一种航空机电系统通用采集接口设计方案*

车炯晖，张旭洲

(中航工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710065)

0 前言

随着航空机电系统的发展及对应的电子产品的复杂度提高，体积、功耗、接口数量等指标对机电管理计算机的要求越来越高。传统的大规模的模拟量采集、离散量采集电路已不再适用。

1) 传统离散量接口电路设计

机电系统的离散量是分立的，离散的信号，有着极低的输入带宽。现代的机电管理计算机一般具有几十到上百路离散量采集接口。每个不同类型的接口均需要转变为TTL等数字电平。传统电路使用器件完成该转换功能，占用大量的板面积，同时在重量、体积、成本、功耗上耗费较大[1]。

机电系统常用的离散量信号有地/开、28 V/开、28 V/地等类型，其典型的处理示意图如图1所示。

图1 离散量输入信号处理

对于系统交联复杂，离散量输入路数较多的系统，采用传统的离散量输入接口，器件较多，可靠性较差。

2) 传统模拟量采集接口电路设计

传统的航空机电系统具有多种类型的模拟量采集通道：±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]。其典型的处理电路如图2所示。

图2 模拟量输入信号处理

由于信号类型不同，其对应的前端调理电路和电压放大倍数存在较大差异，因此每种电路均存在很大不同，在通道较多的情况下，将占用很大的印制板面积。再算上BIT电路，机电管理计算机很难通过提高其集成性减小其体积和板面积。

1 通用采集接口设计方案

1.1 硬件设计方案

基于对传统电路的结构形式研究，离散量采集通常对输入信号进行上拉(地/开)或者下拉(28 V/开)处理，后经过比较器后转化成数字电平。

传统的模拟量采集电路除了放大倍数不同外，需要进行不同的调理电路。设计通用采集电路必须将这些电路结构形式进行相对的统一。根据对现有飞机机电系统信号特性的考察，现将常见的采集信号结构形式设计如下：

1) PT1000、PT100等电阻信号需要通过电流源及电阻桥对信号进行调理为差分信号再经过放大后进行采集[4]；

2) ±10 V信号可以直接采集；

3)±100 mV采集信号需要经过放大后进行采集；

4) 0～32 V采集信号需要通过分压电路后进行放大采集，需要注意的是前端调理电路需要使用阻容分压网络，且需要做相应的功率保护；

5) 电容采集信号需要交流电压源进行激励，通过放大后进行采集，软件再根据采集周期进行解算；

6) 0～20 mA电流采集接口需要经过下拉电阻转化为电压信号，再放大后进行采集；

7) 地/开输入信号需要通过上拉后进行采集，需要注意的是前端调理电路需要使用阻容分压网络，且需要做相应的功率保护[5,7]；

8) 28/开输入信号结构形式与0～32 V采集电路形式相同。

其电路结构形式如图3所示。

图3 经过归一化的采集电路结构

综合以上电路结构形式，离散量及模拟量前级的调理电路结构形式类似，仅需将离散量后级的比较器更换为运算放大器后作为模拟量进行采集，再通过采集值可判断出离散量信号的输入状态。

基于此本文通过使用开关阵列实现多种组件的结合[6]，从而设计出一种通用采集接口。该采集电路硬件上设计可分为滤波保护电路阵列、开关矩阵、调理电路组件阵列、放大电路阵列、A/D转换电路、FPGA逻辑控制及CPU等，如图4所示。

1.2 逻辑设计方案

通用采集接口的逻辑上电后经过软件配置驱动表后自主运行，不再需要软件干预，以减少系统资源的占用。该逻辑共分为四个模块(组件)，驱动表、模拟信号处理模块、通道控制与重构配置模块数据表。

1) 驱动表：存储信号类型，由软件上电后根据机上信息进行配置。为通道控制与重构配置模块提供输入；

2) 通道控制与重构配置模块：根据驱动表中获得的信号类型，控制开关矩阵选通相应的调理电路、放大电路；

3) 模拟信号处理模块：将选通的信号进行A/D采集，并根据驱动表中的信号类型进行相应的滤波处理；

4) 数据表：对数据处理模块采集到的数据进行处理，转换成相应的物理信号。

图4 通用采集接口硬件方案设计

2 结束语

按照此方案试制的通用采集接口，根据实测，可满足现有飞机机电系统信号采集的需要。该方案可大幅度地减少电路类型与电路规模；可应用于机电管理计算机及RDC当中，具有较高的推广价值。