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机载计算机内离散量接口功能的设计方法

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第25卷第2期 2015年2月 计算机技术与发展 COMPUTER TECHN0LOGY AND DEVELOPMENT Vo1.25 No.2 Feb. 2015 机载计算机内离散量接口功能的设计方法 王 萌,成书锋,李亚锋 (中航工业计算所,陕西西安710065) 摘要:文中论述了机载(数字式)计算机中离散量接口功能模块的设计方法,设计要求在满足基本功能需求的基础上,应 通过元器件选型、降额、鲁棒性提升等措施来满足整机对模块的可靠性要求。可测试性设计要求设计人员在完成电路的 设计过程中不仅需要做到功能实现的完备,同时要求所设计的模块能够便利快捷地完成测试任务。安全性设计方面,在 机载应用环境下用于指示故障的离散量必须能够及时确切地申报出故障状态以触发告警提示,文中给出了一种具有确切 指示能力的离散信号申报电路的设计方法。全文从基本功能、可测试性、可靠性、安全性等几方面论述了离散量接口功能 电路的设计思想并给出了原理框图可供设计人员参考。 关键词:离散量功能;机载计算机;测试性;可靠性;鲁棒性;安全性 中图分类号:TP301 文献标识码:A 文章编号:1673—629X(2015)02-0207—05 doi:10.3969/j.issn.1673—629X.2015.02.047 Design Method of Discrete I/o Function in Airborne-computer WANG Meng,CHENG Shu—feng,LI Ya-feng (Aeronautic Computing Technique Research Institute,Xi’all 710065,China) Abstract:It discusses the design method of discrete I/O function module in airborne-computer,the design requires that on the basis of meeting the demand of basic functions,should adopt the measurements,such as the components selection,derating,increasing robustness, to meet the requirements of reliability for he motdule.Testability demands a designer pay aRention not only to achieve a perfect function, but also to implement high coverage fault detection on hardware.On safety design,the dispersed quantity to indicate a fault in airborne ap— plication environment must be able to timely and exactly declare a fault condition tO trigger the alarm prompt,in this paper present a de- sign method of discrete signal declaring circuit with exact instructions ability.In this paper,describe he dtesign idea for the discrete I/O unctfion circuit from basic function,testability,reliability and safety and SO on,and give an arc}Iitecmre graph about it for reference. Key words:discrete quantity function;airborne-computer;testability;elriabiliy;trobustness;safety 1基本功能 航空机载系统内的计算机需要通过采集离散量信 路、数字采集电路几个部分,后者将数字信号转换为系 统定义的离散量信号进行驱动输出。输入隔离电路用 号(或称开关量)以获取系统的相关状态或指令信息, 并输出离散量信号实现对状态的指示。离散量信号通 常划分为“地/开”“电压/地”“电压/开”(“开”指开路 于实现信号源和内部处理电路的隔离,同时具备滤波 功能(用于消除信号的抖动)。前端处理电路将输入 的离散量信号转换为数字电平信号,可选用多种实现 方式,如可采用光电隔离器件实现信号的转换,也可以 电压比较器为核心实现离散量信号向数字电平的转 换。不论采用何种实现方式,在前端处理电路中设计 过压保护功能是必不可少的,当信号源故障而产生了 超过转换电路的处理门限电压时,过压保护电路应把 过压信号钳位到有效的电压范围内,对整个模块起到 防护作用。设计前端电路时应考虑阻抗匹配,不能影 响其他设备对该信号的使用。为提高数据采集速率, 网络出版时间:2014—12-27 状态)三种类型,其中的“电压”依据系统要求的不同 可以是+l0 V、+15 V、+28 V等形式。计算机内离散 量输入输出接口功能就是在这些外部信号与机内主处 理器模块之间架起一道桥梁,将输入的离散量信号转 换成主处理器可处理的数字信号,同时将数字状态信 号转化成系统所需的离散量信号后进行驱动输出。 离散量接口的基本功能设计上分为输入和输出两 大部分,前者有输入隔离电路、前端处理电路、锁存电 收稿日期:2014—01—08 修回日期:2014—04—10 基金项目:国家“863”高技术发展计划项目(2007AAl386) 作者简介:王萌(1976一),男,高级工程师,从事机载嵌入式容错计算机的研发工作。 网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detaiL/61.1450.TP.20141227.1339.002.html ・208・ 计算机技术与发展 第25卷 多个输入离散量信号被转换成数字信号后的逻辑状 态,通过锁存电路并行锁存后用于主处理器采集。 