一種機載高可靠離散量輸入輸出系統設計

摘要：飛機機電管理控制器對于保證飛機的正常飛行起著(zhù)非常關(guān)鍵的作用，而如今飛機上各種機電設備越來(lái)越復雜的情況下，對于離散量信號的輸入輸出可靠性有著(zhù)越來(lái)越高的需求。本系統通過(guò)合理的硬件設計，實(shí)現了具有自測試功能的冗余硬件配置，同時(shí)結合通道管理設計，保證了離散量信號采集和輸出的高可靠性，具備較強的應用價(jià)值。

0 引言

近年來(lái)，航空業(yè)發(fā)展突飛猛進(jìn)，飛機上的儀器設備正在朝多電式，全電式的方向發(fā)展。機電管理控制器作為飛機上機電設備的控制“大腦”，需要處理越來(lái)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(dòng)和加速度多種因素的影響下保證電路的穩定性是所有航空電子設備面臨的問(wèn)題。本文在設計中充分考慮電路的性能和防護，通過(guò)單個(gè)電路的詳細設計堆疊保證整個(gè)系統的可靠性。在滿(mǎn)足基本電路性能的基礎上，通過(guò)測試性電路和通道冗余配置，極大的提高了系統的可靠性，提升了傳統簡(jiǎn)單設計在可靠性方面的潛力。

1 總體系統方案設計

對于飛機機電信號而言，開(kāi)關(guān)離散量信號是一種常見(jiàn)信號。離散量信號多負責機電設備的狀態(tài)指示和開(kāi)關(guān)動(dòng)作，比如起落架系統中艙門(mén)狀態(tài)，作動(dòng)筒位置，照明系統中信號燈開(kāi)關(guān)，等等。離散量信號包括28V/開(kāi)、地/開(kāi)、115V交流/開(kāi)等多種制式，本文主要針對28V/開(kāi)和地/開(kāi)離散量信號進(jìn)行詳細設計。在系統中，輸入離散量信號從各個(gè)機電子設備而來(lái)，采集輸送給機電控制器。輸入信號需要通過(guò)相應的調理電路，轉換成FPGA標準的IO信號進(jìn)行采集。FPGA的內核訪(fǎng)問(wèn)這些I/O獲取外部接口數據，通過(guò)雙口RAM提供給主處理器，同時(shí)FPGA的內核也通過(guò)雙口RAM獲取主處理器要求輸出的數據，根據這些數據輸出相應的I/O，經(jīng)過(guò)外部驅動(dòng)后控制負載。離散量的輸入和輸出均采用雙通道的冗余設計，提高了可靠性。CPLD主要作用是獲取健康判定信號，通過(guò)一定的邏輯處理輸出給FPGA作為通道選擇的依據?？傮w設計方案如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 離散量輸入信號

2.1.1 28V/開(kāi)離散量輸入信號

單路離散量輸入信號通過(guò)兩個(gè)完全一致的冗余電路進(jìn)行采集，通過(guò)光耦將信號轉換為標準TTL信號，同時(shí)實(shí)現了外部接口電路和內部電路的隔離，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)現和定位故障并進(jìn)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(shí)，每個(gè)光耦輸入端互相影響。

為了能夠將離散量的采集范圍控制在適應機上供電波動(dòng)的合理范圍內，光耦的選型需要滿(mǎn)足一定的條件。選擇光耦的導通電流為0.5mA，導通時(shí)光耦壓降為1.4V，再根據二極管和穩壓管的導通特性，可以得知最低的輸入導通電壓為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(shí)(典型值為32V)，此時(shí)光耦能夠導通并且導通電流為(32-6.2-1.4-0.7)/10=2.37mA，小于導通電流的最大值5mA，光耦正常導通。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(shí)候，本系統仍然能夠采集到正確的值。

2.1.2 地/開(kāi)離散量輸入信號

地/開(kāi)離散量輸入信號采集與28V/開(kāi)信號原理類(lèi)似，只是光耦導通情況相反。當28V輸入時(shí)導通，開(kāi)路時(shí)不導通;而地/開(kāi)輸入信號時(shí)不導通，開(kāi)路時(shí)導通。原理如圖3所示。

