一种提升机载设备离散量采集模块通用化设计

白鹏飞

海军装备部驻北京地区军事代表局驻天津地区第三军事代表室

1 引言

随着国内航空事业发展，军用、民用飞机朝着多电化和全电化的方向发展。机上使用的电子设备也越来越多，机载设备的变更也越来越频繁，对机载设备的通用化需求越来越强烈。

机载设备需要时刻采集飞机的各种模拟量、离散量、通信等信号，经微处理器单元逻辑运算后，输出控制信号至相应动作机构，在动作机构的响应下实现功能。同时，信号上报至驾驶舱相关警示显示设备，供飞行员参照执行飞机控制。各种接口信号中，离散量的信号形式主要为“高/开”及“地/开”2种，依据外部设备的输出情况存在较多的变化，给机载设备的开发带来挑战。

2 通用化研究现状

通用化是指开发并最大限度地重复使用或共同使用具有互换性的通用产品单元的技术活动[1]。通用化需对机载设备从系统层次、设备级产品、零部件3个方面分别作为对象进行开发。李哲[2]提出了通用化的表现形式主要包括开放灵活的体系架构、全面的解决方案、标准化和模块化，以及技术继承。麦绿波[3]对于产品对象的通用化设计方法提出了本征式通用化设计、冗余式通用化设计、变量式通用化设计、扩展式通用化设计、代理式通用化设计、保障式通用化设计、软件通用化设计共7种。

本文在对上述7种通用化设计方法的分析基础上，结合机载外部设备输出情况多变的特点进行研究。变量式通用化设计是将决定适用范围的量设计为可调节、可改变[3]，利用变量式通用化设计的方法，通过对输入信号的路径进行软件配置切换，可实现同一电路形式对外部不同接口信号形式识别的能力。

3 离散量信号识别方式

典型的离散量采集电路由隔离器件和微控制器组成，工作时外部信号输入至隔离器件前端，当外部输入信号满足高28V或者地信号时，达到光耦导通条件，驱动后端三极管电路导通，输出稳定的离散量高信号，经过调理匹配后输入至微控制器，微处理器采集到隔离器件的后端输出后可进行离散量信号的识别。

根据输入信号的不同，离散量型号调理主要分为“高/开”和“地/开”两种形式。对于外部“高/开”信号形式，经隔离器件发光二极管的阳极接入，二极管阴极接地，后端接微控制器进行识别。对于外部“地开”信号形式，经隔离器件发光二极管的阴极接入，二极管阳极接电源，后端接微控制器进行识别。如图1所示。

图1 离散量两种信号硬件调理框图

两种信号形式在硬件电路上的接法截然相反，在外部信号变更的情况下，如没有提前预留对应的接口电路，则整个机载设备的离散量采集模块硬件电路必须进行重新设计。

4 基于变量式通用化设计方法的离散量信号识别方式

4.1 通用化提升思路

离散量信号数量在机载设备上较为庞大，基于上述机载设备外部离散量信号变更情况，要求分别实现2种信号形式采集方式的缺点，为提升设备的通用化，减少外部变更带来的开发周期风险，需要考虑最优解决方案。方案1为针对两种信号形式分别预留固定的接口调理电路，方案2为开发适用于识别两种信号形式的通用化电路，方案3为方案1和方案2的结合。

方案1可以满足外部数量增加时的接口信号采集需求，但存在预留较多时需要增加过多硬件资源的缺陷，同时若同一接口信号变更后，需要重新调节机上插头线缆，工序较多。方案2可以灵活配置以适应外部接口信号变化，但需控制增加硬件电路的规模，同时若外部信号数量增加时，还是需要增加多余的接口，产生硬件变更需求。方案3开发2种信号形式的通用化采集电路，同时预留合理的硬件接口，可以提升机载设备的通用化水平，极大地减少由于外部离散量信号形式、数量变化时带来的变更。

通过对以上3种方案的分析，可得出以下结论：针对机载设备的离散量采集，在设计可识别2种信号形式的通用化离散量采集电路基础上，根据需要在硬件接口上进行合理预留。在满足产品需求变更的同时，可避免硬件资源的浪费，提升通用化效果，降低产品变更风险，提高机载设备开发经济性。

