文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.03.004
中文引用格式： 蔡叶芳，邵刚，李昶，等. 航空离散量输出处理机理及设计实现[J].电子技术应用，2016，42(3)：13-15，19.
英文引用格式： Cai Yefang，Shao Gang，Li Chang，et al. Aviation discrete output mechanism and design realization circuit[J].Application of Electronic Technique，2016，42(3)：13-15，19.
0 引言
在航空电子系统中，大量的指示灯状态、阀门开关、继电器以及电机等需要离散量驱动，而离散量的输出一般是由机弹载计算机控制的。计算机的输出信号都是TTL信号或CMOS信号，驱动能力很弱，电压也比较低，无法直接驱动负载，因此，就必须设计相关的转换电路，将计算机的输出信号放大，提高电压，增大电流以适应负载的驱动要求，同时也必须有对异常状态的监控和保护，当出现过压、过流和过热时能够及时发现和关断，防止损坏电路和器件。
一般离散量输出处理电路主要实现以下功能：
(1)数据锁存功能：数据锁存功能实现离散量输出信号按计算机控制要求在特定时间内输出的功能，保证了离散量输出信号的稳定性。
(2)隔离放大功能：计算机输出的离散量信号都是TTL或CMOS信号，隔离处理保证外部干扰不对计算机造成电气损害，放大功能保证低电压、弱电流信号转换为具有带载能力的高电压、大电流信号，直接驱动负载。
(3)异常监控和保护功能：离散量输出信号处理电路通过过压、过流和过热等监控功能，可以保证输出的状态信息的安全性和准确性。
(4)输出电路BIT功能：输出电路BIT是计算机对所输出信号的状态监控以及输出电路工作状态的监控，保证了离散量输出信号的准确性。
2 离散量输出信号处理电路基本原理
在机弹载领域，离散量输出类型主要分为28 V/开、地/开以及15 V/地等，前两种是机弹载设备上的主流离散量输出类型，后一种只用在飞控等对可靠性和电压稳定度要求很高的设备上。本文主要对前两种离散量处理的接口电路进行介绍，而15 V/地离散量输出的方法和前两种在原理上是相同的[1]。
离散量输出电路不论是用于状态指示的信号类还是功率驱动的控制类，其输出电路的基本原理和架构都是相同的[2]，主要包括总线驱动、译码逻辑、数据锁存、功率驱动、回绕监控(由隔离驱动和电平转换共同完成)、异常监控和保护，其框架原理图见图1。随着电子电路、元器件和集成电路的技术进步，离散量输出接口电路按照由分立器件到集成电路、由小功率到大功率、由基本功能到具有完善的监控保护的方向逐步发展。
3 当前离散量输出信号处理电路的设计与实现方式
目前国内外主流的离散量接口电路的处理方法仍是基于分离元器件搭建电路实现，分为隔离型和非隔离型[4]。前者是通过继电器或固态继电器附加分立器件搭建电路进行处理，实现内部控制信号与外部驱动电路的电气隔离（控制信号和驱动电路不“共地”）；非隔离型则发展了三代，目前这三代实现方式仍在不同场合使用，第一代是通过分立器件与三极管、MOSFET搭建，第二代是小功率驱动集成芯片，现在则是完全单片化的集成电路，片内集成有完善的异常保护功能和故障指示，主机可以方便地通过故障指示管脚监控芯片的工作状态。
3.1 隔离型离散量输出接口电路处理
通过电磁继电器输出离散量是最传统的电路形式，目前在一些定型产品或通用产品中仍有使用。该电路由隔离锁存电路、三极管驱动电路和电磁继电器组成。一般来说，隔离锁存电路无法直接驱动电磁继电器，必须通过三极管或达林顿管或MOS管放大电流后驱动电磁继电器，电磁继电器输出端产生所需要的离散量输出（28 V/开或地/开），电阻R用于三极管的基极限流。电磁继电器输出28 V/开离散量电路见图2。这种接口电路的优点是可以实现内部控制信号与外部电路的电气隔离，驱动简单，电磁继电器输出电流从几十毫安到十几安培的都有；缺点是通过电磁继电器和分立电阻电容等器件搭建电路，体积、重量和成本较高，另外输出的过流过压和过热保护比较难做，需要占用大量的辅助电路和资源；电磁继电器存在触点寿命的问题。
固态继电器输出28 V/开离散量电路见图3，该电路由隔离锁存电路和固态继电器组成。固态继电器的输入控制端是TTL电平，锁存电路可以直接驱动，总线数据通过隔离驱动以及锁存后，控制固态继电器的输入端，在输出端产生所需要的离散量输出(28 V/开或地/开)，电阻R用于限流，防止输出短路时，电流过大烧坏固态继电器[3]。该电路在一些复杂机载电子设备中应用于特殊类型离散量输出。这种接口电路的优点是可以实现内部控制信号与外部电路的电气隔离，驱动简单，固态继电器没有机械触点，没有触点弹跳带来的输出不稳以及寿命短的问题，固态继电器输出电流从几十毫安到十几安培的都有；缺点是通过固态继电器和分立电阻电容等器件搭建电路，体积、重量和成本较高，另外输出的过流过压和过热保护比较难做，需要占用大量的辅助电路和资源；如果能够将保护监控电路做在固态继电器内，将是一种很有前途的离散量输出电路。
