一種提升機(jī)載設(shè)備離散量采集模塊通用化設(shè)計

白鵬飛

海軍裝備部駐北京地區(qū)軍事代表局駐天津地區(qū)第三軍事代表室

1 引言

隨著國內(nèi)航空事業(yè)發(fā)展，軍用、民用飛機(jī)朝著多電化和全電化的方向發(fā)展。機(jī)上使用的電子設(shè)備也越來越多，機(jī)載設(shè)備的變更也越來越頻繁，對機(jī)載設(shè)備的通用化需求越來越強烈。

機(jī)載設(shè)備需要時刻采集飛機(jī)的各種模擬量、離散量、通信等信號，經(jīng)微處理器單元邏輯運算后，輸出控制信號至相應(yīng)動作機(jī)構(gòu)，在動作機(jī)構(gòu)的響應(yīng)下實現(xiàn)功能。同時，信號上報至駕駛艙相關(guān)警示顯示設(shè)備，供飛行員參照執(zhí)行飛機(jī)控制。各種接口信號中，離散量的信號形式主要為“高/開”及“地/開”2種，依據(jù)外部設(shè)備的輸出情況存在較多的變化，給機(jī)載設(shè)備的開發(fā)帶來挑戰(zhàn)。

2 通用化研究現(xiàn)狀

通用化是指開發(fā)并最大限度地重復(fù)使用或共同使用具有互換性的通用產(chǎn)品單元的技術(shù)活動[1]。通用化需對機(jī)載設(shè)備從系統(tǒng)層次、設(shè)備級產(chǎn)品、零部件3個方面分別作為對象進(jìn)行開發(fā)。李哲[2]提出了通用化的表現(xiàn)形式主要包括開放靈活的體系架構(gòu)、全面的解決方案、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，以及技術(shù)繼承。麥綠波[3]對于產(chǎn)品對象的通用化設(shè)計方法提出了本征式通用化設(shè)計、冗余式通用化設(shè)計、變量式通用化設(shè)計、擴(kuò)展式通用化設(shè)計、代理式通用化設(shè)計、保障式通用化設(shè)計、軟件通用化設(shè)計共7種。

本文在對上述7種通用化設(shè)計方法的分析基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)載外部設(shè)備輸出情況多變的特點進(jìn)行研究。變量式通用化設(shè)計是將決定適用范圍的量設(shè)計為可調(diào)節(jié)、可改變[3]，利用變量式通用化設(shè)計的方法，通過對輸入信號的路徑進(jìn)行軟件配置切換，可實現(xiàn)同一電路形式對外部不同接口信號形式識別的能力。

3 離散量信號識別方式

典型的離散量采集電路由隔離器件和微控制器組成，工作時外部信號輸入至隔離器件前端，當(dāng)外部輸入信號滿足高28V或者地信號時，達(dá)到光耦導(dǎo)通條件，驅(qū)動后端三極管電路導(dǎo)通，輸出穩(wěn)定的離散量高信號，經(jīng)過調(diào)理匹配后輸入至微控制器，微處理器采集到隔離器件的后端輸出后可進(jìn)行離散量信號的識別。

根據(jù)輸入信號的不同，離散量型號調(diào)理主要分為“高/開”和“地/開”兩種形式。對于外部“高/開”信號形式，經(jīng)隔離器件發(fā)光二極管的陽極接入，二極管陰極接地，后端接微控制器進(jìn)行識別。對于外部“地開”信號形式，經(jīng)隔離器件發(fā)光二極管的陰極接入，二極管陽極接電源，后端接微控制器進(jìn)行識別。如圖1所示。

圖1 離散量兩種信號硬件調(diào)理框圖

兩種信號形式在硬件電路上的接法截然相反，在外部信號變更的情況下，如沒有提前預(yù)留對應(yīng)的接口電路，則整個機(jī)載設(shè)備的離散量采集模塊硬件電路必須進(jìn)行重新設(shè)計。

