路采集的自测试功能。

根据CPU 系统总线宽度的不同，每次可直接向CPU 提供多个通道的离散量状态数据，供CPU 处理。

图1 传统离散量采集电路设计

2.2 采用集成离散量采集芯片进行设计

随着机载设备集成度越来越高，对机载设备的尺寸大小也有小型化的要求，因而需要采用集成度更高的离散量采集芯片进行电路设计，外围使用CPU 和FPGA 进行集中调度和管理。

机载系统中多路离散量信号经过滤波电路后连接到多个离散量采集芯片上，实现对多路离散量的采集。离散量采集芯片通过SPI 接口将转换后的逻辑电平发送给FPGA，并可以由FPGA 发送的配置信息将采集芯片配置成地／开离散量或28V/开离散量两种类型。本文涉及的电路配置为地／开采集类型，两种类型的离散量输入信号经过前端调理，直接送入FPGA 的SPI 接口，FPGA 的控制逻辑解析SPI 接口数据，并将解析出来的数据存储在双口RAM 中提供给主CPU 访问。同时FPGA 的控制逻辑通过双口RAM 获取主CPU 要求输出的配置数据信息，FPGA 将这些数据输出到相应的采集芯片进行寄存器配置[2]。采用集成离散量芯片的电路如图2 所示。

图2 采用离散量芯片的电路设计

3 软件设计

对于每个离散量采集信号的软件，分为驱动软件及数据管理软件。当外部激励为“地”和“开”状态，根据后端总线驱动器和离散量芯片对采集电压的判断，采集结果为逻辑“1”，和逻辑“0”。可以按组对离散量信号进行采集，根据总线数据宽度的不同，每一组采集离散量的数量为8 或16,通常根据机载计算机内设计，采集值为16 位一组，一位占用一个数据比特。

驱动软件的功能是从指定地址将地／开信号读入并存入数据缓冲区，需要的软件驱动参数为通道号、最大输入组号及输入信号基地址。其软件流程图如图3 所示。

图3 驱动软件流程图

当驱动软件将离散量读出后，需要对读出的数据进行数字滤波处理，这样可以大大提高采集的可靠性，减少数字接口经常出现“虚警”问题。然后对数据进行数据表写入和读出管理，具体做法是建立多重数组，将信号按照类型存入指定位置，上层应用软件在使用数据时可以不直接调用驱动软件，这样可大大方便用户使用和后期维护，减少应用软件使用上带来的二次问题。