0 引言

    面对日趋复杂的未来机载系统，离散量信号处理量不断增大，信号带宽急剧增高，功能日趋复杂，现有的离散量处理方案已无法满足系统对离散量信号切换速率、小型化、可靠性等诸多方面的要求^[1]，同时现有离散量方案的防护性要求使得系统进行小型化改进困难，因此迫切需要一种革命性的手段，能够系统解决传统方案在体积、重量、功耗、灵活性等方面的缺陷，更能够适应未来高性能机载电子系统对高带宽、高可靠离散量信号综合处理和环境应力防护等指标的要求^[2]。深入研究各种离散量信号转换及处理技术方案和产品特点，结合离散量信号的电气特点和环境特点，综合、抽取各种应用模式和需求特点，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。

1 离散量信号接口芯片架构

    设计一款离散量接口芯片，首先要满足离散量接口的主要功能，即把航空机载系统中的众多离散量转换成TTL电平输出^[3]。芯片架构如图1所示，支持28 V/开、28 V/地和地/开三种离散量输入形式。为保证转换的可靠性及准确性，内部产生主从时钟信号，设计有上电自检功能、防抖动功能、端口快速泄放功能，并支持DMA模式、冗余模式及众多的报错模式，可通过外部地址去查询错误信息。为提高芯片的兼容性，设计支持SPI读取和异步读取两种主机接口通信方式。

2 离散量信号接口芯片核心单元

2.1 离散量采集单元

    离散量采集单元为离散量信号接口芯片核心电路，内部包括32个相同的采集单元，每个单元内部包括离散量采集端口、自检控制单元、离散量处理比较器单元、端口残余电荷快速泄放单元。支持三种离散量输入形式：28 V/地，28 V/开，地/开。外部配置参考电平，以适应不同航空电平的改变，使芯片应用具有更大的灵活性和更强的适应系统能力。端口最高耐压可达50 V，防止离散量输入端口浪涌电压的冲击，增加芯片的可靠性。

    通过电阻阵列把离散量转换成较低电平，送入离散量处理比较器单元，不同类型的离散量匹配不同的基准电压，该基准电压外部可配置，以适应不同电压的航空电平。

    由于外部寄生电容的存在，在上次离散量采集过后，端口必然会留下残余电荷。如果该电荷不能够被快速泄放，将会对下次离散量的采集转换产生致命的影响^[4]，并出现错误的转换状态，造成严重的后果，所以必须增加端口残余电荷快速泄放功能。该功能可以使在离散量采集结束的瞬间，迅速把残余电荷泄放掉，保证下次离散量的正常采集。

    自检控制单元是端口的关键控制部分，它决定了芯片是出于自检状态还是正常的离散量采集状态。

    离散量处理比较器单元是一个常见的比较器，由于离散量均是低频信号，所以比较器不需要较快的速度，只要求比较器具有高可靠性即可。该比较器在上电瞬间，被power on信号关断输出，保证芯片在整个上电过程中处于一种正常的工作状态。

2.2 上电自检单元

    为了保证每个离散量采集单元模块采集与输出的正确性，提高芯片的可靠性，设计了芯片上电自检单元，验证芯片内部模块的工作状态正常与否，可以覆盖时钟、比较器和数字逻辑等模块。

    自检模块由数字电路实现如图2所示。上电后，芯片内部发出“0/1”自检指令，数字模块发出自检使能信号(test_en=1)，并封锁离散量输入端口，启动内部自检信号激励，自检完成后发出完成指示test_ok，自检结束并把32路端口自检结果保存到寄存器中，如有端口错误，自检会报错，但并不影响其他端口正常工作。

2.3 防抖动单元

    继电器和开关在传输信号切换时有弹跳特性，因此需要延时输出信号来屏蔽掉这样的弹跳信号。采用可编程的采样速率来屏蔽bounce信号。此模块设定三个采样周期为一大周期，每个大周期输出信号bounce、data和DMA_interupt。

    所设计抖动屏蔽模块的工作流程如图3所示。以一路离散量输入信号为例，首先判断是否工作于DMA模式，若无，则设置初始值i=0。输入信号分成bounce监测、数据采样和DMA模式三条支路完成任务。

    (1)bounce监测。监测第0个窗口，在窗口时间内检测dis CH_01是否发生bounce，是则bounce0=1，否则bounce0=0，将结果写入寄存器Breg<2:0>第0位。存储完毕后，判断此时的i值是否为2。至此，bounce监测的第一个周期结束；

    (2)数据采样。与bounce监测同时进行。bounce监测窗口b0的前沿做为采样信号s0，采集的数据ss0写入Sreg<2:0>的第0位，存储完毕后判断i值是否为2。至此数据采样第一个周期结束；