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

2.2 離散量輸出信號

2.2.1 28V/開(kāi)離散量輸出信號

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

雙通道的設計實(shí)現了冗余輸出，進(jìn)一步配合CPLD的通道故障邏輯的通道管理，提高系統的可靠性。通過(guò)回繞的方法進(jìn)行自測試，可以有效的監控通道狀態(tài)，提高可測試性。

2.2.2 地/開(kāi)離散量輸出信號

原理與28V/開(kāi)輸出類(lèi)似，如圖5所示。

3 通道管理設計

前述雙通道和自檢電路的硬件設計，為的是提高整個(gè)系統的可靠性和可測試性。為了實(shí)現這一目的，相應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(jìn)行上報，可以根據相應通道的BIT結果確定置信通道。因此其管理可以通過(guò)軟件進(jìn)行。在采用C語(yǔ)言編寫(xiě)的主程序內，按照一定的策略實(shí)現了雙通道比較處理。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(dòng)作，屬于關(guān)鍵離散量。在正常情況下，兩個(gè)通道的離散量輸出同時(shí)有效輸出。當系統發(fā)現某個(gè)通道的BIT存在故障時(shí)，應該第一時(shí)間通過(guò)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(wú)法關(guān)閉該通道。這時(shí)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(gè)二級繼電器進(jìn)行組控管理。設計如圖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(shí)候，相應的離散量才能夠輸出。

CPLD上的通道故障邏輯也是通過(guò)上述繼電器組控電路起作用的。通道故障邏輯可以接受來(lái)自CPU和其他模塊的健康指示信號，判定某一個(gè)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計中，需要防止一種“過(guò)度保護”的局面出現。即如果兩個(gè)通道相關(guān)的健康判定信號都表示有誤，那么就會(huì )關(guān)閉兩個(gè)通道從而導致沒(méi)有輸出通道能夠正常輸出。正確的做法是，如果兩個(gè)通道陸續出現錯誤，應當至少保證一個(gè)通道能夠工作。在邏輯的設計中可以通過(guò)D觸發(fā)器的特性巧妙的實(shí)現。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(gè)通道失效時(shí)，另一通道恒為保持有效。

4 系統可靠性分析

任務(wù)可靠性是產(chǎn)品在執行任務(wù)過(guò)程中完成規定功能的程度。對于處于高速飛行狀態(tài)的飛機，機電設備的每一個(gè)動(dòng)作都對飛行安全有著(zhù)重大的影響，因此機電系統的任務(wù)可靠度是評價(jià)其好壞的重要指標。

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

這是一個(gè)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)符合指數分布。

如果每一個(gè)單元都有一個(gè)常數的故障率λi，則系統可靠度可以表示為

式中λs即為系統故障率。根據經(jīng)驗置三個(gè)框圖對應的平均故障前時(shí)間MTTF分別為10000/小時(shí)，8500小時(shí)，9000小時(shí)，則可根據MTTFs=1/λs推知系統總的平均故障前時(shí)間為3041.75小時(shí)。

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

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

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

用數學(xué)工具M(jìn)ATLAB計算得到MTT為4807.86小時(shí)，可以發(fā)現通過(guò)雙通道的設計之后，任務(wù)可靠性得到了很大的提升。

5 結束語(yǔ)

本文針對機載設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。通過(guò)合理的器件選型滿(mǎn)足了電路基本性能的需要，同時(shí)通過(guò)自測試電路的設計，提高了系統的測試性和可靠性。在硬件雙通道配置的基礎上，通過(guò)合理的通道管理，保證了整個(gè)系統的可靠性。最后的理論推算表明，雙通道的設計能夠有效的提升系統的任務(wù)可靠度。本系統已經(jīng)在某型軍用項目上實(shí)際使用，并已通過(guò)各種試驗驗證，性能穩定可靠。