【学习笔记】嵌入式技术（20）：一种基于芯片的离散量接口解决方案
2016年电子技术应用第3期
作者：杨 峰1，2，索高华3，解亚龙3
摘 要： 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。提出了一种基于国产自研芯片的离散量接口解决方案，该方案设计灵活简单，集成了自检测、冗余、错误校验和错误隔离等功能，同时在小型化、功耗、成本、面积和重量上具有极大优势，可广泛应用于航空电子、工业控制等领域中。
0 引言
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[1-2]。国内公司研究设计了一款具有自主知识产权的离散量信号接口芯片，可替代传统的离散量接口电路设计方案，解决离散量输入电路使用的器件多、添加激励测试复杂、占用主机资源较多，尤其在离散量处理路数增加时，硬件电路设计占用板面大、功耗大等问题。基于以上背景，本论文提出了一种基于HKA03201芯片的离散量接口解决方案。
1 传统离散量接口解决方案
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。
传统系统方案存在以下缺点：
(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[3]。
基于传统离散量处理方案的缺点，急需寻找新的离散量解决方案来应对以上问题，以满足新一代航空电子系统对离散量接口电路设计可靠性、功耗、体积、重量的要求。
2 基于HKA03201芯片的离散量接口模块设计
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。
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。
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。
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。
4 结论
本文通过对传统的分立器件离散量接口解决方案的分析，提出了一种基于芯片的离散量接口解决方案。本文设计的基于芯片的离散量接口解决方案集成了自检测、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，已成功地应用于多个实际工程项目中，并已经通过各类实验验证。实验结果完全满足新一代航空电子系统对离散量接口电路设计可靠性，功耗、体积、重量的要求。
参考文献
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