馬先明

（1. 深圳研祥智能科技股份有限公司，廣東 深圳 518057；2.國(guó)家特種計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心，廣東 深圳，518057）

一種機(jī)載航空服務(wù)器的離散控制輸入輸出信號(hào)的設(shè)計(jì)方法

馬先明1，2

（1. 深圳研祥智能科技股份有限公司，廣東 深圳 518057；2.國(guó)家特種計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心，廣東 深圳，518057）

本文針對(duì)航空服務(wù)器對(duì)離散輸入輸出信號(hào)需要嚴(yán)格的時(shí)序控制的特點(diǎn)，提出一種離散輸入輸出信號(hào)的設(shè)計(jì)方法。該方法通過對(duì)I2C總線、控制芯片、IO芯片、觸發(fā)器、電壓隔離等器件的控制來實(shí)現(xiàn)離散輸入輸出信號(hào)的設(shè)計(jì)，滿足航空服務(wù)器場(chǎng)合的應(yīng)用。

離散輸入輸出信號(hào)；控制芯片；IO芯片

0 引言

機(jī)載航空服務(wù)器一般向乘客提供咨詢、娛樂、新聞等服務(wù)，該服務(wù)器的離散控制輸入輸出信號(hào)負(fù)責(zé)處理航空電子設(shè)備的控制信號(hào)，其離散控制輸入信號(hào)負(fù)責(zé)采集航空電子設(shè)備的狀態(tài)信息或接收航空電子設(shè)備的控制信息，比如溫度、濕度、氣壓等信息；離散控制輸出信號(hào)負(fù)責(zé)向航空電子設(shè)備發(fā)送控制信息或返回航空服務(wù)器的狀態(tài)信息。

航空電子設(shè)備的工作電平往往與普通工業(yè)設(shè)備的工作電平不同，不能將普通工業(yè)設(shè)備的離散控制輸入輸出信號(hào)直接與航空電子設(shè)備的信號(hào)連接，否則會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞航空電子設(shè)備。

普通工業(yè)設(shè)備的離散控制輸入輸出信號(hào)只是簡(jiǎn)單的信號(hào)輸入和信號(hào)輸出，根本不涉及離散控制輸入輸出信號(hào)的時(shí)序控制和使能，無法滿足航空服務(wù)器的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求。但是機(jī)載航空服務(wù)器因其使用環(huán)境的特殊性，離散控制輸入輸出信號(hào)的產(chǎn)生需要嚴(yán)格的時(shí)序控制信號(hào)和使能信號(hào)的配合，防止IO芯片的電平擾動(dòng)得不到有效控制從而對(duì)航空電子設(shè)備產(chǎn)生誤觸發(fā)和誤操作。

因此有必要提出一種滿足機(jī)載航空服務(wù)器環(huán)境應(yīng)用的離散控制輸入輸出信號(hào)設(shè)計(jì)方法。

1 設(shè)計(jì)思想

本設(shè)計(jì)采用Intel Sandy Bridge[1]處理器搭配南橋HM65來實(shí)現(xiàn)。圖1所示為本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方框圖。

圖1 系統(tǒng)方框圖Fig. 1 System block diagram

從系統(tǒng)方框圖中可以看出，本設(shè)計(jì)主要通過南橋的I2C（串行總線）接口來做通訊端口，所選的外圍設(shè)備也都是采用I2C總線通訊的元器件。I2C總線用于CPU與外設(shè)直接進(jìn)行通信，只有兩條線：數(shù)據(jù)線SDA和控制線SCL，該總線用于CPU與外設(shè)直接進(jìn)行通信，具有簡(jiǎn)單性，有效性，其優(yōu)點(diǎn)是可以連接多個(gè)設(shè)備，但同一時(shí)刻只有一個(gè)設(shè)備成為主設(shè)備與CPU通信。