4 基于變量式通用化設(shè)計方法的離散量信號識別方式

4.1 通用化提升思路

離散量信號數(shù)量在機(jī)載設(shè)備上較為龐大，基于上述機(jī)載設(shè)備外部離散量信號變更情況，要求分別實現(xiàn)2種信號形式采集方式的缺點，為提升設(shè)備的通用化，減少外部變更帶來的開發(fā)周期風(fēng)險，需要考慮最優(yōu)解決方案。方案1為針對兩種信號形式分別預(yù)留固定的接口調(diào)理電路，方案2為開發(fā)適用于識別兩種信號形式的通用化電路，方案3為方案1和方案2的結(jié)合。

方案1可以滿足外部數(shù)量增加時的接口信號采集需求，但存在預(yù)留較多時需要增加過多硬件資源的缺陷，同時若同一接口信號變更后，需要重新調(diào)節(jié)機(jī)上插頭線纜，工序較多。方案2可以靈活配置以適應(yīng)外部接口信號變化，但需控制增加硬件電路的規(guī)模，同時若外部信號數(shù)量增加時，還是需要增加多余的接口，產(chǎn)生硬件變更需求。方案3開發(fā)2種信號形式的通用化采集電路，同時預(yù)留合理的硬件接口，可以提升機(jī)載設(shè)備的通用化水平，極大地減少由于外部離散量信號形式、數(shù)量變化時帶來的變更。

通過對以上3種方案的分析，可得出以下結(jié)論：針對機(jī)載設(shè)備的離散量采集，在設(shè)計可識別2種信號形式的通用化離散量采集電路基礎(chǔ)上，根據(jù)需要在硬件接口上進(jìn)行合理預(yù)留。在滿足產(chǎn)品需求變更的同時，可避免硬件資源的浪費，提升通用化效果，降低產(chǎn)品變更風(fēng)險，提高機(jī)載設(shè)備開發(fā)經(jīng)濟(jì)性。

4.2 通用化離散量采集電路

基于上述需求開發(fā)的通用化離散量采集電路如圖2所示。

圖2 通用化離散量采集框圖

通用化的離散量采集電路在典型離散量采集電路的基礎(chǔ)上，增加了開關(guān)切換器件和隔離器件。微控制器單元通過軟件設(shè)置輸出控制信號，經(jīng)過多路隔離器件配置開關(guān)進(jìn)行相應(yīng)切換，實現(xiàn)外部不同信號形式與隔離器件二極管的對應(yīng)連接，使前端電路達(dá)到導(dǎo)通條件，驅(qū)動隔離器件后端電路輸出離散量信號至微控制器。此方法采用變量式通用化設(shè)計，當(dāng)外部輸入信號形式發(fā)生變化時，僅需在微控制器里對對應(yīng)接口的軟件進(jìn)行重新配置，無需任何硬件變更，極大地提升了設(shè)備的重用使用率，實現(xiàn)快速構(gòu)型，滿足飛機(jī)功能需求。

機(jī)載產(chǎn)品設(shè)計時，基于上述通用化離散量采集模塊最小單元，依據(jù)產(chǎn)品板卡尺寸和外部接口信號數(shù)量以及后續(xù)的擴(kuò)展需求，設(shè)置合理數(shù)量的離散量采集單元，兼顧預(yù)留；若接口數(shù)量較多，產(chǎn)品單個板卡尺寸較小時，可以以離散量采集板卡為通用化的最小單元，產(chǎn)品上配置合理數(shù)量的離散量采集板卡，形成零部件、板卡級的通用單元。通過在新產(chǎn)品開發(fā)過程中推行上述通用化設(shè)計，以實現(xiàn)縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，穩(wěn)定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大生產(chǎn)批量，促進(jìn)新技術(shù)的應(yīng)用和生產(chǎn)水平的提高。同時，在產(chǎn)品離散量采集單元故障時，利用通用化的自帶互換屬性——尺寸互換性和功能互換性，通過替換備用功能模塊，實現(xiàn)產(chǎn)品的快速修復(fù)，對提升整個裝備的保障水平有極大的意義。

