一种通用型离散量输入接口电路设计

高 震，张祎彤，吕 俊

(中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所,陕西 西安 710065)

0 引言

飞机驾驶舱是飞机的重要组成部分之一，顶控板控制单元作为飞机驾驶舱指示系统的核心控制装备，关系到飞机的飞行安全，其主要用途包括控制驱动顶控板指示灯，采集顶控板开关状态等。为实现对顶控板及其他指示系统各种数据的集中处理，需要设计独立的输入输出接口模块。顶控板控制单元输入输出接口模块以FPGA为接口控制芯片，集成了模拟量输入、离散量输入输出及总线通信等功能。其中地/开离散量及28 V/开离散量信号数量较多，使用传统的离散量输入电路通用性较差，且电路冗余复杂，可靠性低，不利于电路的维护和扩展处理。针对此类问题，本文应用一种集成度较高的离散量输入芯片，设计了一种通用型离散量输入接口电路，实现了对多个地/开离散量及28 V/开离散量信号的数据处理，极大简化了离散量输入电路的复杂度，优化了电路设计，并提升了电路的通用性及可靠性。

1 离散量信号输入功能

离散量信号有着极低的输入带宽，存在“接通”和“断开”两种状态，是分散的、不连续的信号[1]。现代飞机驾驶舱指示系统中普遍存在离散量信号，根据电压幅度的不同，可分为28 V、15 V、10 V等多种形式。常见的离散量信号有地/开、28 V/开、28 V/地等等，这些信号通常用于采集顶控板各类开关及指示灯的当前状态。为满足机载机电产品的功能性能要求，需要将不同的离散量信号转化为TTL电平输出，当信号数量较多时，转换通路也随之增多，这样不仅增加了电路功耗，成本、重量也有所上升，通用性和可靠性降低[2]。本文设计了一种离散量信号输入接口电路，将多通道离散量输入信号集中处理，大大简化了电路设计复杂程度，此电路基于HKA03201离散量转换芯片实现，功能框图如图1所示。

图1 离散量采集功能框图

HKA03201芯片可提供多达32路离散量信号的转换功能处理，支持28 V/地、28 V/开、地/开三种离散量输入方式，转换阈值可配置，高阈值和低阈值之间保持原状态，可选SPI或16位并行总线接口，内置闪电防护功能，并提供自检测功能，主机发起自检过程中，离散量数据处理功能暂停，数据仍被保留在数据寄存器中，自检开始后，自检流程无法中断，每次自检时间最长需6 ms[3]。

2 离散量输入电路设计

实现离散量的采集，首先需要通过主控制器配置离散量芯片信息，并对输入接口的外围电路进行设计，以满足产品使用技术要求。

2.1 地/开、28 V/开离散量输入电路

一片离散量芯片可处理32路离散量信号，本设计应用2片离散量芯片，每片芯片分为A、B两组通道，每组通道处理16路离散量信号输入，分别用于地/开、28 V/开离散量信号的采集与地/开、28 V/开输出信号的回采。

考虑端口电流及产品应用环境，地/开离散量信号输入端串联20 k电阻上拉到内部28 V电源，信号输入前端串联2 k电阻作分压处理，同时下拉1 μF电容接模拟地构成一阶低通滤波器滤除高频噪声。地/开离散量输入电路如图2所示。

图2 地/开离散量输入电路

28 V/开离散量信号输入端串联20 k电阻下拉到内部模拟地，信号输入前端串联2 k电阻作分压处理，同时下拉1 μF电容接模拟地构成一阶低通滤波器滤除高频噪声。28 V/开离散量输入电路如图3所示。

图3 28V/开离散量输入电路

地/开、28 V/开离散量信号经过前段输入电路后得到分压后的离散量电压，将每一路通道电压与离散量芯片内部基准电压VREF进行比较，当离散量电压小于基准电压VERF时，判定为低电平，当离散量电压大于基准电压VERF时，判定为高电平。

2.2 主机接口控制

离散量芯片通道默认工作在自扫描模式下，采集到离散量信号后，经过比较单元判断高低电平，配置抖动屏蔽功能稳定输入信号，并将结果存入数据寄存器输出至主控制器。本设计应用FPGA作为主控制器，与离散量芯片之间的通讯使用SPI串行接口，依据FPGA主控逻辑自动实现离散量采集，同时解析SPI接口数据，并将采集结果存入指定地址的寄存器中供系统访问读取。主机接口控制图如图4所示。

图4 主机接口控制图

离散量芯片支持SPI接口和异步并行接口两种主机通讯方式，将离散量芯片interface_sel信号置为1来选择SPI接口通讯方式，通过CS片选信号选择切换不同的离散量芯片，当CS片选信号为0时，芯片被选中，SPI接口正常通信。依据SPI通信协议实现串行数据和并行数据的移位转换。SPI总线速率1 MHz，具体时序及访问方法见HKA03201的技术手册。按照产品技术要求，FPGA在每25 ms周期内进行一次离散量信号的采集和离散量芯片的周期BIT。在每个25 ms的采集周期内，应先进行离散量芯片的周期BIT操作，再进行离散量信号的采集。

2.3 BIT设计

为提高离散量输入电路的工作可靠性，利用HKA03201离散量芯片的自检测功能进行周期BIT设计，在系统运行过程中周期性地以某一频率进行故障检测，自检操作由主机发起。离散量芯片默认进行0/1 mode自检模式，自检流程如图5所示。

图5 离散量芯片自检流程

BIT使能后，离散量芯片开始自检，ready引脚输出0，芯片所有离散量输入端口终止功能，芯片不进行任何数据处理，同时将自检结果存储到自检结果寄存器，自检完成后，ready引脚将再次输出1，离散量数据正常处理。当32路离散量通道其中一路出现自检错误时，Fault端口信号置低，通过查询错误状态寄存器STATUS REGISTER的BIT_FAULT位，可得到通道自检结果。当自检结果D0位为1时，表示芯片自检错误，即BIT故障。

3 总结

针对驾驶舱指示系统大量的离散量采集需求，本文研究了一种通用型离散量输入接口电路设计方法。基于集成度高的离散量芯片设计了离散量输入接口电路及BIT功能，实现了对多路离散量信号的采集及接口自检测处理，该方法通用性强，已成功应用在多个实际项目中。通过系统级环境试验验证，电路工作稳定，具有较高的可靠性。