0 引言

    隨著航空電子技術的發展，如何提高產品的可靠性，減小系統的重量、體積、功耗等，已成為硬件設計的一種趨勢^[1-2]。國內公司研究設計了一款具有自主知識產權的離散量信號接口芯片，可替代傳統的離散量接口電路設計方案，解決離散量輸入電路使用的器件多、添加激勵測試復雜、占用主機資源較多，尤其在離散量處理路數增加時，硬件電路設計占用板面大、功耗大等問題。基于以上背景，本論文提出了一種基于HKA03201芯片的離散量接口解決方案。

1 傳統離散量接口解決方案

    傳統離散量信號的處理方案主要由FPGA、采樣電路、BIT電路構成。該方案采用光耦或比較器完成離散量信號的轉換，通過無源RC電路進行信號濾波，繼電器注入測試量，采用可編程器件FPGA構建控制和主機接口。32路采樣電路包含光隔8個，比較器8個，電阻電容各96個，閃電防護器件32個，繼電器8個，總元件數大于150個，電路板面積為200 mm×200 mm。

傳統系統方案存在以下缺點：

    (1)由于使用無源濾波電路、高壓保護管以及光隔比較器用于抗浪涌、閃電防護以及轉換接收，器件種類和數量繁多，導致系統方案體積大、重量大、功耗高、可靠性差，且分立器件構成的板級電路使用方法固定、模式單一、靈活性差；

    (2)受分立元件特性限制，離散量信號處理速率、轉換可靠性及延時控制等關鍵性能指標無法滿足高可靠、高性能離散量轉換處理的發展需求；

    (3)由于器件種類多、渠道分散，質量難以有效控制；同時，高性能核心器件不易采購，自主保障困難；

    (4)離散量信號處理時，需要系統軟硬件配合，占用大量的系統資源^[3]。

    基于傳統離散量處理方案的缺點，急需尋找新的離散量解決方案來應對以上問題，以滿足新一代航空電子系統對離散量接口電路設計可靠性、功耗、體積、重量的要求。

2 基于HKA03201芯片的離散量接口模塊設計

    HKA03201-QB-B/L是一款高度集成的離散量信號轉換處理電路，用于各行業中開關離散信號的轉換，電路集成32路離散量處理通道，支持28 V/開、28 V/地和地/開三種離散量輸入形式，提供全面的芯片自檢、靈活錯誤監測和數據校驗等功能。芯片提供條件中斷模式和自掃描方式，支持多片級連方式，并提供AirBus ABD0100H兼容性以及離散量輸入端口1 mA干/濕電流解決方案。

    被采集的離散量信號通過濾波并采取過壓保護后，經過分壓限幅送入離散量芯片HKA03201，通過芯片處理后由局部總線、SPI或串行總線將轉換后的信息發送到主機處理模塊。

2.1 離散量輸入端口配置

    芯片可同時處理32路離散量信號，分為A和B兩組，每組各16路離散量輸入端口。根據用戶實際需求，提供一種類離散量接口解決方案和干/濕電流支持型離散量接口解決方案。28 V/地或28 V/開外圍電路如圖1所示，地/開外圍電路如圖2所示。

    若應用工程對離散量端口沒有干/濕電流接觸要求，對于3種輸入方式，RD可選用50 kΩ電阻。

    如需干/濕電流支持型離散量接口解決方案，按如下步驟完成配置操作：

    (1)明確離散量輸入形式；

    (2)28 V/地或28 V/開的離散量外圍電路參照圖1，地/開模式的外圍電路參照圖2；

    (3)根據端口電流需要，確定RD阻值大小。

    VP為上拉電壓，根據離散量的輸入形式可選15 V～28 V，推薦選擇28 V。設計端口干/濕電流最小值為1 mA，RD阻值具體計算方法示例：

    芯片內阻(圖1中框內168 kΩ和24 kΩ的和)在-55 ℃～125 ℃變化范圍為100 kΩ～300 kΩ。

    28 V/地或28 V/開的模式干/濕電流：28 V/RD≧1 mA；推薦阻值：RD=20 kΩ。

    地/開模式干/濕電流：28 V/RD≧1 mA；推薦阻值：RD=20 kΩ。

2.2 基準配置

    基準是與分壓后離散量電壓的比較參考，芯片提供兩組四類基準輸入端口，分別為設定A組16路離散兩信號閾值的Vref_A、Vref_A_HI、Vref_A_LO、Vref_charge_A和設定B組16路離散兩信號閾值的Vref_B、Vref_B_HI、Vref_B_LO、Vref_charge_B。

    以A組作為示例，在單閾值的情況下，分壓后的離散量電壓大于基準(Vref_A)輸出為高，低于基準(Vref_A)輸出為低，在雙閾值配置的情況下，大于Vref_A為高，低于Vref_charge_A為低，Vref_A_HI與Vref_A_LO僅配合Vref_A完成電路自檢功能。

