0 引言

    面對日趨復雜的未來機載系統，離散量信號處理量不斷增大，信號帶寬急劇增高，功能日趨復雜，現有的離散量處理方案已無法滿足系統對離散量信號切換速率、小型化、可靠性等諸多方面的要求^[1]，同時現有離散量方案的防護性要求使得系統進行小型化改進困難，因此迫切需要一種革命性的手段，能夠系統解決傳統方案在體積、重量、功耗、靈活性等方面的缺陷，更能夠適應未來高性能機載電子系統對高帶寬、高可靠離散量信號綜合處理和環境應力防護等指標的要求^[2]。深入研究各種離散量信號轉換及處理技術方案和產品特點，結合離散量信號的電氣特點和環境特點，綜合、抽取各種應用模式和需求特點，研究設計了一款具有自主知識產權的離散量信號接口芯片。

1 離散量信號接口芯片架構

    設計一款離散量接口芯片，首先要滿足離散量接口的主要功能，即把航空機載系統中的眾多離散量轉換成TTL電平輸出^[3]。芯片架構如圖1所示，支持28 V/開、28 V/地和地/開三種離散量輸入形式。為保證轉換的可靠性及準確性，內部產生主從時鐘信號，設計有上電自檢功能、防抖動功能、端口快速泄放功能，并支持DMA模式、冗余模式及眾多的報錯模式，可通過外部地址去查詢錯誤信息。為提高芯片的兼容性，設計支持SPI讀取和異步讀取兩種主機接口通信方式。

2 離散量信號接口芯片核心單元

2.1 離散量采集單元

    離散量采集單元為離散量信號接口芯片核心電路，內部包括32個相同的采集單元，每個單元內部包括離散量采集端口、自檢控制單元、離散量處理比較器單元、端口殘余電荷快速泄放單元。支持三種離散量輸入形式：28 V/地，28 V/開，地/開。外部配置參考電平，以適應不同航空電平的改變，使芯片應用具有更大的靈活性和更強的適應系統能力。端口最高耐壓可達50 V，防止離散量輸入端口浪涌電壓的沖擊，增加芯片的可靠性。

    通過電阻陣列把離散量轉換成較低電平，送入離散量處理比較器單元，不同類型的離散量匹配不同的基準電壓，該基準電壓外部可配置，以適應不同電壓的航空電平。

    由于外部寄生電容的存在，在上次離散量采集過后，端口必然會留下殘余電荷。如果該電荷不能夠被快速泄放，將會對下次離散量的采集轉換產生致命的影響^[4]，并出現錯誤的轉換狀態，造成嚴重的后果，所以必須增加端口殘余電荷快速泄放功能。該功能可以使在離散量采集結束的瞬間，迅速把殘余電荷泄放掉，保證下次離散量的正常采集。

    自檢控制單元是端口的關鍵控制部分，它決定了芯片是出于自檢狀態還是正常的離散量采集狀態。

    離散量處理比較器單元是一個常見的比較器，由于離散量均是低頻信號，所以比較器不需要較快的速度，只要求比較器具有高可靠性即可。該比較器在上電瞬間，被power on信號關斷輸出，保證芯片在整個上電過程中處于一種正常的工作狀態。

2.2 上電自檢單元

    為了保證每個離散量采集單元模塊采集與輸出的正確性，提高芯片的可靠性，設計了芯片上電自檢單元，驗證芯片內部模塊的工作狀態正常與否，可以覆蓋時鐘、比較器和數字邏輯等模塊。

    自檢模塊由數字電路實現如圖2所示。上電后，芯片內部發出“0/1”自檢指令，數字模塊發出自檢使能信號(test_en=1)，并封鎖離散量輸入端口，啟動內部自檢信號激勵，自檢完成后發出完成指示test_ok，自檢結束并把32路端口自檢結果保存到寄存器中，如有端口錯誤，自檢會報錯，但并不影響其他端口正常工作。

2.3 防抖動單元

    繼電器和開關在傳輸信號切換時有彈跳特性，因此需要延時輸出信號來屏蔽掉這樣的彈跳信號。采用可編程的采樣速率來屏蔽bounce信號。此模塊設定三個采樣周期為一大周期，每個大周期輸出信號bounce、data和DMA_interupt。

    所設計抖動屏蔽模塊的工作流程如圖3所示。以一路離散量輸入信號為例，首先判斷是否工作于DMA模式，若無，則設置初始值i=0。輸入信號分成bounce監測、數據采樣和DMA模式三條支路完成任務。

    (1)bounce監測。監測第0個窗口，在窗口時間內檢測dis CH_01是否發生bounce，是則bounce0=1，否則bounce0=0，將結果寫入寄存器Breg<2:0>第0位。存儲完畢后，判斷此時的i值是否為2。至此，bounce監測的第一個周期結束；

