車炯暉，張旭洲

(中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 前言

隨著航空機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展及對應(yīng)的電子產(chǎn)品的復(fù)雜度提高，體積、功耗、接口數(shù)量等指標(biāo)對機(jī)電管理計(jì)算機(jī)的要求越來越高。傳統(tǒng)的大規(guī)模的模擬量采集、離散量采集電路已不再適用。

1) 傳統(tǒng)離散量接口電路設(shè)計(jì)

機(jī)電系統(tǒng)的離散量是分立的，離散的信號(hào)，有著極低的輸入帶寬?，F(xiàn)代的機(jī)電管理計(jì)算機(jī)一般具有幾十到上百路離散量采集接口。每個(gè)不同類型的接口均需要轉(zhuǎn)變?yōu)門TL等數(shù)字電平。傳統(tǒng)電路使用器件完成該轉(zhuǎn)換功能，占用大量的板面積，同時(shí)在重量、體積、成本、功耗上耗費(fèi)較大[1]。

機(jī)電系統(tǒng)常用的離散量信號(hào)有地/開、28 V/開、28 V/地等類型，其典型的處理示意圖如圖1所示。

圖1 離散量輸入信號(hào)處理

對于系統(tǒng)交聯(lián)復(fù)雜，離散量輸入路數(shù)較多的系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的離散量輸入接口，器件較多，可靠性較差。

2) 傳統(tǒng)模擬量采集接口電路設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的航空機(jī)電系統(tǒng)具有多種類型的模擬量采集通道：±10 V采集、PT1000采集、±100 mV采集、PT100采集、0～32 V采集、0～20 mA采集等接口[2,3]。其典型的處理電路如圖2所示。

圖2 模擬量輸入信號(hào)處理

由于信號(hào)類型不同，其對應(yīng)的前端調(diào)理電路和電壓放大倍數(shù)存在較大差異，因此每種電路均存在很大不同，在通道較多的情況下，將占用很大的印制板面積。再算上BIT電路，機(jī)電管理計(jì)算機(jī)很難通過提高其集成性減小其體積和板面積。

1 通用采集接口設(shè)計(jì)方案

1.1 硬件設(shè)計(jì)方案

基于對傳統(tǒng)電路的結(jié)構(gòu)形式研究，離散量采集通常對輸入信號(hào)進(jìn)行上拉(地/開)或者下拉(28 V/開)處理，后經(jīng)過比較器后轉(zhuǎn)化成數(shù)字電平。

傳統(tǒng)的模擬量采集電路除了放大倍數(shù)不同外，需要進(jìn)行不同的調(diào)理電路。設(shè)計(jì)通用采集電路必須將這些電路結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行相對的統(tǒng)一。根據(jù)對現(xiàn)有飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)信號(hào)特性的考察，現(xiàn)將常見的采集信號(hào)結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)如下：

1) PT1000、PT100等電阻信號(hào)需要通過電流源及電阻橋?qū)π盘?hào)進(jìn)行調(diào)理為差分信號(hào)再經(jīng)過放大后進(jìn)行采集[4]；

2) ±10 V信號(hào)可以直接采集；

3)±100 mV采集信號(hào)需要經(jīng)過放大后進(jìn)行采集；

4) 0～32 V采集信號(hào)需要通過分壓電路后進(jìn)行放大采集，需要注意的是前端調(diào)理電路需要使用阻容分壓網(wǎng)絡(luò)，且需要做相應(yīng)的功率保護(hù)；

5) 電容采集信號(hào)需要交流電壓源進(jìn)行激勵(lì)，通過放大后進(jìn)行采集，軟件再根據(jù)采集周期進(jìn)行解算；

6) 0～20 mA電流采集接口需要經(jīng)過下拉電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再放大后進(jìn)行采集；

7) 地/開輸入信號(hào)需要通過上拉后進(jìn)行采集，需要注意的是前端調(diào)理電路需要使用阻容分壓網(wǎng)絡(luò)，且需要做相應(yīng)的功率保護(hù)[5,7]；

8) 28/開輸入信號(hào)結(jié)構(gòu)形式與0～32 V采集電路形式相同。

其電路結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 經(jīng)過歸一化的采集電路結(jié)構(gòu)

綜合以上電路結(jié)構(gòu)形式，離散量及模擬量前級(jí)的調(diào)理電路結(jié)構(gòu)形式類似，僅需將離散量后級(jí)的比較器更換為運(yùn)算放大器后作為模擬量進(jìn)行采集，再通過采集值可判斷出離散量信號(hào)的輸入狀態(tài)。

基于此本文通過使用開關(guān)陣列實(shí)現(xiàn)多種組件的結(jié)合[6]，從而設(shè)計(jì)出一種通用采集接口。該采集電路硬件上設(shè)計(jì)可分為濾波保護(hù)電路陣列、開關(guān)矩陣、調(diào)理電路組件陣列、放大電路陣列、A/D轉(zhuǎn)換電路、FPGA邏輯控制及CPU等，如圖4所示。

1.2 邏輯設(shè)計(jì)方案

通用采集接口的邏輯上電后經(jīng)過軟件配置驅(qū)動(dòng)表后自主運(yùn)行，不再需要軟件干預(yù)，以減少系統(tǒng)資源的占用。該邏輯共分為四個(gè)模塊(組件)，驅(qū)動(dòng)表、模擬信號(hào)處理模塊、通道控制與重構(gòu)配置模塊數(shù)據(jù)表。

1) 驅(qū)動(dòng)表：存儲(chǔ)信號(hào)類型，由軟件上電后根據(jù)機(jī)上信息進(jìn)行配置。為通道控制與重構(gòu)配置模塊提供輸入；

2) 通道控制與重構(gòu)配置模塊：根據(jù)驅(qū)動(dòng)表中獲得的信號(hào)類型，控制開關(guān)矩陣選通相應(yīng)的調(diào)理電路、放大電路；

3) 模擬信號(hào)處理模塊：將選通的信號(hào)進(jìn)行A/D采集，并根據(jù)驅(qū)動(dòng)表中的信號(hào)類型進(jìn)行相應(yīng)的濾波處理；

4) 數(shù)據(jù)表：對數(shù)據(jù)處理模塊采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的物理信號(hào)。

圖4 通用采集接口硬件方案設(shè)計(jì)

2 結(jié)束語

按照此方案試制的通用采集接口，根據(jù)實(shí)測，可滿足現(xiàn)有飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)信號(hào)采集的需要。該方案可大幅度地減少電路類型與電路規(guī)模；可應(yīng)用于機(jī)電管理計(jì)算機(jī)及RDC當(dāng)中，具有較高的推廣價(jià)值。