3.2 非隔离型离散量输出接口电路处理
许多用于LED等驱动的场合需要几个到十几个毫安的小电流，常用如图4所示的电路。它由总线驱动锁存电路以及达林顿阵列组成，可以方便地输出地/开型离散量。这种电路的优点是：控制简单，驱动电路有集成电路可用，芯片带有电流泄放管脚，可以驱动感性负载。缺点是：无法实现内外电路的隔离，驱动电流较小，如果要进行异常保护也需要大量的辅助电路，占用较多资源。
3.3 集成电路实现离散量的输出接口处理
目前，最新的离散量输出接口电路处理方式是单片式集成电路，芯片内集成有完整的自保护功能。国外的英飞凌公司的BTS系列高边控制器以及Intersil公司的HIP系列低边控制器可供用户选择[5]。这类器件都是将离散量输出、智能保护、故障指示等整合进单片集成芯片内，广泛应用于机载设备和工业控制领域。
4 基于HKA2330芯片的离散量输出接口电路
随着集成电路设计技术的发展及国内对自主知识产权的需求，国内的元器件研制单位也竞相研制此类复杂的接口电路，其中西安翔腾公司以机载电子设备中通用离散量输出处理方式为需求，成功研制了HKA2330芯片，其功能类似于BTS410。下面以HKA2330为例介绍该类芯片。
传统离散量输出电路对于像过压过流保护、温度异常、雷电防护等异常保护时，需要采用分离元器件对各种异常进行保护，其由于电路繁杂、元器件众多增加了电路板面积，造成可靠性降低，增加了设计人员的设计难度。集成各种异常保护的集成电路在这种情况下是一种趋势。
作为国产离散量输出处理芯片，HKA2330芯片涵盖机载电子设备中常用异常保护电路的各种情况，并且具有集成化和小型化的优点，非常适合于在日益复杂庞大的机载电子设备中使用。
HKA2330的内部功能组成包括ESD防护电路、逻辑电路、电压源、电压传感器、过压保护、过流保护、门级保护、电荷泵电平整流器、感性负载钳位限制、负载开路检测、温度传感器及短路检测等。其内部功能原理图见图5。
HKA2330的研制成功可以代替目前电子设备中的许多分立元器件电路，主要有：
(1)机载环境下28 V电源的接地负载驱动，具有与微处理器兼容的接口，并带有诊断反馈功能；
(2)感性负载；
(3)代替继电器、熔断器和离散量输出电路等。
HKA2330作为离散量功率输出控制及安全保护芯片，主要功能有：
(1)过载保护；
(2)输出电流限制；
(3)短路电流保护；
(4)过热关断，内部嵌有温度传感器，过热时，自动保护；
(5)过压保护（包括负载突降），防止外部电压过高烧坏负载；
(6)感性负载快速消磁，能够适应电机等负载闭环控制的场合；
(7)电源极性反向保护，防止外部接错电源极性；
(8)带有自动复位和迟滞的欠压和过压关断；
(9)漏极开路诊断输出和其他故障输出指示，为系统PHM提供支持；
(10)关断状态下的负载开路检测；
(11)CMOS兼容的输入；
(12)地和电源开路保护。
5 系统应用
某型号飞机机载计算机中，要求输出1路离散量用于驱动阀门开关，离散量具有大电流和高电压驱动能力。系统设计中对升压后的驱动离散量进行输出异常保护，传统的设计方法是：分别设计过压/欠压保护电路、过流保护电路、温度检测电路，并通过CPU实时查询控制，增加了设计人员的工作量。经分析研究后，采用集成电路HKA2330芯片实现离散量输出处理电路简洁方便，电路实现框图如图6所示。
通过对国产HKA2330芯片的系统应用，可体现出我国机载航空电子系统使用单片集成电路产生离散量驱动输出的优点，主要有：
(1)统一的CMOS接口规范，大大简化了电路设计，提高了系统的抗干扰能力，完善了系统的保护功能。
(2)故障指示功能为实现系统的PHM提供了物理基础和实现手段。
(3)内部集成的自保护功能，省去了保护电路所需要的大量元器件、辅助电路以及软件逻辑控制，大幅度减轻系统的重量、体积和功耗，大大提高了系统的可靠性。
(4)提高了整个系统的技术水平，实现了离散量输出处理技术的跨代发展，达到了国际先进水平。
6 结束语
从完全分立元器件搭建到分立元器件与电磁继电器或固态继电器组合搭建，最后发展到单片集成电路设计，离散量输出接口电路的优缺点对比见表1。其特点主要是：电路集成化，辅助电路大大简化，功能及保护完善，效率提高，简化设计，节省资源和成本。通过分析可以看出，离散量输出电路使用单片集成电路形式实现，必将会成为未来发展的趋势。
参考文献
[1] 王萌，成书锋，李亚锋.机载计算机内离散量接口功能的设计方法[J]．计算机技术与发展，2015，25（2）：207-211.
[2] 王锐.计算机接口处理模块及自测试设计[J]．航空计算技术，2013，43（1）：123-126.
[3] 惠晓强.某管理计算机便携式测试设备的设计与研究[J]．航空计算技术，2006，36（5）：22-26.
[4] 徐荣锦.一种简单可靠离散量信号电路的设计与实现[J]．电子设计工程，2013，21（5）：130-133.
[5] 杨振江，孙占彪，王曙梅，等.智能仪器与数据采集系统中的新器件应用[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2002.