一种高集成度高可靠的离散量采集电路设计

范新明 陈亚玲 张宇坤 孙少华 郭建奇

摘要：随着飞机机电系统集成化和综合化程度越来越高，降低产品的功耗、体积和重量，同时提高产品的可靠性，已成为一种主流趋势。传统的离散量输入接口电路实现复杂，器件多，占板面积大、测试复杂，针对该问题，该文采用国产自主研制的离散量采集芯片（HKA03201），利用FPGA作为控制器，设计了一种高集成度的离散量采集电路。该电路利用FPGA实现对HKA03201的采集控制，通过配置HKA03201的外部电阻，可实现28V/开和地/开离散量的采集。相比于传统电路，该电路结构简单，配置灵活，体积小，重量轻，功耗低，占板面积小。该电路已应用于实际工程项目中，经仿真和试验验证，其工作稳定，具有较高的可靠性。

关键词：离散量；采集电路；HKA03201；高集成度；高可靠性

中图分类号：TH134 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2019）04-0228-02

Abstract： As the airborne electromechanical system integration degree is higher and higher， reducing products power consumption， volume， weight and improving reliability is becoming a main kind of trend. Traditional discrete acquisition circuit is implemented intricately， using many components， taking up large area and testing complexly. In order to solve this problem， this paper designs a high-integration circuit with the domestic discrete magnitude acquisition chip（HKA03201）and the controller（FPGA）. Acquisition control is implemented by FPGA and configuring the proper resistor can Acquire 28V/OPEN， GND/OPEN signal. Compared with the traditional circuit， the circuit has the advantages of simple structure， flexible configuration， small size， light weight， low power consumption and small area. The circuit has been applied in practical engineering project， simulations and examinations reveal it works stably and reliably.

Key words： discrete magnitude； acquisition circuit； HKA03201； high-integration； high- reliability

近年來，科学技术的进步，推动了航空工业的快速发展。特别是飞机机电系统，系统架构已由以往的分立结构变为集成化和综合化的架构，远程接口单元作为机电系统信号采集和执行单元，完成了以往几十台计算机完成的任务。综合化的架构，对远程接口单元的集成度和可靠性提出了更高的要求。远程接口单元在机上工作时，需要采集较多的离散量信号来获取当前系统的工作状态，同时需要接收指令执行相应的离散量输出。离散量采集电路已成为远程接口单元电路系统的重要组成部分。随着离散量信号的增多，传统的离散量采集电路由于采用分立器件，占板面积大，重量大，可靠性低，已经不能满足产品功能性能需求[1]。针对该问题，本文基于国产自主研制的离散量采集芯片HKA03201，采用FPGA作为控制器，设计了一种高集成度的离散量采集电路，实现了84路地/开、12路28V/开、48路28V/开输出回采以及12路地/开输出回采。跟传统电路相比，无论是占板面积、重量、功耗以及可靠性方面，都具有明显的优势。

1 HKA03201

离散量是分立的、离散的信号，有着极低的输入带宽（DC-200Hz），常见的离散量形式有28V/地 、28V/开和地/开。通常情况下，机电系统需要几十到几百不等的离散量转换电路，而每个通路均需要使用电路处理将28V航空电源电平转换为TTL电平，使用外置器件完成该功能。在转换通路较多时，占用大量的板面积，同时在重量、体积、成本、功耗上耗费较大。针对该问题，本文采用离散量集成采集芯片，采用FPGA作为控制器，实现了多路离散量的采集。HKA03201是一款高度集成的离散量信号转换处理芯片，用于各行业中开关离散信号的转换，电路集成32路离散量处理通道，支持28V/开、28V/地和地/开三种离散量输入形式，提供串行接口和异步并行接口，可配置为条件中断模式或自扫描模式。芯片提供自检测功能，可配置自动数据刷新和抖动屏蔽时间，参考电压通过外部电阻配置[2-5]。

2 电路设计

针对某型飞机84路地/开、12路28V/开、48路28V/开输出回采以及12路地/开输出回采的需求，采用5片HKA03201和FPGA实现离散量的采集，其电路结构如图2所示。

采用5片HKA03201实现离散量采集，前3片实现地/开输入采集和地/开输出回采，后2片实现28V/开输入采集和28V/开输出回采。离散量采集芯片与FPGA的通讯采用SPI接口，分为两组，其中第1组SPI与前3片HKA03201进行通讯，第2组SPI与后两片HKA03201进行通讯。离散量采集防抖时间配置为50ms，采用自扫描模式，在上电和周期中分别进行离散量BIT，并将BIT结果上传至系统。

3 离散量采集控制

离散量采集通过FPGA进行控制，SPI时序参考芯片手册，分时对各离散量芯片进行采集访问。

根据系统需求，需要每100ms向系统上传一次离散量采集结果和周期BIT结果。针对该需求，在设计时，将100ms分为4个25ms，在每个25ms内读取一次离散量采集结果，100ms内对每个离散量采集芯片进行一次周期BIT操作，读取一次BIT结果。具体时间划分见表1所示。

按照表1所列，在第1個25ms只进行三个片子离散量的采集，在第2个25ms，除了进行离散量采集，还需要进行第1片的BIT操作，在第3个25ms进行第2片的BIT操作，在第4个25ms进行第3片的BIT操作，如此划分，可以在100ms内对每个离散量芯片进行一次BIT操作。查询HKA03201手册，其BIT时间需要6ms，上述时间划分BIT操作预留10ms，可以满足芯片要求。同时，结合HKA03201的SPI时序图，对于芯片的访问，5ms的访问时间，满足其时序要求，且有较大裕量。

4 时序仿真和实验验证

为了验证设计的准确性，本文采用VHDL语言在ISEDesignSuite14.1的开发环境中进行了设计输入与综合仿真，其仿真结果如图2所示。

仿真结果显示，SPI接口时序稳定，FPGA能够读取到正确的寄存器数据，未出现数据抖动不稳定等现象。

在仿真的基础上，对设计的电路进行了整机和系统级实验验证。在产品外部施加激励，结果显示设计的电路能够跟随外部激励的变化，对于离散量状态进行实时采集，可以满足整机和系统使用需求。经过高低温和功能振动等环境试验测试，该离散量采集电路在各种环境情况下均能稳定工作，未出现任何故障现象，可靠性高。

5 总结

针对飞机机电系统高度集成化的需求，本文采用HKA03201离散量采集芯片和FPGA，设计了一种高集成度的离散量采集电路。相比于传统的离散量采集电路，该电路在降低产品功耗、体积、重量等方面有很多优势。目前，该电路已经成功应用在实际工程项目中，并已经过各种环境试验验证，高低温性能稳定，可靠性高。

参考文献：

[1] 魏婷.一种新型离散量接口电路的设计[J].计算机技术与发展，2015，25（3）.

[2] 安书懂，李明，等.基于FPGA的离散量接口控制器设计[J].现代电子技术，2017，40（20）.

[3] 杨峰，索高华，等.一种基于芯片的离散量接口解决方案[J].电子技术应用，2016，42（3）.

[4] 邵刚，郎静，等.一种自主离散量输入接口芯片设计与实现[J]. 电子技术应用，2016，42（3）.

[5] HKA03201数据手册，2016.02.

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