車炯暉，張旭洲

(中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 前言

隨著航空機電系統(tǒng)的發(fā)展及對應(yīng)的電子產(chǎn)品的復(fù)雜度提高，體積、功耗、接口數(shù)量等指標(biāo)對機電管理計算機的要求越來越高。傳統(tǒng)的大規(guī)模的模擬量采集、離散量采集電路已不再適用。

1) 傳統(tǒng)離散量接口電路設(shè)計

機電系統(tǒng)的離散量是分立的，離散的信號，有著極低的輸入帶寬?，F(xiàn)代的機電管理計算機一般具有幾十到上百路離散量采集接口。每個不同類型的接口均需要轉(zhuǎn)變?yōu)門TL等數(shù)字電平。傳統(tǒng)電路使用器件完成該轉(zhuǎn)換功能，占用大量的板面積，同時在重量、體積、成本、功耗上耗費較大[1]。

機電系統(tǒng)常用的離散量信號有地/開、28 V/開、28 V/地等類型，其典型的處理示意圖如圖1所示。

圖1 離散量輸入信號處理

對于系統(tǒng)交聯(lián)復(fù)雜，離散量輸入路數(shù)較多的系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的離散量輸入接口，器件較多，可靠性較差。

2) 傳統(tǒng)模擬量采集接口電路設(shè)計

傳統(tǒng)的航空機電系統(tǒng)具有多種類型的模擬量采集通道：±10 V采集、PT1000采集、±100 mV采集、PT100采集、0～32 V采集、0～20 mA采集等接口[2,3]。其典型的處理電路如圖2所示。

圖2 模擬量輸入信號處理

由于信號類型不同，其對應(yīng)的前端調(diào)理電路和電壓放大倍數(shù)存在較大差異，因此每種電路均存在很大不同，在通道較多的情況下，將占用很大的印制板面積。再算上BIT電路，機電管理計算機很難通過提高其集成性減小其體積和板面積。

1 通用采集接口設(shè)計方案

1.1 硬件設(shè)計方案

基于對傳統(tǒng)電路的結(jié)構(gòu)形式研究，離散量采集通常對輸入信號進行上拉(地/開)或者下拉(28 V/開)處理，后經(jīng)過比較器后轉(zhuǎn)化成數(shù)字電平。

傳統(tǒng)的模擬量采集電路除了放大倍數(shù)不同外，需要進行不同的調(diào)理電路。設(shè)計通用采集電路必須將這些電路結(jié)構(gòu)形式進行相對的統(tǒng)一。根據(jù)對現(xiàn)有飛機機電系統(tǒng)信號特性的考察，現(xiàn)將常見的采集信號結(jié)構(gòu)形式設(shè)計如下：

1) PT1000、PT100等電阻信號需要通過電流源及電阻橋?qū)π盘栠M行調(diào)理為差分信號再經(jīng)過放大后進行采集[4]；

2) ±10 V信號可以直接采集；

3)±100 mV采集信號需要經(jīng)過放大后進行采集；

4) 0～32 V采集信號需要通過分壓電路后進行放大采集，需要注意的是前端調(diào)理電路需要使用阻容分壓網(wǎng)絡(luò)，且需要做相應(yīng)的功率保護；

5) 電容采集信號需要交流電壓源進行激勵，通過放大后進行采集，軟件再根據(jù)采集周期進行解算；

6) 0～20 mA電流采集接口需要經(jīng)過下拉電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號，再放大后進行采集；

7) 地/開輸入信號需要通過上拉后進行采集，需要注意的是前端調(diào)理電路需要使用阻容分壓網(wǎng)絡(luò)，且需要做相應(yīng)的功率保護[5,7]；

8) 28/開輸入信號結(jié)構(gòu)形式與0～32 V采集電路形式相同。

其電路結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 經(jīng)過歸一化的采集電路結(jié)構(gòu)

綜合以上電路結(jié)構(gòu)形式，離散量及模擬量前級的調(diào)理電路結(jié)構(gòu)形式類似，僅需將離散量后級的比較器更換為運算放大器后作為模擬量進行采集，再通過采集值可判斷出離散量信號的輸入狀態(tài)。

基于此本文通過使用開關(guān)陣列實現(xiàn)多種組件的結(jié)合[6]，從而設(shè)計出一種通用采集接口。該采集電路硬件上設(shè)計可分為濾波保護電路陣列、開關(guān)矩陣、調(diào)理電路組件陣列、放大電路陣列、A/D轉(zhuǎn)換電路、FPGA邏輯控制及CPU等，如圖4所示。

1.2 邏輯設(shè)計方案

通用采集接口的邏輯上電后經(jīng)過軟件配置驅(qū)動表后自主運行，不再需要軟件干預(yù)，以減少系統(tǒng)資源的占用。該邏輯共分為四個模塊(組件)，驅(qū)動表、模擬信號處理模塊、通道控制與重構(gòu)配置模塊數(shù)據(jù)表。

1) 驅(qū)動表：存儲信號類型，由軟件上電后根據(jù)機上信息進行配置。為通道控制與重構(gòu)配置模塊提供輸入；

2) 通道控制與重構(gòu)配置模塊：根據(jù)驅(qū)動表中獲得的信號類型，控制開關(guān)矩陣選通相應(yīng)的調(diào)理電路、放大電路；

3) 模擬信號處理模塊：將選通的信號進行A/D采集，并根據(jù)驅(qū)動表中的信號類型進行相應(yīng)的濾波處理；

4) 數(shù)據(jù)表：對數(shù)據(jù)處理模塊采集到的數(shù)據(jù)進行處理，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的物理信號。

圖4 通用采集接口硬件方案設(shè)計

2 結(jié)束語

按照此方案試制的通用采集接口，根據(jù)實測，可滿足現(xiàn)有飛機機電系統(tǒng)信號采集的需要。該方案可大幅度地減少電路類型與電路規(guī)模；可應(yīng)用于機電管理計算機及RDC當(dāng)中，具有較高的推廣價值。