南橋HM65通過自帶的I2C[2]模塊經(jīng)I2C總線協(xié)議分別與控制芯片A、IO芯片A、控制芯片B和IO芯片B連接，其中控制芯片A和控制芯片B采用FPGA或單片機(jī)（MCU）來實(shí)現(xiàn)，用來產(chǎn)生控制信號(hào)，IO芯片A和IO芯片B采用PCA9555芯片來實(shí)現(xiàn)，用來傳送輸入輸出端口上的數(shù)據(jù)。

南橋HM65通過I2C總線控制和配置連接到該總線上的I2C設(shè)備，南橋HM65的I2C控制器中需要配置的寄存器包含狀態(tài)寄存器STS、控制寄存器CNT、命令寄存器CMD、地址寄存器SLVA和數(shù)據(jù)寄存器D0。

IO控制芯片A和IO控制芯片B PCA9555[3]接收來自南橋HM65的I2C控制器的控制命令，該芯片共有兩個(gè)端口port 0和port 1，每個(gè)端口包含8路輸入輸出。命令字0和1表示訪問port 0和port 1的輸入寄存器；命令字2和3表示訪問port 0和port 1的輸出寄存器；命令字4和5表示訪問port 0和port 1的極性寄存器；命令字6和7表示訪問port 0和port 1的配置寄存器，將配置寄存器設(shè)置成1表示將對(duì)應(yīng)管腳設(shè)置成輸入模式，將配置寄存器設(shè)置成0表示將對(duì)應(yīng)管腳設(shè)置成輸出模式。命令字功能如表1所示。

表1 命令字功能Tab.1 Command functions

南橋HM65通過I2C總線向IO控制芯片A和IO控制芯片B PCA9555發(fā)送相應(yīng)的命令字來實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)端口的控制[4]，從而實(shí)現(xiàn)離散控制信號(hào)的輸入和輸出。對(duì)IO控制芯片B PCA9555的操作需要遵循先設(shè)置配置寄存器，再設(shè)置極性寄存器，最后設(shè)置輸入或輸出寄存器的原則，否則將產(chǎn)生設(shè)置失敗的錯(cuò)誤。

2 離散輸入信號(hào)控制

航空電子設(shè)備的輸出信號(hào)作為機(jī)載航空服務(wù)器的離散控制輸入信號(hào)，通過這些離散控制輸入信號(hào)，機(jī)載航空服務(wù)器可以獲得航空電子設(shè)備的狀態(tài)信息或接收來自航空電子設(shè)備的控制信息。

航空電子設(shè)備的輸出信號(hào)也即離散控制輸入信號(hào)一般是高電壓工作范圍，高電壓的離散控制輸入信號(hào)經(jīng)過光耦器件后將光耦器件的輸出信號(hào)作為透明D型觸發(fā)器的輸入信號(hào)。光耦器件不僅起到了隔離的作用，同時(shí)還將高電壓工作范圍過渡到低電壓工作范圍，對(duì)機(jī)載航空服務(wù)器和航空電子設(shè)均有保護(hù)作用，防止電子設(shè)備的擊穿損壞。

本設(shè)計(jì)中IO芯片A PCA9555設(shè)置成輸入模式，其接收來自透明D型觸發(fā)器的輸出端Q0、Q1、...、Q15的輸出信號(hào)，而透明D型觸發(fā)器將其輸入端信號(hào)D0、D1、...、D15正確鎖存并傳輸?shù)捷敵龆薗0、Q1、...、Q15的過程需要在其/OE和/LE信號(hào)有效時(shí)才觸發(fā)，而控制芯片A（FPGA/MCU）[5，6]就是滿足對(duì)透明D型觸發(fā)器/OE和/LE信號(hào)的時(shí)序控制。

通過HM65 I2C控制器將IO芯片A PCA9555設(shè)置成輸入模式，同時(shí)控制芯片A模擬成一個(gè)I2C設(shè)備，同樣接收來自南橋HM65 I2C控制器的命令和控制。因?yàn)橥该鱀型觸發(fā)器的/OE信號(hào)和/LE信號(hào)是低電平有效，所以當(dāng)控制芯片A輸出一個(gè)有效的低電平信號(hào)時(shí)，透明D型觸發(fā)器的輸出端Q0、Q1、...、Q15的信號(hào)將被IO芯片A PCA9555鎖定采集并輸出，南橋HM65的I2C控制器通過訪問IO芯片A PCA9555的輸入端口port 0和port 1就可以獲得當(dāng)前航空電子設(shè)備的離散輸入信號(hào)。離散輸入信號(hào)處理流程圖如圖2所示。

