一种全面可控的机电系统离散量处理模块设计

张祎彤，高 震，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

目前我国航空领域中机载计算机大量选用进口硬件产品，核心技术受制于人且存在严重安全隐患[1]。在机载系统中，离散量信号负责表征发动机起动、环控空调、燃油、电源、机电管理和液压等关键子系统设备的状态指示和开关动作，离散量采集电路已成为机电综合管理分系统接口单元重要组成部分[2]。为摆脱器件停禁运风险与核心技术封锁引发的不利局面，本文以机载计算机技术产品全面可控发展的需求为牵引，基于软硬件国产设计方案，对机电系统中灯光告警计算机的地/开离散量信号输入输出采集电路进行全面可控的详细设计。

1 系统方案设计

本文将离散量信号处理模块分为输入/输出接口、BIT检测和控制电路三个功能区；通过输入接口采集子设备的开关状态并转换为标准I/O信号供FPGA进行处理[3]。FPGA的内核通过LBE总线访问外部I/O数据信号；CPU通过访问SDRAM获取外部数据并将控制信号输出至对应的I/O口，经输出接口电路驱动后控制驾驶舱中顶控板上相应的信号灯状态。同时在模块内部设置BIT检测电路，CPU通过软件控制继电器进行BIT信号切换，将软件读取到的状态值与注入激励值和输出状态进行比较来判断地/开输入输出采集是否准确。CPU选用翔腾的HKSP6101处理器，工作频率250 MHz，配有256 Mbytes的SDRAM、32 Mbytes的USER FLASH、32 Mbytes的SYSTEM FLASH和128 kbytes的NVRAM空间。深圳国微的SMQ2V1000FG456型FPGA实现中断管理、复位控制和PCI转LBE总线等功能，系统总体设计框架如图1所示。

图1 系统总体设计框架

2 硬件电路设计

2.1 地/开离散量输入信号电路

离散量输入信号电路提供160路地/开输入接口，用于采集外部各系统子设备的开关状态，输入接地状态时电压不大于1.5 V，输入开路状态时阻抗不小于1 MΩ。地/开离散量输入采集电路原理如图2所示。

图2 地/开离散量输入信号电路

为保证在外部子设备电平波动范围内能够正确采集到地/开状态的同时防止信号误触发，因此在采集模块中高速多路总线单向驱动器选用深圳国微的SM162244芯片，输入驱动高电平为2 V，低电平为0.8 V。电阻均选用额定功耗为0.063 W的RNK5084系列器件，R1阻值4.7 kΩ，R2阻值27 kΩ，R3阻值10 kΩ，电磁继电器选用国营891厂的JRW-241M器件。并在信号输入起始端V1处设置二极管“G”BAS21H，用于防护外部大电压对模块内部短路造成应力损伤。

在模块处于正常工作状态时，电磁继电器K1处于15 V触点，K2处于GND触点。当外部信号激励为“地”状态时，总线驱动器输入端电压为0.7 V*10/(27+10)=0.19 V，采集到的结果为“0”。当外部信号激励为“开”状态时，总线驱动器输入端电压为15 V*10/(4.7+27+10)=3.6 V，采集到的结果为“1”。

2.2 地/开离散量输出信号电路

离散量输出信号电路提供160路地/开输出接口用于顶控板指示灯的驱动控制。输出接口电路主要包括锁存器和输出控制电路，锁存器选用871厂的G54HC273S芯片，用于接收到数据总线上发来的指示灯开关信号；通过达林顿管驱动放大后输出到驾驶舱顶控板的指示灯上以驱动信号灯的亮灭，达林顿晶体管阵列选用4433厂的FX2823GC器件。吸收电流不小于100 mA(稳态)，输出接地状态时电压不大于1.5 V，输出开路状态时阻抗不小于1 MΩ，地/开离散量输出采集电路原理如图3所示。

图3 地/开离散量输出信号电路

其中R4阻值5 kΩ，R5阻值2.5 MΩ，R6阻值2.5 MΩ。在模块处于正常工作状态时，电磁继电器K3处于断开状态。当输出信号为“地”状态时，外部顶控板电源形成回路电流驱动继电器动作，从而点亮顶控板上的信号灯。当输出信号为“开”状态时，由于R5与R6阻值较大，外部顶控板电源形成的回路电流不足以驱动指示灯工作，对外表现为关闭状态。

2.3 BIT检测电路

在本文提出的离散量信号处理模块中，对每一路的地/开输入和输出电路都设计了BIT检测电路进行激励测试。BIT电路检测到的所有故障均记录在CPU中预设好的NVRAM地址空间内，应用软件可以从NVRAM中根据指定的空间块号来读取相应数据。

