機載設備離散開關量采集系統設計

王 力 李宏偉 胡先智

（西安理工大學，陜西 西安710048）

1 背景

隨著現代飛機飛行高度、速度、機動性和適應性的不斷提高，外界工作條件的變化也越來越復雜。飛機需要適應外界環境條件的急劇變化，這就要求飛機在急劇變化條件下的高適應性。這不僅增加了機載系統的復雜性，而且對機載產品的可靠性也提出了更高要求[1]。

機載產品中的多種設備，比如計算機產品，包括航電計算機、機電管理計算機等，都使用了大量的離散量信號，離散開關量是一種離散的，分立的信號，在飛機中用于設備的輪載信號、各系統開關狀態信號（活門、狀態閥等），如果離散量信號發送問題，則會大大影響到飛機性能甚至飛行安全。機載設備中離散量信號通常分為三種類型：“地／開”、“電壓／地”和“電壓／開”，其中電壓也分為28V、15V、5V 等多種形式[2]，根據實際應用，地／開離散量采集和28V/開離散量采集選用的最多，為機載設備最常用的兩種離散量信號。

本文著重介紹地／開離散量采集系統的設計。

2 系統及硬件設計

在機載設備中，離散量信號從各個子系統而來，匯集到某一個機載設備進行統一采集，并根據不同的系統需求進行不同的缺省狀態配置和軟件驅動配置。一般的，我們統一各個離散量信號的種類、數量以及指標后，在機載設備中進行歸一化設計，盡量采用同樣的電路形式，以便后續需求變更及擴展接口時，更容易操作。

離散量信號采集系統可以采用傳統阻容網絡設計或是采用集成離散量處理芯片設計。

2.1 傳統離散量采集電路設計

在對產品體積重量要求不高的條件下，可以將離散量采集電路以傳統模式進行設計，傳統模式離散量輸入接口電路主要由濾波電路、采樣電路、電平轉換及門限判斷電路、數據鎖存電路、邏輯控制電路及自測試電路等組成。

濾波電路通過濾波電容濾除輸入信號線上疊加的毛刺。采樣電路由電阻網絡構成，它將接收到的信號轉變為一個TTL兼容邏輯電平，同時，也提供一定的過應力保護能力。

數據鎖存電路提供一個隔離和增強總線驅動能力，利用芯片具有的施密特特性對信號消顫平滑。

邏輯控制電路對接收地址總線的指令及使能等信號進行譯碼控制，按照系統要求進行多組及多路離散量信號的采集。

自測試電路按系統要求執行電路采集的自測試功能。

根據CPU 系統總線寬度的不同，每次可直接向CPU 提供多個通道的離散量狀態數據，供CPU 處理。

圖1 傳統離散量采集電路設計

2.2 采用集成離散量采集芯片進行設計

隨著機載設備集成度越來越高，對機載設備的尺寸大小也有小型化的要求，因而需要采用集成度更高的離散量采集芯片進行電路設計，外圍使用CPU 和FPGA 進行集中調度和管理。

機載系統中多路離散量信號經過濾波電路后連接到多個離散量采集芯片上，實現對多路離散量的采集。離散量采集芯片通過SPI 接口將轉換后的邏輯電平發送給FPGA，并可以由FPGA 發送的配置信息將采集芯片配置成地／開離散量或28V/開離散量兩種類型。本文涉及的電路配置為地／開采集類型，兩種類型的離散量輸入信號經過前端調理，直接送入FPGA 的SPI 接口，FPGA 的控制邏輯解析SPI 接口數據，并將解析出來的數據存儲在雙口RAM 中提供給主CPU 訪問。同時FPGA 的控制邏輯通過雙口RAM 獲取主CPU 要求輸出的配置數據信息，FPGA 將這些數據輸出到相應的采集芯片進行寄存器配置[2]。采用集成離散量芯片的電路如圖2 所示。

圖2 采用離散量芯片的電路設計

3 軟件設計

對于每個離散量采集信號的軟件，分為驅動軟件及數據管理軟件。當外部激勵為“地”和“開”狀態，根據后端總線驅動器和離散量芯片對采集電壓的判斷，采集結果為邏輯“1”，和邏輯“0”。可以按組對離散量信號進行采集，根據總線數據寬度的不同，每一組采集離散量的數量為8 或16,通常根據機載計算機內設計，采集值為16 位一組，一位占用一個數據比特。

驅動軟件的功能是從指定地址將地／開信號讀入并存入數據緩沖區，需要的軟件驅動參數為通道號、最大輸入組號及輸入信號基地址。其軟件流程圖如圖3 所示。

圖3 驅動軟件流程圖

當驅動軟件將離散量讀出后，需要對讀出的數據進行數字濾波處理，這樣可以大大提高采集的可靠性，減少數字接口經常出現“虛警”問題。然后對數據進行數據表寫入和讀出管理，具體做法是建立多重數組，將信號按照類型存入指定位置，上層應用軟件在使用數據時可以不直接調用驅動軟件，這樣可大大方便用戶使用和后期維護，減少應用軟件使用上帶來的二次問題。

圖4 數據管理軟件流程圖

4 自測試及用戶測試

無論采取哪種離散量采集電路形式，硬件中均需要設計自測試電路。這樣，當電路在使用過程中發生故障時，機載設備能夠自動識別故障并上報系統。正常工作時，自測試信號為三態。自測試時，可在自測試信號施加“高激勵”或“低激勵”，再通過軟件判讀，若某一路讀出信號與施加激勵信號不一致，則說明該通道故障。

同時，需要編寫進行支持用戶的測試軟件用來進行電路測試和驗收。測試軟件可采用手動和自動的方式實現，原理均為使激勵信號和采集信號系統構成“回路”，利用軟件判斷實際值是否與期望值相符，根據不同的需求場景，可以采取不同的思路進行測試軟件的開發。

5 結論

針對機載系統的需要，設計了開關離散量采集系統。通過兩種形式的離散量采集電路設計，以及完備的軟件設計，可以大大提升離散量采集的可靠性和魯棒性。