一種機載高可靠離散量輸入輸出系統(tǒng)設(shè)計

摘要：飛機機電管理控制器對于保證飛機的正常飛行起著非常關(guān)鍵的作用，而如今飛機上各種機電設(shè)備越來越復(fù)雜的情況下，對于離散量信號的輸入輸出可靠性有著越來越高的需求。本系統(tǒng)通過合理的硬件設(shè)計，實現(xiàn)了具有自測試功能的冗余硬件配置，同時結(jié)合通道管理設(shè)計，保證了離散量信號采集和輸出的高可靠性，具備較強的應(yīng)用價值。

0 引言

近年來，航空業(yè)發(fā)展突飛猛進，飛機上的儀器設(shè)備正在朝多電式，全電式的方向發(fā)展。機電管理控制器作為飛機上機電設(shè)備的控制“大腦”，需要處理越來越多的機電信號。而機上惡劣的工作環(huán)境和飛行安全要求的迫切性對機電信號處理的可靠性提出了很高的要求。在空中復(fù)雜的環(huán)境條件下，在大氣壓力、鹽霧、電磁干擾、溫度、濕度、振動和加速度多種因素的影響下保證電路的穩(wěn)定性是所有航空電子設(shè)備面臨的問題。本文在設(shè)計中充分考慮電路的性能和防護，通過單個電路的詳細設(shè)計堆疊保證整個系統(tǒng)的可靠性。在滿足基本電路性能的基礎(chǔ)上，通過測試性電路和通道冗余配置，極大的提高了系統(tǒng)的可靠性，提升了傳統(tǒng)簡單設(shè)計在可靠性方面的潛力。

1 總體系統(tǒng)方案設(shè)計

對于飛機機電信號而言，開關(guān)離散量信號是一種常見信號。離散量信號多負責機電設(shè)備的狀態(tài)指示和開關(guān)動作，比如起落架系統(tǒng)中艙門狀態(tài)，作動筒位置，照明系統(tǒng)中信號燈開關(guān)，等等。離散量信號包括28V/開、地/開、115V交流/開等多種制式，本文主要針對28V/開和地/開離散量信號進行詳細設(shè)計。在系統(tǒng)中，輸入離散量信號從各個機電子設(shè)備而來，采集輸送給機電控制器。輸入信號需要通過相應(yīng)的調(diào)理電路，轉(zhuǎn)換成FPGA標準的IO信號進行采集。FPGA的內(nèi)核訪問這些I/O獲取外部接口數(shù)據(jù)，通過雙口RAM提供給主處理器，同時FPGA的內(nèi)核也通過雙口RAM獲取主處理器要求輸出的數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)輸出相應(yīng)的I/O，經(jīng)過外部驅(qū)動后控制負載。離散量的輸入和輸出均采用雙通道的冗余設(shè)計，提高了可靠性。CPLD主要作用是獲取健康判定信號，通過一定的邏輯處理輸出給FPGA作為通道選擇的依據(jù)?？傮w設(shè)計方案如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

2.1 離散量輸入信號

2.1.1 28V/開離散量輸入信號

單路離散量輸入信號通過兩個完全一致的冗余電路進行采集，通過光耦將信號轉(zhuǎn)換為標準TTL信號，同時實現(xiàn)了外部接口電路和內(nèi)部電路的隔離，提高了安全性和可靠性。

28V激勵源由機上電源提供，目的是做自測試使用。自測試電路的增加，有利于快速的發(fā)現(xiàn)和定位故障并進行隔離，有效的提高了整機的可靠性、測試性指標。為了保證自測試電路不對采集電路造成干擾，V1二極管可以防止28V激勵源對外部輸入信號源的影響，V2、V3二極管可以防止在自測試狀態(tài)時，每個光耦輸入端互相影響。

為了能夠?qū)㈦x散量的采集范圍控制在適應(yīng)機上供電波動的合理范圍內(nèi)，光耦的選型需要滿足一定的條件。選擇光耦的導(dǎo)通電流為0.5mA，導(dǎo)通時光耦壓降為1.4V，再根據(jù)二極管和穩(wěn)壓管的導(dǎo)通特性，可以得知最低的輸入導(dǎo)通電壓為0.5*10+6.2+1.4+0.7=13.3V。而當輸入信號發(fā)生高的拉偏時(典型值為32V)，此時光耦能夠?qū)ú⑶覍?dǎo)通電流為(32-6.2-1.4-0.7)/10=2.37mA，小于導(dǎo)通電流的最大值5mA，光耦正常導(dǎo)通。上述分析的采集電壓范圍保證了在飛機上信號源受到干擾而發(fā)生拉偏的時候，本系統(tǒng)仍然能夠采集到正確的值。

2.1.2 地/開離散量輸入信號

地/開離散量輸入信號采集與28V/開信號原理類似，只是光耦導(dǎo)通情況相反。當28V輸入時導(dǎo)通，開路時不導(dǎo)通;而地/開輸入信號時不導(dǎo)通，開路時導(dǎo)通。原理如圖3所示。

光耦選型不變，穩(wěn)壓管選型為壓降3.9V型，這樣當內(nèi)部電源拉偏為18V-32V的范圍內(nèi)時，光耦導(dǎo)通電流為0.635mA至1.335mA，光耦正常導(dǎo)通。當外部輸入信號為9.6V以下時，光耦均不導(dǎo)通，也就是能夠采到“地”的狀態(tài)。這也滿足了機上要求。而光耦在兩種電路上選型一致，提高了系統(tǒng)的可維修性和保障性，通過對被選型光耦的充分驗證，也在實際上提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.2 離散量輸出信號

