隨著航空電子技術的發展，如何提高產品的可靠性，減小系統的重量、體積、功耗等，已成為硬件設計的一種趨勢。傳統的離散量處理方案采用分立器件搭建，面積體積及重量較大，可靠性較低，BIT占用硬件資源較多，已不能滿足系統小型化、高可靠性的要求，因此本論文提出了一種基于HKA03201芯片的離散量接口解決方案。
1.傳統離散量接口
傳統離散量信號的處理方案主要由FPGA、采樣電路、BIT電路構成。該方案采用光耦或比較器完成離散量信號的轉換，通過無源RC電路進行信號濾波，繼電器注入測試量，采用可編程器件FPGA構建控制和主機接口。32路采樣電路包含光隔8個，比較器8個，電阻電容各96個，閃電防護器件32個，繼電器8個，總元件數大于150個，電路板面積為200 mm×200 mm。該方案存在以下缺點：
(1)由于使用無源濾波電路、高壓保護管以及光隔比較器用于抗浪涌、閃電防護以及轉換接收，器件種類和數量繁多，導致系統方案體積大、重量大、功耗高、可靠性差，且分立器件構成的板級電路使用方法固定、模式單一、靈活性差;
(2)受分立元件特性限制，離散量信號處理速率、轉換可靠性及延時控制等關鍵性能指標無法滿足高可靠、高性能離散量轉換處理的發展需求;
(3)由于器件種類多、渠道分散，質量難以有效控制;同時，高性能核心器件不易采購，自主保障困難;
(4)離散量信號處理時，需要系統軟硬件配合，占用大量的系統資源。
2.新離散量解決方案
新解決方案采用HKA03201芯片設計。HKA03201-QB-B/L是一款高度集成的離散量信號轉換處理電路，用于各行業中開關離散信號的轉換，電路集成32路離散量處理通道，支持28 V/開、28 V/地和地/開三種離散量輸入形式，提供全面的芯片自檢、靈活錯誤監測和數據校驗等功能。芯片提供條件中斷模式和自掃描方式，支持多片級連方式，并提供AirBus ABD0100H兼容性以及離散量輸入端口1 mA干/濕電流解決方案。
被采集的離散量信號通過濾波并采取過壓保護后，經過分壓限幅送入離散量芯片HKA03201，通過芯片處理后由局部總線、SPI或串行總線將轉換后的信息發送到主機處理模塊。
2.1離散量輸入端口配置
芯片可同時處理32路離散量信號，分為A和B兩組，每組各16路離散量輸入端口。根據用戶實際需求，提供一種類離散量接口解決方案和干/濕電流支持型離散量接口解決方案。28 V/地或28 V/開外圍電路如圖1所示，地/開外圍電路如圖2所示。
圖1 28V/開外圍電路
圖2 地/開外圍電路
若應用工程對離散量端口沒有干/濕電流接觸要求，對于3種輸入方式，RD可選用50 kΩ電阻。
如需干/濕電流支持型離散量接口解決方案，按如下步驟完成配置操作：
(1)明確離散量輸入形式;
(2)28 V/地或28 V/開的離散量外圍電路參照圖1，地/開模式的外圍電路參照圖2;
(3)根據端口電流需要，確定RD阻值大小。
VP為上拉電壓，根據離散量的輸入形式可選15 V～28 V，推薦選擇28 V。設計端口干/濕電流最小值為1 mA，RD阻值具體計算方法示例：
芯片內阻(圖1中框內168 kΩ和24 kΩ的和)在-55 ℃～125 ℃變化范圍為100 kΩ～300 kΩ。
28 V/地或28 V/開的模式干/濕電流：28 V/RD≧1 mA;推薦阻值：RD=20 kΩ。
地/開模式干/濕電流：28 V/RD≧1 mA;推薦阻值：RD=20 kΩ。
2.2基準配置
基準是與分壓后離散量電壓的比較參考，芯片提供兩組四類基準輸入端口，分別為設定A組16路離散兩信號閾值的Vref_A、Vref_A_HI、Vref_A_LO、Vref_charge_A和設定B組16路離散兩信號閾值的Vref_B、Vref_B_HI、Vref_B_LO、Vref_charge_B。
以A組作為示例，在單閾值的情況下，分壓后的離散量電壓大于基準(Vref_A)輸出為高，低于基準(Vref_A)輸出為低，在雙閾值配置的情況下，大于Vref_A為高，低于Vref_charge_A為低，Vref_A_HI與Vref_A_LO僅配合Vref_A完成電路自檢功能。
