两种离散量信号采集电路的对比

朱耀国，惠晓强，李 阳

(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 710068)

0 引言

随着航空产业多电飞机及全电飞机的发展趋势，机载设备电气化的程度不断提高，机电管理计算机作为机电管理系统的“大脑”，需要对大量机电信号进行采集监控[1]，并上报给飞行管理系统或机组告警指示系统，因此具备多路离散量信号采集需求。随着航空电子产品的复杂度和综合化程度的提高，降低产品重量、体积、功耗成了目前硬件设计的一种趋势[2]，航空离散量采集电路也由传统的多器件搭建的电路转变为以集成电路为核心的采集电路。本文以两种采集电路为例，通过对传统和集成化的离散量采集电路的构成及工作机理进行分析，阐述了集成化离散量采集电路的优点。

1 传统离散量采集电路

1.1 电路组成

传统28 V/开采集电路的组成如图1所示，如果需要改变为地/开采集电路，则需要将A端改为地/开输入信号，B端改为28 V源，C、E端二极管方向取反，D端改为地/开内部测试输入。传统离散量采集电路由光耦、点平转换器、FPGA、内部开关、稳压管、二极管、电阻组成[3]，以28 V/开离散量采集电路为例，对应的功能如下：

1) 电阻：对28 V/开输入、28 V/开内部测试输入、光耦输出5 V上拉输入进行限流；

图1 传统28 V/开采集电路结构图

2) 二极管：防止28 V/开输入、28 V/开内部测试输入两者间串流；

3) 光耦：将28 V/开输入信号转换地/开信号输出，光耦的地/开信号通过外部电阻上拉5 V转换为5 V/地信号；

4) 内部开关：由板上激励使能开关的闭合/断开，用于接入28 V/开内部测试输入；

5) 稳压管：如果无稳压管，当28 V/开输入线上有大于0 V的输入扰动时，在光耦输入侧产生电压降，光耦可能产生无输出。根据用户要求，将稳压管设置为11 V，这样，只有28 V/开输入线上的输入电压大于11 V时，光耦才会导通，该稳压管可根据外部需求更换型号；

6) 点平转换电器：SM164245点平转换器将5 V/地信号转换为3.3 V/地信号，以满足FPGA的IO接口需求；

7) FPGA：按照所需的周期，对输入端的3.3 V/地信号进行采集，当输入端为3.3 V时采集记录为1，输入端为地时采集记录为0，并将对应的数据打包，供其他设备查询，或用于自身逻辑判断。

1.2 电路工作原理

以28 V/开采集电路为例，采集电路通过以光耦、稳压管为核心的电路，将外部输入的28 V/开输入信号转换为3.3 V/地信号供FPGA采集；同时该电路具备自检功能，通过板上自激励闭合内部测试开关，接通28 V/开内部测试输入，用于向采集电路提供内部激励，这样可以检测电路功能是否完好。由于外部及内部测试的28 V/开输入信号后端均连接了二极管，这样可以有效防止两者串流。该电路的优点是具备自检测功能，且28 V/开输入的检测点门限可以通过更换稳压管进行配置。

如果需要雷电防护功能，则需要在外部28 V/开输入端并联相应的TVS管。

2 集成化28 V/开采集电路

2.1 电路组成

集成化28 V/开采集电路的组成如图2所示，电路由离散量采集芯片HKA1223-CSC、FPGA、电容、电阻组成，对应的功能如下：

图2 集成化28 V/开采集电路结构图

1) 电阻：对28 V/开输入进行限流；

2) 电容：与电阻构成低通滤波电路，减少28 V/开输入信号线上的干扰；

3) FPGA：在上电后通过SPI总线对HKA1223-CSC进行接口采集类型配置、自检或采集模式配置，并周期访问离散量采集芯片HKA1223-CSC，获取离散量采集数据，并将对应的数据打包，供其他设备查询，或用于自身逻辑判断；

4) 离散量采集芯片HKA1223-CSC：具备8路可配置离散量采集接口，可配置为28 V/开或地/开采集；SPI接口，用于接收主机配置指令，并供主机读取采集/自检结果。

2.2 离散量采集芯片HKA1223-CSC工作原理

芯片的内部结构框图如图3所示。

图3 HKA1223-CSC内部结构图

离散量采集芯片HKA1223-CSC可以根据SPI指令配合寄存器选择引脚SEL，选择访问配置寄存器或者结果寄存器。当SEL为低电平时，外部SPI可以读写配置寄存器CR，共9位，最高位第9位为自检控制位，1表示自检，0表示外部检测；剩余8位分别表示每路外部检测的配置类型，当为0时，配置为28 V/开检测；当为1时，配置为地/开检测；比较器的阈值根据采集接口配置的不同自动调整。当SEL为高电平时，外部SPI仅可读取数据寄存器DR，共8位，分别表示每路采集接口的结果，当被配置为28 V/开采集时，结果1表示采集结果为28 V，结果0表示采集结果为开；当被配置为地/开采集时，结果1表示开，结果0表示为地[4]。

根据配置信息的不同，每路采集通路中开关S1-S4的配合情况如下：

1) 当配置为自检模式，接口为地/开时，仅S3接通为高电平，比较器正极注入高电平，输出高为1，表示结果为开，完成自检测；

2) 当配置为自检模式，接口为28 V/开时，仅S4接通为地，比较器正极输入地，输出低为0，表示为开，完成自检测；

3) 当配置模式为外部检测，接口为地/开时，仅S1接通为高电平，当外部为开输入时，比较器正极注入高电平，输出高为1，表示为开；当外部为地输入时，比较器正极输入地，输出地为0，表示结果为地；

4) 当配置模式为外部检测，接口为28 V/开时，仅S2接通为地，当外部为开输入时，比较器注入地，输出低为0，表示为开；当外部为28 V输入时，通过电阻分压后比较器输入为高，输出为高，表示结果为28 V。

除了可以灵活配置的优点外，离散量采集芯片HKA1223-CSC为每一路采集电路还配置了雷电防护电路和迟滞比较器，具备DO160-level3防雷能力，这样可以有效防护外部接口上的过电压、电压抖动情况。

3 电路比较

根据上述对电路结构与工作原理的介绍，传统离散量采集电路与集成化电路的对比如下：

1) 传统离散量采集电路不可在板上灵活配置，无法在28V/开或地/开采集电路间切换；集成化离散量采集电路可灵活配置为28 V/开或地/开采集电路；

2) 传统离散量采集电路器件种类和数量繁多，导致系统方案体积大、重量大、功耗高、可靠性差[5]，使用集成化离散量采集电路可以大大减小产品体积、重量、功耗；

3) 1路传统离散量采集电路需要1路FPGA的I/O接口，而可采集8路的集成化电路的SPI总线(SPI_SEL,SPI_CLK,SPI_SDO,SPI_SDI)占用FPGA的4个I/O，在数十路离散量需要采集的场合，集成化离散量采集电路更易扩展；

4) 集成化离散量采集电路具备雷电防护功能，而传统离散量采集电路需要在外部并联TVS瞬态抑制二极管；

5) 传统离散量电路可通过更改稳压管型号改变检测电压门限；而集成化的离散量采集电路的检测门限区间为固定的迟滞区间，不可改变。

4 结论

通过对两种不同时期的离散量采集电路的电路组成及工作原理进行介绍与分析，可以看到集成电路的巨大优势。与传统的离散量采集电路通过分立器件搭建的电路相比，集成化离散量采集电路具有占板面积小、功耗低、重量低、功能丰富、易于扩展的优点，有效解决了航空机载系统离散量采集过程的小型化、集成化、可靠性的问题。