(1.中航工业西安航空打算技能研究所，陕西 西安710068；
2.集成电路与微系统设计航空科技重点实验室，陕西，西安710068；3.西安翔腾微电子科技有限公司，陕西 西安710068)
摘 要：传统离散量旗子暗记接口电路器件由于数量多、重量大、占用板面历年夜、可靠性低，已无法知足航空机载系统离散量采集过程的小型化、集成化、高可靠性的哀求。设计了一种自主离散量输入接口芯片，核心电路中采取端口有源泄放、SCR构造端口防护电路和缺点隔离等关键设计增强数据可信度。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‰，有效办理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。
中图分类号：TN492
文献标识码：A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.03.003
中文引用格式：邵刚，郎静，谢运祥. 一种自主离散量输入接口芯片设计与实现[J].电子技能运用，2016，42(3)：9-12.
英文引用格式：Shao Gang，Lang Jing，Xie Yunxiang. A discrete quantity input interface chip design and implementation[J].Application of Electronic Technique，2016，42(3)：9-12.
0 弁言
面对日趋繁芜的未来机载系统，离散量旗子暗记处理量不断增大，旗子暗记带宽急剧增高，功能日趋繁芜，现有的离散量处理方案已无法知足系统对离散量旗子暗记切换速率、小型化、可靠性等诸多方面的哀求[1]，同时现有离散量方案的防护性哀求使得系统进行小型化改进困难，因此急迫须要一种革命性的手段，能够系统办理传统方案在体积、重量、功耗、灵巧性等方面的毛病，更能够适应未来高性能机载电子系统对高带宽、高可靠离散量旗子暗记综合处理和环境应力防护等指标的哀求[2]。深入研究各种离散量旗子暗记转换及处理技能方案和产品特点，结合离散量旗子暗记的电气特点和环境特点，综合、抽取各种运用模式和需求特点，研究设计了一款具有自主知识产权的离散量旗子暗记接口芯片。
1 离散量旗子暗记接口芯片架构
设计一款离散量接口芯片，首先要知足离散量接口的紧张功能，即把航空机载系统中的浩瀚离散量转换成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。为担保转换的可靠性及准确性，内部产生主从时钟旗子暗记，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、冗余模式及浩瀚的报错模式，可通过外部地址去查询缺点信息。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办法。
2 离散量旗子暗记接口芯片核心单元
2.1 离散量采集单元
离散量采集单元为离散量旗子暗记接口芯片核心电路，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、自检掌握单元、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，使芯片运器具有更大的灵巧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，端口一定会留下残余电荷。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]，并涌现缺点的转换状态，造成严重的后果，以是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，担保下次离散量的正常采集。
自检掌握单元是端口的关键掌握部分，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旗子暗记，以是比较器不须要较快的速率，只哀求比较用具有高可靠性即可。该比较器在上电瞬间，被power on旗子暗记关断输出，担保芯片在全体上电过程中处于一种正常的事情状态。
2.2 上电自检单元
为了担保每个离散量采集单元模块采集与输出的精确性，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事情状态正常与否，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旗子暗记(test_en=1)，并封锁离散量输入端口，启动内部自检旗子暗记勉励，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，如有端口缺点，自检会报错，但并不影响其他端口正常事情。
2.3 防抖动单元
继电器和开关在传输旗子暗记切换时有弹跳特性，因此须要延时输出旗子暗记来屏蔽掉这样的弹跳旗子暗记。采取可编程的采样速率来屏蔽bounce旗子暗记。此模块设定三个采样周期为一大周期，每个大周期输出旗子暗记bounce、data和DMA_interupt。
所设计抖动屏蔽模块的事情流程如图3所示。以一起离散量输入旗子暗记为例，首先判断是否事情于DMA模式，若无，则设置初始值i=0。输入旗子暗记分成bounce监测、数据采样和DMA模式三条岔路支路完成任务。
(1)bounce监测。监测第0个窗口，在窗口韶光内检测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的前沿做为采样旗子暗记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，实行i=i+1操作，赋值i=1，重新实行1和2的操作，bounce窗口变为b1，采样旗子暗记变更为s1，结果写入相应的寄存器的第1位；
(4)由于1≠2，因此实行i=i+1操作，赋值i=2，重新实行1和2的操作，bounce窗口变为b2，采样旗子暗记变更为s2，结果写入相应寄存器的第2位；
(5)实行上述步骤后，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旗子暗记发生上升沿或者低落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器操作，随意马虎产生伪状态，受离散韶光采样的限定，无法及时甄别缺点，在采取光耦或比较器平分立器件搭建的系统方案中，很难及时创造缺点的状态转换，因此可信度较差。
针对传统方案中不校验离散量状态精确性的毛病，本项目在进行离散量转换和处理中，对可能的缺点模式拟采取实时监控和故障隔离机制，将转换缺点按严重程度区分为“软缺点”与“硬缺点”，个中“硬缺点”属于严重缺点，危害翱翔安全，缺点直接以中断的形式给出；“软缺点”属于有时性、低风险的缺点，该类缺点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缺点隔离方法提高离散量转换的可信度，而且该故障隔离电路供应优先级不同的缺点机制，提高了故障的定位效率。
3 片内闪电间接雷防护
在航空系统运用中哀求器件具有较好的防护性能，可运用于恶劣环境中。该模块与离散量旗子暗记的机器电气部分直接连接，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构造，如图4和图5所示，电路的主体为SCR保护构造，包括反接的对地高压二极管、寄生的SCR构造、限流电阻Rs以及耐压保护构造。利用SCR构造形成正反馈机制，加速电流泄放，更好地保护离散量端口，与此同时，版图设计中采纳隔离技能约束高压和输入电荷的影响。该离散量旗子暗记接口芯片为海内首个进行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，对其进行布局方案，包括单元电路的摆放位置和端口的排列顺序摆放位置。根据方案将各个模块连接构建整体版图，各个模块之间连线采取metal1和metal2敏感节点，参考节点采取metal3，并避免与时钟、数据的纵向交叉，metal4采取电源、地交叉布线的办法隔离噪声，末了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]。
项目采取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旗子暗记转换及处理技能方案和产品特点，结合离散量旗子暗记的电气特点和环境特点，综合、抽取各种运用模式和需求特点。核心电路中采取端口有源泄放、SCR构造端口防护电路和缺点隔离等关键设计增强数据可信度，已流片验证。相对付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‰，有效办理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
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[2] 徐忠锦．一种大略可靠离散量旗子暗记电路的设计和实现[J]．电子设计工程，2013，21(5)：130-133．
[3] 田心宇，张小林，吴海涛，等．机载打算机BIT 设计技能及策略研究[J]．打算机丈量与掌握，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]．当代电子技能，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辅导[M].北京：科学出版社，2004．