4.2 通用化离散量采集电路

基于上述需求开发的通用化离散量采集电路如图2所示。

图2 通用化离散量采集框图

通用化的离散量采集电路在典型离散量采集电路的基础上，增加了开关切换器件和隔离器件。微控制器单元通过软件设置输出控制信号，经过多路隔离器件配置开关进行相应切换，实现外部不同信号形式与隔离器件二极管的对应连接，使前端电路达到导通条件，驱动隔离器件后端电路输出离散量信号至微控制器。此方法采用变量式通用化设计，当外部输入信号形式发生变化时，仅需在微控制器里对对应接口的软件进行重新配置，无需任何硬件变更，极大地提升了设备的重用使用率，实现快速构型，满足飞机功能需求。

机载产品设计时，基于上述通用化离散量采集模块最小单元，依据产品板卡尺寸和外部接口信号数量以及后续的扩展需求，设置合理数量的离散量采集单元，兼顾预留；若接口数量较多，产品单个板卡尺寸较小时，可以以离散量采集板卡为通用化的最小单元，产品上配置合理数量的离散量采集板卡，形成零部件、板卡级的通用单元。通过在新产品开发过程中推行上述通用化设计，以实现缩短产品研发周期，稳定产品结构，扩大生产批量，促进新技术的应用和生产水平的提高。同时，在产品离散量采集单元故障时，利用通用化的自带互换属性——尺寸互换性和功能互换性，通过替换备用功能模块，实现产品的快速修复，对提升整个装备的保障水平有极大的意义。

5 离散量通用化电路建模与仿真

基于2种典型离散量采样电路和本文所设计的通用化离散量采集电路，在专业电路仿真软件中分别搭建模型进行仿真，具体过程如下。

根据机载设备常用电源及微控制器芯片电压情况，电源1、电源2分别为28V、3.3V直流电压。前级输入和后级输出之间的电气隔离选取线性的光耦器件。

在“高/开”形式的离散量采样电路中，分别对前级输入端设置28V和无输入的开关信号，并对后级进入微控制器的信号进行采样，将输入输出信号放在同一示波器下进行观察，如图3所示。

图3 “高/开”离散量采样电路输入输出信号

结论得出，在分别输入28V和无输入的情况下，后级分别对应输出3.3V和无输出。该信号可以作为微控制器的输入进行信号检测。

在“地/开”形式的离散量采样电路中，分别对前级输入端设置地信号和无输入的开关信号，并对后级进入微控制器的信号进行采样，将输入输出信号放在同一示波器下进行观察，如图4所示。

图4 “地/开”离散量采样电路输入输出信号

结论得出，在分别输入地信号和无输入的情况下，后级分别对应输出3.3V和无输出。该信号可以作为微控制器的输入进行信号检测。

在通用化离散量采样电路中，微控制器芯片检测不到光耦后端输出电压时，输出控制信号，因控制信号输出功率不足以驱动开关进行切换，在电路中引入隔离元器件继电器后，可在控制信号下配置开关状态。对于切换开关，分别以28V端、信号输入端和地信号3个接触器辅助触点与光耦前级的两路进行切换，其中信号输入端包括高（28V）/开/地3种不同状态。当信号输入端为“高/开”信号时，信号输入端与地信号分别接入光耦前级电路，此时电路状态可实现“高/开”离散量信号采集；同理，当输入端信号分为“地/开”信号时，28V端和信号输入端分别接入光耦前级电路，此时电路状态可实现“地/开”离散量信号采集。在分别给定信号输入端“高（28V）/开/地”情况下，将输入信号和输出信号放在同一示波器下进行观察，如图5所示。

图5 通用化离散量采样电路输入输出信号

结论得出，在信号输入端分别输入高（28V）、开和地信号时，光耦后级可在开关切换后实现3.3V输出和无输出，该信号可以作为微控制器的输入进行信号检测。实验证明，该设计兼容了2种典型的离散量采样电路功能，具有很高的通用性。

6 结论

本文介绍了通用化的概念、形式及设计方法，并分析了机载设备离散量采集信号形式的需求，提出了通用化改进方案，经过多方案对比，得出一种适用于2种离散量信号形式的通用化电路，同时增加合理预留，在外部离散量接口形式、数量变化时，通过微控制器的软件配置，便可满足飞机功能需求，然后分别对2种典型离散量采集电路和通用化离散量采集电路进行了仿真，结论得出，本设计提出的通用化改进方案兼容了2种典型的离散量采样电路功能，具有很高的通用性，极大地提升了机载设备的重复使用，对机载设备减少开发周期，降低研制费用意义重大。