5 離散量通用化電路建模與仿真

基于2種典型離散量采樣電路和本文所設(shè)計的通用化離散量采集電路，在專業(yè)電路仿真軟件中分別搭建模型進(jìn)行仿真，具體過程如下。

根據(jù)機(jī)載設(shè)備常用電源及微控制器芯片電壓情況，電源1、電源2分別為28V、3.3V直流電壓。前級輸入和后級輸出之間的電氣隔離選取線性的光耦器件。

在“高/開”形式的離散量采樣電路中，分別對前級輸入端設(shè)置28V和無輸入的開關(guān)信號，并對后級進(jìn)入微控制器的信號進(jìn)行采樣，將輸入輸出信號放在同一示波器下進(jìn)行觀察，如圖3所示。

圖3 “高/開”離散量采樣電路輸入輸出信號

結(jié)論得出，在分別輸入28V和無輸入的情況下，后級分別對應(yīng)輸出3.3V和無輸出。該信號可以作為微控制器的輸入進(jìn)行信號檢測。

在“地/開”形式的離散量采樣電路中，分別對前級輸入端設(shè)置地信號和無輸入的開關(guān)信號，并對后級進(jìn)入微控制器的信號進(jìn)行采樣，將輸入輸出信號放在同一示波器下進(jìn)行觀察，如圖4所示。

圖4 “地/開”離散量采樣電路輸入輸出信號

結(jié)論得出，在分別輸入地信號和無輸入的情況下，后級分別對應(yīng)輸出3.3V和無輸出。該信號可以作為微控制器的輸入進(jìn)行信號檢測。

在通用化離散量采樣電路中，微控制器芯片檢測不到光耦后端輸出電壓時，輸出控制信號，因控制信號輸出功率不足以驅(qū)動開關(guān)進(jìn)行切換，在電路中引入隔離元器件繼電器后，可在控制信號下配置開關(guān)狀態(tài)。對于切換開關(guān)，分別以28V端、信號輸入端和地信號3個接觸器輔助觸點與光耦前級的兩路進(jìn)行切換，其中信號輸入端包括高（28V）/開/地3種不同狀態(tài)。當(dāng)信號輸入端為“高/開”信號時，信號輸入端與地信號分別接入光耦前級電路，此時電路狀態(tài)可實現(xiàn)“高/開”離散量信號采集；同理，當(dāng)輸入端信號分為“地/開”信號時，28V端和信號輸入端分別接入光耦前級電路，此時電路狀態(tài)可實現(xiàn)“地/開”離散量信號采集。在分別給定信號輸入端“高（28V）/開/地”情況下，將輸入信號和輸出信號放在同一示波器下進(jìn)行觀察，如圖5所示。

圖5 通用化離散量采樣電路輸入輸出信號

結(jié)論得出，在信號輸入端分別輸入高（28V）、開和地信號時，光耦后級可在開關(guān)切換后實現(xiàn)3.3V輸出和無輸出，該信號可以作為微控制器的輸入進(jìn)行信號檢測。實驗證明，該設(shè)計兼容了2種典型的離散量采樣電路功能，具有很高的通用性。

6 結(jié)論

本文介紹了通用化的概念、形式及設(shè)計方法，并分析了機(jī)載設(shè)備離散量采集信號形式的需求，提出了通用化改進(jìn)方案，經(jīng)過多方案對比，得出一種適用于2種離散量信號形式的通用化電路，同時增加合理預(yù)留，在外部離散量接口形式、數(shù)量變化時，通過微控制器的軟件配置，便可滿足飛機(jī)功能需求，然后分別對2種典型離散量采集電路和通用化離散量采集電路進(jìn)行了仿真，結(jié)論得出，本設(shè)計提出的通用化改進(jìn)方案兼容了2種典型的離散量采樣電路功能，具有很高的通用性，極大地提升了機(jī)載設(shè)備的重復(fù)使用，對機(jī)載設(shè)備減少開發(fā)周期，降低研制費用意義重大。