對于這款芯片的閾值端口配置，只需明確離散量輸入類型，然后查找芯片手冊列出的參考電壓，使用DAC配置。
2.3主機接口選擇
HKA03201-QB-B/L芯片提供兩種主機接口：SPI接口或異步并行接口，可以通過與主機的通信方式進行端口配置，接口的選擇由interface_sel(Pin18)確定，接口的選擇具有互斥性，兩種主機接口不可同時工作。當interface_sel=1，選擇SPI接口，反之為異步并行接口。同時還可以通過配置VDD_IO來決定與主機通信的TTL電平。
傳統分立器件方案僅可提供32路并口輸出，占用主機端口資源較多。該應用方案中的SPI模式只需三個端口即可完成與主機通信的任務，大大節省了主機的端口資源。
2.4響應時間配置
傳統的分立器件方案沒有抖動屏蔽功能，無法保證離散量信號轉化的正確性。
根據系統對離散量轉換時間的要求，可以選擇芯片的兩種離散量的更新和轉換方式：自動更新和快速DMA響應模式。
離散量信號為低速開關信號，同時由于前級繼電器等機械裝置切換，會導致離散量信號切換過程中的彈跳抖動，可以根據使用不同型號繼電器所造成的不同抖動時長，通過芯片的bsel<2:0>端口選擇合適抖動屏蔽。
如果系統需要離散量快速響應，可以通過配置條件中斷寄存器，快速離散量響應DMA模式，離散量信號比較后直接輸出，響應時間小于100 μs。
2.5主機連接
離散量芯片采集完成后，CPU可通過局部總線或者SPI串行接口獲取采集的值，如圖3所示。采用局部總線交聯時，CPU通過總線以地址查尋的方式訪問離散量接口芯片，芯片支持6位地址空間，每個地址對應16路離散量。采用SPI接口交聯時，支持最大速率10 Mb/s，完整序列包含指令字(8 bit) 、地址(8 bit) 、數據(16 bit)共32位。SPI讀操作時，SI輸入指令字(8 bit) 和地址(8 bit);SPI寫操作時，SI輸入指令字(8 bit)、地址(8 bit)、數據(16 bit)共32位。
圖3 單片使用示意圖
也可以多片級聯異步并行或SPI接口操作使用，以SPI接口為例，如圖4所示。
圖4 多片級聯SPI接口操作使用
2.6接口電路測試
傳統方案中為了保證系統的可靠性，需要BIT電路，但BIT占用大量的資源。在本芯片方案中，芯片內部包含了上電自檢、主機自檢、冗余檢測及其他錯誤檢測功能，可以驗證芯片內部模塊的工作狀態正常與否，自檢可以覆蓋時鐘、比較器和數字邏輯等模塊，因此只需通過通信端口查看相應的錯誤寄存器，實時了解芯片狀態[4-6]。
模擬端口配置完成后，芯片上電自動完成自檢，自檢結果存入狀態寄存器，fault引腳根據自檢結果輸出高低電平，同時ready引腳將輸出1，離散量數據處理功能開啟。
在工作中如需維護測試，可以主機發起自檢，主機向寄存器(地址01010X或10100X)寫入任意字符，發起0/1自或1/0自檢，自檢完成后，ready引腳將再次輸出1，離散量數據處理功能開啟，可查詢錯誤狀態寄存器(地址10011X)得到自檢結果。
在對離散量數據的確定性有較高要求的場合，可以使用雙冗余的校驗模式，用于校驗雙路離散量通道是否一致。
3.技術特點
由表1可以看出，與傳統的離散量接口電路相比，基于芯片的離散量接口電路體積大大減小，重量降低為原方案的6‰，外圍器件種類和數量大幅減少，大大提高了可靠性，BIT 測試和抖動屏蔽不需要額外增加電路。
另外HKA03201芯片還具有片內間接雷防護功能，基于此芯片的離散量接口解決方案可以應對航空應用中的惡劣環境。
總結
以上就是基于芯片的離散量接口設計介紹了。該設計集成了自檢測、冗余、錯誤校驗和錯誤隔離等功能，大大提高了數據可靠性，同時，由于該方案基于芯片，設計靈活簡單，在系統的小型化、功耗、成本、面積和重量上具有巨大優勢。目前該芯片解決方案以其高低溫性能穩定及高可靠性，已成功應用于航空電子、工業控制等領域中。
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