2.3.1 输入BIT检测

地/开离散量输入电路中在源端配置了高激励和低激励注入点，通过CPU软件控制电磁继电器K1和K2以进行BIT控制信号的切换，可单独注入高激励信号或低激励信号，分别对应接口“空开”和“接地”的两种状态。在注入对应的BIT信号后，软件采集地/开输入接口的状态[4]。通过比较CPU软件读取到的状态值和实际注入的BIT激励值来判断地/开离散量输入采集接口是否正常。

在输入BIT检测过程中测试高激励时，通过软件控制BIT_1#和BIT_2#信号使电磁继电器K1拨至GND，K2拨至+5 V状态，总线驱动器采集端的电压为5 V*(4.7+27)/(4.7+27+10)=3.8 V，此时所有地/开输入采集端结果应全部为“1”。

在输入BIT检测过程中测试低激励时，通过软件控制BIT_1#和BIT_2#信号使电磁继电器K1拨至GND，K2拨至GND状态，总线驱动器采集端的电压为0 V，此时所有地/开输入采集端结果应全部为“0”。

2.3.2 输出BIT检测

地/开离散量输出接口通过CPU软件控制电磁继电器进行BIT信号切换，并从产品内部引入28 V激励信号对总线驱动器进行驱动。在输出BIT检测过程中测试高激励时，通过软件控制BIT_3#信号使电磁继电器K3拨至+28 V状态，电路简化如图4所示。图中电压调整二级管V3选用873厂的(G)BZ5231BS器件，稳压值为4.85 V。总线驱动器采集端的电压被V3处的二极管稳压至4.85 V，此时所有地/开输出采集端结果应全部为“1”。

图4 高激励下的输出BIT检测电路

在输出BIT检测过程中测试低激励时，通过软件控制BIT_3#信号使电磁继电器K3拨至空开状态，则总线驱动器采集端的电压为0 V，此时所有地/开输出采集端结果应全部为“0”。为防止BIT检测过程中引起虚警，在激励BIT检测电路与正常输出采集电路之间增设了隔离二极管V2，选用873厂的(G)BAS21H器件。

3 通道逻辑控制

离散量信号处理模块中共配置有160路离散量输入/输出采集通道，模块逻辑固化在通用阵列逻辑电路中，GAL器件选用中电58所的JGAL16V8B-15LD和JGAL20V8B-15LD芯片，本模块的逻辑电路主要实现:1) 控制信号的处理功能；2) 离散量输入采集功能；3) 离散量输出功能；4) BIT测试功能。

通过控制GKIOE#信号对输入电路中的总线驱动器进行使能从而实现对离散量输入采集的通道控制；控制GKOEN#信号对输出通道进行选择；控制GKBEN#信号实现对BIT检测通道的切换。模块内设置内部控制变量INL用于控制复位复制信号RESET、片选信号IOCOS、校验信号CRC和控制信号CMD，INL逻辑定义为：

INL16=RESET&!IOCSO
INL20=RESET&!IOCSO&!CRC&!CMD

3.1 离散量输入采集控制逻辑

输入信号在采集模块内部经接口处理电路后，变成TTL电平进入数据总线，由高速多路总线单向驱动器控制采集数据的地址。当CPU的读写信号W_R#为读有效时，CPU通过软件读取对应地址上的数据位从而获取采集到的输入离散量状态，输入通道逻辑原理如图5所示。

JGAL16V8B-15LD器件中离散量输入逻辑信号EX_IEN和离散量输出回采逻辑信号EX_TOE的定义为：

EX_IEN=INL16&!A7&!A6&A5&A4&!A3
EX_TOE=INL16&!A7&A6&!A5&A4&A3

图5 通道控制逻辑信号原理图

其真值表如表1所示。

表1 EX_IEN与EX_TOE逻辑信号真值表

3.2 离散量输出采集控制逻辑

CPU的地址线A0-A7通过GAL20器件的逻辑解算，得到输出信号的片选信号GKOEN#[1∶5]，随后使能相应的锁存器以控制不同通道进行信号输出，输出通道的逻辑控制原理如图6所示。

GKOEN#[1∶5]的真值表为：

表2 GKOEN逻辑信号真值表

离散量信号处理模块中的采集通道较多，为将BIT检测覆盖所有采集通道，在模块内部设置BIT检测激励源，BIT逻辑检测逻辑信号GKBEN的定义为：

GKBEN=INL20&A7&!A6&!A5&!A4&A3&!A2&!A1&!A0

当BIT激励值注入离散量输入输出采集电路后可进行各通道的BIT检测。

图6 通道控制逻辑信号原理图

4 结论

本文针对我国航空领域机载系统技术产品全面可控的迫切需求，从系统电路原理设计、通道逻辑控制策略和关键元器件选型三方面，提出了一种机电系统离散量信号处理模块全面可控的详细设计方案。实现了160路地/开离散量的输入与输出、内部输出回绕采集和快速接口BIT检测的功能。同时本文以典型型号设备为验证平台，为机载系统提供了一种产品技术全面可控的离散量信号采集基础产品的设计方法，在航空装备产品研制过程中营造了全面可控的设计应用环境。