    (2)數據采樣。與bounce監測同時進行。bounce監測窗口b0的前沿做為采樣信號s0，采集的數據ss0寫入Sreg<2:0>的第0位，存儲完畢后判斷i值是否為2。至此數據采樣第一個周期結束；

    (3)由于0≠2，執行i=i+1操作，賦值i=1，重新執行1和2的操作，bounce窗口變為b1，采樣信號變更為s1，結果寫入相應的寄存器的第1位；

    (4)由于1≠2，因此執行i=i+1操作，賦值i=2，重新執行1和2的操作，bounce窗口變為b2，采樣信號變更為s2，結果寫入相應寄存器的第2位；

    (5)執行上述步驟后，2=2，i=2的判斷為真，檢測Breg<2:0>中2至0位的存儲結果，若有1位為1，則輸出bounce為“1”，否則為“0”，輸出結果寫入寄存器（ADDRESS=00 000X，BOUNCE CH_01位）；若存儲結果順序為001或000，則將Sreg<2:0>中相同的兩個數據任意一個做為輸出結果data寫入寄存器(ADDRESS=01 101X，DATA CH_01位)，然后賦值i=0，回到步驟1；否則不寫入寄存器，將i的初始值重新設置為“0”，回到步驟1，重新開始操作。

    當配置成DMA模式后，只要dis信號發生上升沿或者下降沿跳變后則輸出一個脈沖中斷，否則為“0”，結果寫入寄存器(ADDRESS=11 0110，DMA_interupt CH_01位)。

2.4 Fault處理單元

    由于離散量的信源存在機械操作，容易產生偽狀態，受離散時間采樣的限制，無法及時甄別錯誤，在采用光耦或比較器等分立器件搭建的系統方案中，很難及時發現錯誤的狀態轉換，因此可信度較差。

    針對傳統方案中不校驗離散量狀態正確性的缺陷，本項目在進行離散量轉換和處理中，對可能的錯誤模式擬采用實時監控和故障隔離機制，將轉換錯誤按嚴重程度區分為“軟錯誤”與“硬錯誤”，其中“硬錯誤”屬于嚴重錯誤，危害飛行安全，錯誤直接以中斷的形式給出；“軟錯誤”屬于偶然性、低風險的錯誤，該類錯誤的狀態和地址信息會及時上報，便于主機應變處理。

    通過冗余報錯、時鐘報錯、數據傳輸報錯和自檢報錯的系列錯誤隔離方法提高離散量轉換的可信度，而且該故障隔離電路提供優先級不同的錯誤機制，提高了故障的定位效率。

3 片內閃電間接雷防護

    在航空系統應用中要求器件具有較好的防護性能，可應用于惡劣環境中。該模塊與離散量信號的機械電氣部分直接連接，受到高電壓和大電流的影響，離散量輸入端口耐壓超過600 V，同時考慮到雷電敏感度試驗中浪涌電流及間接雷效應的沖擊，在I/O保護上，創新性地設計了芯片內部的抗雷擊保護電路結構，如圖4和圖5所示，電路的主體為SCR保護結構，包括反接的對地高壓二極管、寄生的SCR結構、限流電阻Rs以及耐壓保護結構。利用SCR結構形成正反饋機制，加速電流泄放，更好地保護離散量端口，與此同時，版圖設計中采取隔離技術約束高壓和輸入電荷的影響。該離散量信號接口芯片為國內首個進行RTCA DO-160F 間接雷擊試驗并達到level 3級別的芯片產品。

4 物理實現

    根據各個模塊電路的版圖，對其進行布局規劃，包括單元電路的擺放位置和端口的排列順序擺放位置。根據規劃將各個模塊連接構建整體版圖，各個模塊之間連線采用metal1和metal2敏感節點，參考節點采用metal3，并避免與時鐘、數據的縱向交叉，metal4采用電源、地交叉布線的方式隔離噪聲，最后對電源和地進行布線，將所有電源線連接構成一個回路，所有地線連接構成一個回路^[5]。

    項目采用CMOS工藝對所設計芯片進行了流片，封裝后的尺寸為14.6 mm×14.6 mm，對芯片樣片進行了功能測試。測試表明芯片功能正常，實現了設計目標，在處理32路離散量輸入時僅耗費6 mA@5 V的功耗。

5 結論

    本文深入研究各種離散量信號轉換及處理技術方案和產品特點，結合離散量信號的電氣特點和環境特點，綜合、抽取各種應用模式和需求特點。核心電路中采用端口有源泄放、SCR結構端口防護電路和錯誤隔離等關鍵設計增強數據可信度，已流片驗證。相對于國外同類型的離散量輸入轉換芯片，設計中創新性地增加了抖動屏蔽機制，有更廣的自檢覆蓋范圍，內部設計SPI輸出接口可節約連接主機的端口資源。芯片重量和體積縮小到傳統電路的5‰，功耗僅為傳統電路的7‰，有效解決了航空機載系統離散量采集過程的小型化、集成化、可靠性的問題。

參考文獻

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