基于芯片的离散量接口设计知识介绍

随着航空电子技术的发展，如何提高产品的可靠性，减小系统的重量、体积、功耗等，已成为硬件设计的一种趋势。传统的离散量处理方案采用分立器件搭建，面积体积及重量较大，可靠性较低，BIT占用硬件资源较多，已不能满足系统小型化、高可靠性的要求，因此本论文提出了一种基于HKA03201芯片的离散量接口解决方案。

1.传统离散量接口

传统离散量信号的处理方案主要由FPGA、采样电路、BIT电路构成。该方案采用光耦或比较器完成离散量信号的转换，通过无源RC电路进行信号滤波，继电器注入测试量，采用可编程器件FPGA构建控制和主机接口。32路采样电路包含光隔8个，比较器8个，电阻电容各96个，闪电防护器件32个，继电器8个，总元件数大于150个，电路板面积为200 mm×200 mm。该方案存在以下缺点：

(1)由于使用无源滤波电路、高压保护管以及光隔比较器用于抗浪涌、闪电防护以及转换接收，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，且分立器件构成的板级电路使用方法固定、模式单一、灵活性差;

(2)受分立元件特性限制，离散量信号处理速率、转换可靠性及延时控制等关键性能指标无法满足高可靠、高性能离散量转换处理的发展需求;

(3)由于器件种类多、渠道分散，质量难以有效控制;同时，高性能核心器件不易采购，自主保障困难;

(4)离散量信号处理时，需要系统软硬件配合，占用大量的系统资源。

2.新离散量解决方案

新解决方案采用HKA03201芯片设计。HKA03201-QB-B/L是一款高度集成的离散量信号转换处理电路，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28 V/开、28 V/地和地/开三种离散量输入形式，提供全面的芯片自检、灵活错误监测和数据校验等功能。芯片提供条件中断模式和自扫描方式，支持多片级连方式，并提供AirBus ABD0100H兼容性以及离散量输入端口1 mA干/湿电流解决方案。

被采集的离散量信号通过滤波并采取过压保护后，经过分压限幅送入离散量芯片HKA03201，通过芯片处理后由局部总线、SPI或串行总线将转换后的信息发送到主机处理模块。

2.1离散量输入端口配置

芯片可同时处理32路离散量信号，分为A和B两组，每组各16路离散量输入端口。根据用户实际需求，提供一种类离散量接口解决方案和干/湿电流支持型离散量接口解决方案。28 V/地或28 V/开外围电路如图1所示，地/开外围电路如图2所示。

图1 28V/开外围电路

图2 地/开外围电路

若应用工程对离散量端口没有干/湿电流接触要求，对于3种输入方式，RD可选用50 kΩ电阻。

如需干/湿电流支持型离散量接口解决方案，按如下步骤完成配置操作：

(1)明确离散量输入形式;

(2)28 V/地或28 V/开的离散量外围电路参照图1，地/开模式的外围电路参照图2;

(3)根据端口电流需要，确定RD阻值大小。

VP为上拉电压，根据离散量的输入形式可选15 V～28 V，推荐选择28 V。设计端口干/湿电流最小值为1 mA，RD阻值具体计算方法示例：

芯片内阻(图1中框内168 kΩ和24 kΩ的和)在-55 ℃～125 ℃变化范围为100 kΩ～300 kΩ。

28 V/地或28 V/开的模式干/湿电流：28 V/RD≧1 mA;推荐阻值：RD=20 kΩ。

地/开模式干/湿电流：28 V/RD≧1 mA;推荐阻值：RD=20 kΩ。

2.2基准配置

基准是与分压后离散量电压的比较参考，芯片提供两组四类基准输入端口，分别为设定A组16路离散两信号阈值的Vref_A、Vref_A_HI、Vref_A_LO、Vref_charge_A和设定B组16路离散两信号阈值的Vref_B、Vref_B_HI、Vref_B_LO、Vref_charge_B。

以A组作为示例，在单阈值的情况下，分压后的离散量电压大于基准(Vref_A)输出为高，低于基准(Vref_A)输出为低，在双阈值配置的情况下，大于Vref_A为高，低于Vref_charge_A为低，Vref_A_HI与Vref_A_LO仅配合Vref_A完成电路自检功能。