2.2.1 28V/開離散量輸出信號

離散量輸出信號的實現(xiàn)原理是通過FPGA輸出信號經(jīng)過驅(qū)動之后控制繼電器直接輸出。在輸出線路上串聯(lián)二極管和可恢復(fù)熔斷絲，二極管用于雙通道之間的輸出隔離，熔斷絲用于過流保護。

雙通道的設(shè)計實現(xiàn)了冗余輸出，進一步配合CPLD的通道故障邏輯的通道管理，提高系統(tǒng)的可靠性。通過回繞的方法進行自測試，可以有效的監(jiān)控通道狀態(tài)，提高可測試性。

2.2.2 地/開離散量輸出信號

原理與28V/開輸出類似，如圖5所示。

3 通道管理設(shè)計

前述雙通道和自檢電路的硬件設(shè)計，為的是提高整個系統(tǒng)的可靠性和可測試性。為了實現(xiàn)這一目的，相應(yīng)的通道管理也是非常重要的。

3. 1 離散量輸入通道管理

離散量輸入主要是對采集到得狀態(tài)進行上報，可以根據(jù)相應(yīng)通道的BIT結(jié)果確定置信通道。因此其管理可以通過軟件進行。在采用C語言編寫的主程序內(nèi)，按照一定的策略實現(xiàn)了雙通道比較處理。其流程圖如圖6所示。

3.2 離散量輸出通道管理

離散量輸出控制機上電機動作，屬于關(guān)鍵離散量。在正常情況下，兩個通道的離散量輸出同時有效輸出。當系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某個通道的BIT存在故障時，應(yīng)該第一時間通過軟件關(guān)斷該輸出。但是在某些情況下，比如光耦被擊穿的情況，軟件無法關(guān)閉該通道。這時候就需要其他方法關(guān)斷。為了增強通道管理的有效性，將離散量輸出分為若干組，每一組增加一個二級繼電器進行組控管理。設(shè)計如圖7所示。

其中繼電器的輸出連接至需要控制的離散量輸出的“地”端或者“28V”端，只有當繼電器閉合時候，相應(yīng)的離散量才能夠輸出。

CPLD上的通道故障邏輯也是通過上述繼電器組控電路起作用的。通道故障邏輯可以接受來自CPU和其他模塊的健康指示信號，判定某一個通道的有效性。這也很大程度上提高了通道管理的有效性和準確性。在通道故障邏輯的設(shè)計中，需要防止一種“過度保護”的局面出現(xiàn)。即如果兩個通道相關(guān)的健康判定信號都表示有誤，那么就會關(guān)閉兩個通道從而導(dǎo)致沒有輸出通道能夠正常輸出。正確的做法是，如果兩個通道陸續(xù)出現(xiàn)錯誤，應(yīng)當至少保證一個通道能夠工作。在邏輯的設(shè)計中可以通過D觸發(fā)器的特性巧妙的實現(xiàn)。示意如圖8示。

在使能端有效的情況下，D觸發(fā)器的輸出端隨輸入端變化而變化：否則輸出端保持不變。如果將另～通道有效信號作為D觸發(fā)器的使能信號，則可保證當有一個通道失效時，另一通道恒為保持有效。

4 系統(tǒng)可靠性分析

任務(wù)可靠性是產(chǎn)品在執(zhí)行任務(wù)過程中完成規(guī)定功能的程度。對于處于高速飛行狀態(tài)的飛機，機電設(shè)備的每一個動作都對飛行安全有著重大的影響，因此機電系統(tǒng)的任務(wù)可靠度是評價其好壞的重要指標。

首先分析在傳統(tǒng)的單通道設(shè)計的情況下系統(tǒng)的可靠性。對于單通道的設(shè)計，離散量輸入輸出系統(tǒng)整個任務(wù)可靠性框圖如圖9所示：

這是一個典型的單元串聯(lián)可靠性模型。按照可靠性模型理論，可靠度R(t)符合指數(shù)分布。

如果每一個單元都有一個常數(shù)的故障率λi，則系統(tǒng)可靠度可以表示為

式中λs即為系統(tǒng)故障率。根據(jù)經(jīng)驗置三個框圖對應(yīng)的平均故障前時間MTTF分別為10000/小時，8500小時，9000小時，則可根據(jù)MTTFs=1/λs推知系統(tǒng)總的平均故障前時間為3041.75小時。

本文設(shè)計的系統(tǒng)為輸入和輸出均為雙通道，對應(yīng)的任務(wù)可靠性框圖如圖10所示：

可以看出系統(tǒng)是一個并-串聯(lián)的混聯(lián)系統(tǒng)。則可推算系統(tǒng)總的任務(wù)可靠度

同樣按照單元可靠性符合指數(shù)分布的假設(shè)，可以推知系統(tǒng)總的平均故障前時間算式：

用數(shù)學(xué)工具MATLAB計算得到MTT為4807.86小時，可以發(fā)現(xiàn)通過雙通道的設(shè)計之后，任務(wù)可靠性得到了很大的提升。

5 結(jié)束語

本文針對機載設(shè)備對離散量輸入輸出的需求，介紹了一種高可靠的離散量采集和輸出系統(tǒng)。通過合理的器件選型滿足了電路基本性能的需要，同時通過自測試電路的設(shè)計，提高了系統(tǒng)的測試性和可靠性。在硬件雙通道配置的基礎(chǔ)上，通過合理的通道管理，保證了整個系統(tǒng)的可靠性。最后的理論推算表明，雙通道的設(shè)計能夠有效的提升系統(tǒng)的任務(wù)可靠度。本系統(tǒng)已經(jīng)在某型軍用項目上實際使用，并已通過各種試驗驗證，性能穩(wěn)定可靠。