能否正常獲取離散輸入信號(hào)是由IO芯片A和控制芯片A共同決定的，防止輸入信號(hào)的異常抖動(dòng)對(duì)前端電路產(chǎn)生影響。

圖2 離散輸入信號(hào)處理流程圖Fig. 2 Diagram of the software process about discrete input signal

3 離散輸出信號(hào)控制

機(jī)載航空服務(wù)器需要向航空電子設(shè)備發(fā)送離散輸出信號(hào)時(shí)，通過南橋HM65的I2C控制器將IO芯片B PCA9555設(shè)置成輸出模式，同時(shí)控制芯片B模擬成一個(gè)I2C設(shè)備，同樣接收來自南橋HM65 I2C控制器的命令和控制。

邊沿觸發(fā)D型觸發(fā)器的/OE信號(hào)為低電平有效，而CLK信號(hào)為邊沿觸發(fā)上升沿有效。通過南橋HM65的I2C控制器將控制芯片B輸出連接邊沿觸發(fā)D型觸發(fā)器的/OE信號(hào)一直處于低電平，即邊沿觸發(fā)D型觸發(fā)器的/OE信號(hào)一直處于有效狀態(tài)。接著，通過南橋HM65的I2C控制器將IO芯片B PCA9555的輸出端管腳設(shè)置成所需的高低電平控制信號(hào)，同時(shí)控制芯片B輸出一個(gè)邊沿上升沿信號(hào)給到邊沿觸發(fā)D型觸發(fā)器的/ CLK，使邊沿觸發(fā)D型觸發(fā)器的輸入端D0、D1、...、D15信號(hào)輸出到輸出端Q0、Q1、...、Q15，然后經(jīng)過達(dá)林頓管提高驅(qū)動(dòng)能力后輸出給航空電子設(shè)備。離散輸出信號(hào)處理流程圖如圖3所示。

離散輸出信號(hào)能否正常輸出是由IO芯片B和控制芯片B共同決定的，對(duì)離散輸出信號(hào)的有效控制避免輸出不可控的信號(hào)。

圖3 離散輸出信號(hào)處理流程圖Fig. 3 Diagram of the software process about discrete output signal

3 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)提出的離散控制輸入輸出信號(hào)設(shè)計(jì)方法對(duì)所接收的輸入信號(hào)和對(duì)外的輸出信號(hào)都進(jìn)行了嚴(yán)格時(shí)序控制，摒棄了以往簡(jiǎn)單的只是對(duì)輸入端口和輸出端口高低電平的控制，能有效防止誤操作，滿足航空服務(wù)器對(duì)離散控制輸入輸出信號(hào)的需求。

[1] 因特爾. 因特爾6系和C200系芯片組. 數(shù)據(jù)手冊(cè)，2011.

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

[2]] Frank van Gilluwe. PC技術(shù)內(nèi)幕[M]. 北京：北京電力出版社，2001：212-222. Frank van Gilluwe. PC Technology[M]. Beijing：Beijing Electric Power Press，2001：212-222.

[3]] 飛利浦半導(dǎo)體. 16位I2C接口芯片PCA9555和帶中斷功能的SMBus輸入輸出端口. 產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè). 2004.

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

[4]] 孫瓊. 嵌入式Linux應(yīng)用程序開發(fā)詳解[M]. 北京：人民郵電出版社，2007：166-207.

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

[5]] 馬潮. AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐. 北京：北京航空航天大學(xué)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]] 夏宇聞. Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程. 北京：北京航空航天大學(xué)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

馬先明.一種機(jī)載航空服務(wù)器的離散控制輸入輸出信號(hào)的設(shè)計(jì)方法[J]. 新型工業(yè)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.

馬先明（1981-），男，碩士研究生，工程師，研究方向：自動(dòng)化控制