对于这款芯片的阈值端口配置，只需明确离散量输入类型，然后查找芯片手册列出的参考电压，使用DAC配置。

2.3主机接口选择

HKA03201-QB-B/L芯片提供两种主机接口：SPI接口或异步并行接口，可以通过与主机的通信方式进行端口配置，接口的选择由interface_sel(Pin18)确定，接口的选择具有互斥性，两种主机接口不可同时工作。当interface_sel=1，选择SPI接口，反之为异步并行接口。同时还可以通过配置VDD_IO来决定与主机通信的TTL电平。

传统分立器件方案仅可提供32路并口输出，占用主机端口资源较多。该应用方案中的SPI模式只需三个端口即可完成与主机通信的任务，大大节省了主机的端口资源。

2.4响应时间配置

传统的分立器件方案没有抖动屏蔽功能，无法保证离散量信号转化的正确性。

根据系统对离散量转换时间的要求，可以选择芯片的两种离散量的更新和转换方式：自动更新和快速DMA响应模式。

离散量信号为低速开关信号，同时由于前级继电器等机械装置切换，会导致离散量信号切换过程中的弹跳抖动，可以根据使用不同型号继电器所造成的不同抖动时长，通过芯片的bsel<2:0>端口选择合适抖动屏蔽。

如果系统需要离散量快速响应，可以通过配置条件中断寄存器，快速离散量响应DMA模式，离散量信号比较后直接输出，响应时间小于100 μs。

2.5主机连接

离散量芯片采集完成后，CPU可通过局部总线或者SPI串行接口获取采集的值，如图3所示。采用局部总线交联时，CPU通过总线以地址查寻的方式访问离散量接口芯片，芯片支持6位地址空间，每个地址对应16路离散量。采用SPI接口交联时，支持最大速率10 Mb/s，完整序列包含指令字(8 bit) 、地址(8 bit) 、数据(16 bit)共32位。SPI读操作时，SI输入指令字(8 bit) 和地址(8 bit);SPI写操作时，SI输入指令字(8 bit)、地址(8 bit)、数据(16 bit)共32位。

图3 单片使用示意图

也可以多片级联异步并行或SPI接口操作使用，以SPI接口为例，如图4所示。

图4 多片级联SPI接口操作使用

2.6接口电路测试

传统方案中为了保证系统的可靠性，需要BIT电路，但BIT占用大量的资源。在本芯片方案中，芯片内部包含了上电自检、主机自检、冗余检测及其他错误检测功能，可以验证芯片内部模块的工作状态正常与否，自检可以覆盖时钟、比较器和数字逻辑等模块，因此只需通过通信端口查看相应的错误寄存器，实时了解芯片状态[4-6]。

模拟端口配置完成后，芯片上电自动完成自检，自检结果存入状态寄存器，fault引脚根据自检结果输出高低电平，同时ready引脚将输出1，离散量数据处理功能开启。

在工作中如需维护测试，可以主机发起自检，主机向寄存器(地址01010X或10100X)写入任意字符，发起0/1自或1/0自检，自检完成后，ready引脚将再次输出1，离散量数据处理功能开启，可查询错误状态寄存器(地址10011X)得到自检结果。

在对离散量数据的确定性有较高要求的场合，可以使用双冗余的校验模式，用于校验双路离散量通道是否一致。

3.技术特点

由表1可以看出，与传统的离散量接口电路相比，基于芯片的离散量接口电路体积大大减小，重量降低为原方案的6‰，外围器件种类和数量大幅减少，大大提高了可靠性，BIT 测试和抖动屏蔽不需要额外增加电路。

另外HKA03201芯片还具有片内间接雷防护功能，基于此芯片的离散量接口解决方案可以应对航空应用中的恶劣环境。

总结

以上就是基于芯片的离散量接口设计介绍了。该设计集成了自检测、冗余、错误校验和错误隔离等功能，大大提高了数据可靠性，同时，由于该方案基于芯片，设计灵活简单，在系统的小型化、功耗、成本、面积和重量上具有巨大优势。目前该芯片解决方案以其高低温性能稳定及高可靠性，已成功应用于航空电子、工业控制等领域中。

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