    對于這款芯片的閾值端口配置，只需明確離散量輸入類型，然后查找芯片手冊列出的參考電壓，使用DAC配置。

2.3 主機接口選擇

    HKA03201-QB-B/L芯片提供兩種主機接口：SPI接口或異步并行接口，可以通過與主機的通信方式進行端口配置，接口的選擇由interface_sel（Pin18）確定，接口的選擇具有互斥性，兩種主機接口不可同時工作。當interface_sel=1，選擇SPI接口，反之為異步并行接口。同時還可以通過配置VDD_IO來決定與主機通信的TTL電平。

    傳統分立器件方案僅可提供32路并口輸出，占用主機端口資源較多。該應用方案中的SPI模式只需三個端口即可完成與主機通信的任務，大大節省了主機的端口資源。

2.4 響應時間配置

    傳統的分立器件方案沒有抖動屏蔽功能，無法保證離散量信號轉化的正確性。

    根據系統對離散量轉換時間的要求，可以選擇芯片的兩種離散量的更新和轉換方式：自動更新和快速DMA響應模式。

    離散量信號為低速開關信號，同時由于前級繼電器等機械裝置切換，會導致離散量信號切換過程中的彈跳抖動，可以根據使用不同型號繼電器所造成的不同抖動時長，通過芯片的bsel<2:0>端口選擇合適抖動屏蔽。

    如果系統需要離散量快速響應，可以通過配置條件中斷寄存器，快速離散量響應DMA模式，離散量信號比較后直接輸出，響應時間小于100 μs。

2.5 主機連接

    離散量芯片采集完成后，CPU可通過局部總線或者SPI串行接口獲取采集的值，如圖3所示。采用局部總線交聯時，CPU通過總線以地址查尋的方式訪問離散量接口芯片，芯片支持6位地址空間，每個地址對應16路離散量。采用SPI接口交聯時，支持最大速率10 Mb/s，完整序列包含指令字(8 bit) 、地址(8 bit) 、數據(16 bit)共32位。SPI讀操作時，SI輸入指令字(8 bit) 和地址(8 bit)；SPI寫操作時，SI輸入指令字(8 bit)、地址(8 bit)、數據(16 bit)共32位。

    也可以多片級聯異步并行或SPI接口操作使用，以SPI接口為例，如圖4所示。

2.6 接口電路測試

    傳統方案中為了保證系統的可靠性，需要BIT電路，但BIT占用大量的資源。在本芯片方案中，芯片內部包含了上電自檢、主機自檢、冗余檢測及其他錯誤檢測功能，可以驗證芯片內部模塊的工作狀態正常與否，自檢可以覆蓋時鐘、比較器和數字邏輯等模塊，因此只需通過通信端口查看相應的錯誤寄存器，實時了解芯片狀態^[4-6]。

    模擬端口配置完成后，芯片上電自動完成自檢，自檢結果存入狀態寄存器，fault引腳根據自檢結果輸出高低電平，同時ready引腳將輸出1，離散量數據處理功能開啟。

    在工作中如需維護測試，可以主機發起自檢，主機向寄存器（地址01010X或10100X）寫入任意字符，發起0/1自或1/0自檢，自檢完成后，ready引腳將再次輸出1，離散量數據處理功能開啟，可查詢錯誤狀態寄存器（地址10011X）得到自檢結果。

    在對離散量數據的確定性有較高要求的場合，可以使用雙冗余的校驗模式，用于校驗雙路離散量通道是否一致。

3 技術特點

    由表1可以看出，與傳統的離散量接口電路相比，基于芯片的離散量接口電路體積大大減小，重量降低為原方案的6‰，外圍器件種類和數量大幅減少，大大提高了可靠性，BIT 測試和抖動屏蔽不需要額外增加電路。

    另外HKA03201芯片還具有片內間接雷防護功能，基于此芯片的離散量接口解決方案可以應對航空應用中的惡劣環境。

4 結論

    本文通過對傳統的分立器件離散量接口解決方案的分析，提出了一種基于芯片的離散量接口解決方案。本文設計的基于芯片的離散量接口解決方案集成了自檢測、冗余、錯誤校驗和錯誤隔離等功能，大大提高了數據可靠性，同時，由于該方案基于芯片，設計靈活簡單，在系統的小型化、功耗、成本、面積和重量上具有巨大優勢。目前該芯片解決方案以其高低溫性能穩定及高可靠性，已成功地應用于多個實際工程項目中，并已經通過各類實驗驗證。實驗結果完全滿足新一代航空電子系統對離散量接口電路設計可靠性，功耗、體積、重量的要求。

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