    (3)由于0≠2，执行i=i+1操作，赋值i=1，重新执行1和2的操作，bounce窗口变为b1，采样信号变更为s1，结果写入相应的寄存器的第1位；

    (4)由于1≠2，因此执行i=i+1操作，赋值i=2，重新执行1和2的操作，bounce窗口变为b2，采样信号变更为s2，结果写入相应寄存器的第2位；

    (5)执行上述步骤后，2=2，i=2的判断为真，检测Breg<2:0>中2至0位的存储结果，若有1位为1，则输出bounce为“1”，否则为“0”，输出结果写入寄存器（ADDRESS=00 000X，BOUNCE CH_01位）；若存储结果顺序为001或000，则将Sreg<2:0>中相同的两个数据任意一个做为输出结果data写入寄存器(ADDRESS=01 101X，DATA CH_01位)，然后赋值i=0，回到步骤1；否则不写入寄存器，将i的初始值重新设置为“0”，回到步骤1，重新开始操作。

    当配置成DMA模式后，只要dis信号发生上升沿或者下降沿跳变后则输出一个脉冲中断，否则为“0”，结果写入寄存器(ADDRESS=11 0110，DMA_interupt CH_01位)。

2.4 Fault处理单元

    由于离散量的信源存在机械操作，容易产生伪状态，受离散时间采样的限制，无法及时甄别错误，在采用光耦或比较器等分立器件搭建的系统方案中，很难及时发现错误的状态转换，因此可信度较差。

    针对传统方案中不校验离散量状态正确性的缺陷，本项目在进行离散量转换和处理中，对可能的错误模式拟采用实时监控和故障隔离机制，将转换错误按严重程度区分为“软错误”与“硬错误”，其中“硬错误”属于严重错误，危害飞行安全，错误直接以中断的形式给出；“软错误”属于偶然性、低风险的错误，该类错误的状态和地址信息会及时上报，便于主机应变处理。

    通过冗余报错、时钟报错、数据传输报错和自检报错的系列错误隔离方法提高离散量转换的可信度，而且该故障隔离电路提供优先级不同的错误机制，提高了故障的定位效率。

3 片内闪电间接雷防护

    在航空系统应用中要求器件具有较好的防护性能，可应用于恶劣环境中。该模块与离散量信号的机械电气部分直接连接，受到高电压和大电流的影响，离散量输入端口耐压超过600 V，同时考虑到雷电敏感度试验中浪涌电流及间接雷效应的冲击，在I/O保护上，创新性地设计了芯片内部的抗雷击保护电路结构，如图4和图5所示，电路的主体为SCR保护结构，包括反接的对地高压二极管、寄生的SCR结构、限流电阻Rs以及耐压保护结构。利用SCR结构形成正反馈机制，加速电流泄放，更好地保护离散量端口，与此同时，版图设计中采取隔离技术约束高压和输入电荷的影响。该离散量信号接口芯片为国内首个进行RTCA DO-160F 间接雷击试验并达到level 3级别的芯片产品。

4 物理实现

    根据各个模块电路的版图，对其进行布局规划，包括单元电路的摆放位置和端口的排列顺序摆放位置。根据规划将各个模块连接构建整体版图，各个模块之间连线采用metal1和metal2敏感节点，参考节点采用metal3，并避免与时钟、数据的纵向交叉，metal4采用电源、地交叉布线的方式隔离噪声，最后对电源和地进行布线，将所有电源线连接构成一个回路，所有地线连接构成一个回路^[5]。

    项目采用CMOS工艺对所设计芯片进行了流片，封装后的尺寸为14.6 mm×14.6 mm，对芯片样片进行了功能测试。测试表明芯片功能正常，实现了设计目标，在处理32路离散量输入时仅耗费6 mA@5 V的功耗。

5 结论

    本文深入研究各种离散量信号转换及处理技术方案和产品特点，结合离散量信号的电气特点和环境特点，综合、抽取各种应用模式和需求特点。核心电路中采用端口有源泄放、SCR结构端口防护电路和错误隔离等关键设计增强数据可信度，已流片验证。相对于国外同类型的离散量输入转换芯片，设计中创新性地增加了抖动屏蔽机制，有更广的自检覆盖范围，内部设计SPI输出接口可节约连接主机的端口资源。芯片重量和体积缩小到传统电路的5‰，功耗仅为传统电路的7‰，有效解决了航空机载系统离散量采集过程的小型化、集成化、可靠性的问题。

参考文献

[1] 魏婷.一种新型离散量接口电路的设计[J].计算机技术与发展，2015，25(3)：167-170.

[2] 徐忠锦．一种简单可靠离散量信号电路的设计和实现[J]．电子设计工程，2013，21(5)：130-133．

[3] 田心宇，张小林，吴海涛，等．机载计算机BIT 设计技术及策略研究[J]．计算机测量与控制，2011，19(9)：2064-2066．

[4] 周德新，崔海青，谢晓敏．机载电子设备故障诊断专家系统设计与实现[J]．现代电子技术，2010，33(24)：80-82.

[5] 廖裕评，陆瑞强.T anner Pro集成电路设计与布局实战指导[M].北京：科学出版社，2004．