范新明 陳亞玲 張宇坤 孫少華 郭建奇

摘要：隨著飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)集成化和綜合化程度越來(lái)越高，降低產(chǎn)品的功耗、體積和重量，同時(shí)提高產(chǎn)品的可靠性，已成為一種主流趨勢(shì)。傳統(tǒng)的離散量輸入接口電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，器件多，占板面積大、測(cè)試復(fù)雜，針對(duì)該問(wèn)題，該文采用國(guó)產(chǎn)自主研制的離散量采集芯片（HKA03201），利用FPGA作為控制器，設(shè)計(jì)了一種高集成度的離散量采集電路。該電路利用FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)HKA03201的采集控制，通過(guò)配置HKA03201的外部電阻，可實(shí)現(xiàn)28V/開(kāi)和地/開(kāi)離散量的采集。相比于傳統(tǒng)電路，該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，配置靈活，體積小，重量輕，功耗低，占板面積小。該電路已應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目中，經(jīng)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，其工作穩(wěn)定，具有較高的可靠性。

關(guān)鍵詞：離散量；采集電路；HKA03201；高集成度；高可靠性

中圖分類(lèi)號(hào)：TH134 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2019）04-0228-02

Abstract： As the airborne electromechanical system integration degree is higher and higher， reducing products power consumption， volume， weight and improving reliability is becoming a main kind of trend. Traditional discrete acquisition circuit is implemented intricately， using many components， taking up large area and testing complexly. In order to solve this problem， this paper designs a high-integration circuit with the domestic discrete magnitude acquisition chip（HKA03201）and the controller（FPGA）. Acquisition control is implemented by FPGA and configuring the proper resistor can Acquire 28V/OPEN， GND/OPEN signal. Compared with the traditional circuit， the circuit has the advantages of simple structure， flexible configuration， small size， light weight， low power consumption and small area. The circuit has been applied in practical engineering project， simulations and examinations reveal it works stably and reliably.

Key words： discrete magnitude； acquisition circuit； HKA03201； high-integration； high- reliability

近年來(lái)，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了航空工業(yè)的快速發(fā)展。特別是飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)已由以往的分立結(jié)構(gòu)變?yōu)榧苫途C合化的架構(gòu)，遠(yuǎn)程接口單元作為機(jī)電系統(tǒng)信號(hào)采集和執(zhí)行單元，完成了以往幾十臺(tái)計(jì)算機(jī)完成的任務(wù)。綜合化的架構(gòu)，對(duì)遠(yuǎn)程接口單元的集成度和可靠性提出了更高的要求。遠(yuǎn)程接口單元在機(jī)上工作時(shí)，需要采集較多的離散量信號(hào)來(lái)獲取當(dāng)前系統(tǒng)的工作狀態(tài)，同時(shí)需要接收指令執(zhí)行相應(yīng)的離散量輸出。離散量采集電路已成為遠(yuǎn)程接口單元電路系統(tǒng)的重要組成部分。隨著離散量信號(hào)的增多，傳統(tǒng)的離散量采集電路由于采用分立器件，占板面積大，重量大，可靠性低，已經(jīng)不能滿足產(chǎn)品功能性能需求[1]。針對(duì)該問(wèn)題，本文基于國(guó)產(chǎn)自主研制的離散量采集芯片HKA03201，采用FPGA作為控制器，設(shè)計(jì)了一種高集成度的離散量采集電路，實(shí)現(xiàn)了84路地/開(kāi)、12路28V/開(kāi)、48路28V/開(kāi)輸出回采以及12路地/開(kāi)輸出回采。跟傳統(tǒng)電路相比，無(wú)論是占板面積、重量、功耗以及可靠性方面，都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

1 HKA03201

離散量是分立的、離散的信號(hào)，有著極低的輸入帶寬（DC-200Hz），常見(jiàn)的離散量形式有28V/地 、28V/開(kāi)和地/開(kāi)。通常情況下，機(jī)電系統(tǒng)需要幾十到幾百不等的離散量轉(zhuǎn)換電路，而每個(gè)通路均需要使用電路處理將28V航空電源電平轉(zhuǎn)換為T(mén)TL電平，使用外置器件完成該功能。在轉(zhuǎn)換通路較多時(shí)，占用大量的板面積，同時(shí)在重量、體積、成本、功耗上耗費(fèi)較大。針對(duì)該問(wèn)題，本文采用離散量集成采集芯片，采用FPGA作為控制器，實(shí)現(xiàn)了多路離散量的采集。HKA03201是一款高度集成的離散量信號(hào)轉(zhuǎn)換處理芯片，用于各行業(yè)中開(kāi)關(guān)離散信號(hào)的轉(zhuǎn)換，電路集成32路離散量處理通道，支持28V/開(kāi)、28V/地和地/開(kāi)三種離散量輸入形式，提供串行接口和異步并行接口，可配置為條件中斷模式或自掃描模式。芯片提供自檢測(cè)功能，可配置自動(dòng)數(shù)據(jù)刷新和抖動(dòng)屏蔽時(shí)間，參考電壓通過(guò)外部電阻配置[2-5]。

2 電路設(shè)計(jì)

針對(duì)某型飛機(jī)84路地/開(kāi)、12路28V/開(kāi)、48路28V/開(kāi)輸出回采以及12路地/開(kāi)輸出回采的需求，采用5片HKA03201和FPGA實(shí)現(xiàn)離散量的采集，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

采用5片HKA03201實(shí)現(xiàn)離散量采集，前3片實(shí)現(xiàn)地/開(kāi)輸入采集和地/開(kāi)輸出回采，后2片實(shí)現(xiàn)28V/開(kāi)輸入采集和28V/開(kāi)輸出回采。離散量采集芯片與FPGA的通訊采用SPI接口，分為兩組，其中第1組SPI與前3片HKA03201進(jìn)行通訊，第2組SPI與后兩片HKA03201進(jìn)行通訊。離散量采集防抖時(shí)間配置為50ms，采用自掃描模式，在上電和周期中分別進(jìn)行離散量BIT，并將BIT結(jié)果上傳至系統(tǒng)。

3 離散量采集控制

離散量采集通過(guò)FPGA進(jìn)行控制，SPI時(shí)序參考芯片手冊(cè)，分時(shí)對(duì)各離散量芯片進(jìn)行采集訪問(wèn)。

根據(jù)系統(tǒng)需求，需要每100ms向系統(tǒng)上傳一次離散量采集結(jié)果和周期BIT結(jié)果。針對(duì)該需求，在設(shè)計(jì)時(shí)，將100ms分為4個(gè)25ms，在每個(gè)25ms內(nèi)讀取一次離散量采集結(jié)果，100ms內(nèi)對(duì)每個(gè)離散量采集芯片進(jìn)行一次周期BIT操作，讀取一次BIT結(jié)果。具體時(shí)間劃分見(jiàn)表1所示。

按照表1所列，在第1個(gè)25ms只進(jìn)行三個(gè)片子離散量的采集，在第2個(gè)25ms，除了進(jìn)行離散量采集，還需要進(jìn)行第1片的BIT操作，在第3個(gè)25ms進(jìn)行第2片的BIT操作，在第4個(gè)25ms進(jìn)行第3片的BIT操作，如此劃分，可以在100ms內(nèi)對(duì)每個(gè)離散量芯片進(jìn)行一次BIT操作。查詢HKA03201手冊(cè)，其BIT時(shí)間需要6ms，上述時(shí)間劃分BIT操作預(yù)留10ms，可以滿足芯片要求。同時(shí)，結(jié)合HKA03201的SPI時(shí)序圖，對(duì)于芯片的訪問(wèn)，5ms的訪問(wèn)時(shí)間，滿足其時(shí)序要求，且有較大裕量。

4 時(shí)序仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，本文采用VHDL語(yǔ)言在ISEDesignSuite14.1的開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行了設(shè)計(jì)輸入與綜合仿真，其仿真結(jié)果如圖2所示。

仿真結(jié)果顯示，SPI接口時(shí)序穩(wěn)定，F(xiàn)PGA能夠讀取到正確的寄存器數(shù)據(jù)，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)抖動(dòng)不穩(wěn)定等現(xiàn)象。

在仿真的基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了整機(jī)和系統(tǒng)級(jí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在產(chǎn)品外部施加激勵(lì)，結(jié)果顯示設(shè)計(jì)的電路能夠跟隨外部激勵(lì)的變化，對(duì)于離散量狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，可以滿足整機(jī)和系統(tǒng)使用需求。經(jīng)過(guò)高低溫和功能振動(dòng)等環(huán)境試驗(yàn)測(cè)試，該離散量采集電路在各種環(huán)境情況下均能穩(wěn)定工作，未出現(xiàn)任何故障現(xiàn)象，可靠性高。

5 總結(jié)

針對(duì)飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)高度集成化的需求，本文采用HKA03201離散量采集芯片和FPGA，設(shè)計(jì)了一種高集成度的離散量采集電路。相比于傳統(tǒng)的離散量采集電路，該電路在降低產(chǎn)品功耗、體積、重量等方面有很多優(yōu)勢(shì)。目前，該電路已經(jīng)成功應(yīng)用在實(shí)際工程項(xiàng)目中，并已經(jīng)過(guò)各種環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證，高低溫性能穩(wěn)定，可靠性高。

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