离散量接口功能组成包括控制电路,实现机内主 处理器对离散量接口的可控。控制电路采用隔离缓冲 驱动器对主处理模块的数据总线、控制总线、地址总线 (数字接口通用设计思想)进行物理隔离。控制电路 内的译码电路对地址信号进行译码,并结合控制总线 上信号(读、写、数据有效、周期结束等信号)形成对模 块内部的控制,包括写指令锁存数据以选择当前需采 计算机为例,使用中的测试分为上电自测试、飞行前自 测试、维护自测试和飞行中自测试四类。这一系列测 试的目的是尽可能充分检测机内的电路资源。航空电 子系统BIT设计中,通常采用故障检测率、故障隔离 率、虚警率等指标来度量BIT的好坏 ,一般系统对 计算机自测试覆盖率的要求达到95%以上,只有将测 试性设计思想融人至计算机内部各个功能模块的具体 设计上,才可确保整台机器的测试覆盖率满足顶层系 统指标。离散量接口模块内针对输入和输出分别设计 有激励测试电路和回绕检测电路,回绕检测电路用于 集的离散输入信号、启动读数据操作获取数字结果等 操作。 检测离散量输出信号,激励测试电路用于对每一路输 入信号路径进行检测。检测方法为模块自身的激励电 路产生与输入类型对应的离散量信号加至正常输入电 路的前端,再通过采集信号同激励原值进行比较判别 出结果。为充分利用激励信号源,设计多路选通电路 将测试激励选择性地依次对各路输入信号施加激励。 离散量输入激励测试可在上电自测试、飞行前自测试、 实现基本功能并不意味设计的完成,良好的设计 包括:是否支持自测试,自测覆盖率、可靠性、安全性设 计是否适应系统需求等因素…。 2测试性设计 可测试性设计要求所设计的功能模块能够便利快 捷地完成测试任务 。机载数字式计算机相对模拟 式计算机而言,其中优势之一在于具备了机内自检测 功能,通过自测试发现、定位故障,实现故障记录并输 出告警。随着机载计算机系统复杂性的增加,BIT的 功能不仅是维护性的需求,还是提高机载计算机的可 维护自测试这三种测试状态下进行,当任务正常运行 时应该确保激励电路不使激励信号加到输入端口干扰 正常输入信号,安全的做法是使用计算机内部全局的 “白测使能”信号禁止激励信号的输出。更进一步,可 在各级电路上设计引出测试点至模块外,以支持地面 检测设备对模块的全面测试。回绕测试可以在所有状 态下执行以监控输出电路是否有效。 在图1和图2中分别直观地展示了离散量接口模 块输入、输出功能的原理组成,示意了各个电路部分之 靠性、可维护性及安全性的重要手段 。研究表明, 在复杂航空电子系统中使用BIT技术可以提高系统 诊断能力,并至少可降低50%的维修时间,从而最终 降低设备的总体维护费用 。以典型的机载数字式 图1 离散量输入功能原理图 图2 离散量输出功能原理图 第2期 王萌等:机载计算机内离散量接口功能的设计方法 -209・ 间的相互关系。整个模块由采集电路和控制电路两大 部分组成。图1中前级处理电路部分包含输入隔离和 滤波消抖,同时对“地/开”信号处理电路中应采取有 效的端接措施。激励电路可产生预制的激励信号,在 “测试使能”信号有效的前提下输出至前端离散量处 理电路。图2中对离散量输出信号采用两级回绕检测 电路,用于实现对输出状态的实时监控。 3可靠性设计 计算机系统的可靠性是指系统在规定条件下,规 定时间内完成规定功能的能力 。采用余度技术是 提高系统任务可靠性的一种主要和常用手段 ,当然 提升每一余度计算机通道所固有的基本可靠性是保证 全系统可靠性的基础。机载计算机在设计初期会对内 部各个功能组成进行可靠性指标分配,为减小基本失 效数增加平均无故障工作时间,保证产品基本可靠性 的方法包括 (1)元件选择,采用高等级的元器件并尽量选用 制造成熟且集成度高的元件; (2)降额设计,即在元件额定功耗、资源分配、工 作速率等方面均应留有余量,以延长元件使用寿命; (3)鲁棒性设计,提升电路对瞬态事件的抑制能 力保证产品的可靠工作性能。 以下针对离散量输出接口实例论述如何提升电路 的鲁棒性。 离散量输出接口电路是嵌入式机载计算机内所必 需的功能电路,作用包括2个方面:指示计算机自身所 处的工作状态和控制目标设备的工作状态。离散量输 出接口驱动输出通常采用光电隔离、电磁继电器、功率 管来实现,但由于这类元件体积较大,当所需驱动输出 接口过多并且电路板空间有限时则不宜采用。集成度 较高的达林顿管可以满足空间、数量、驱动能力等多方 面设计因素的使用需求(如SG2823,芯片结构见图3 中间部分)。达林顿管集成芯片SG2823封装8路接 口,控制输入电平兼容1] 输出驱动电流支持到 600 mA。 直接由T1’L电平控制源和达林顿管组成的离散 量驱动电路如图3所示。该电路就功能而言没有问 题,但使用中必须严格执行共地连接操作,即电路“数 字地”连接所在箱体的壳体,达林顿管的“地”连接输 出驱动端对应的28 V电源地,28 V电源地必须与机 箱壳体接地端子通过搭铁地线实现共地连接。如果未 按上述要求连接,则会导致1_rL电平控制源的输出端 口性能异常或损坏。注意芯片SG2823手册所提供的 内部电路(见图3):在“地”端与1_rL控制输入端之间 有一支反馈二极管,很明显当芯片SG2823的“28 V 地”电平高于1『] 电平控制源所输出的电平时,就会 有电流流向T1 电平控制源的输出端,从而造成T] 电平控制源的输出端口失效。共地连接则确保了28 V地与数字地之间处于等电势状态,两“地”分隔则无 法保证电势一致会增加电路损坏的概率。产品在机装 配环境复杂,在拆装过程中难免由于疏忽未接搭铁地 线或搭铁地线连接不当或机上共地连接其他线路出现 异常影响到正常共地,都可能造成离散量输出接口故 障。当产品批量使用后此类故障出现频率极高,增加 了产品的维护成本。因此必须对此电路做进一步的鲁 棒性优化以有效降低离散量输出接口故障的概率。 图3 离散量输出接口电路原理 通过设计一种“避雷针”电路能够提高基于达林 顿管离散量输出接口电路的鲁棒性,降低由于产品外 部操作原因而导致电路故障的概率。该电路由1支二 级管和1支电阻组成,如图4中所示。电路利用二极 管的单向导电特性可阻止电流由B点流入A点,有效 防止连接A端的芯片因瞬态倒向电流而损坏。电阻 R具有两种作用。作用1:将来自B点的瞬态倒向电 流引入数字地并以热能形式消耗;作用2:作为逻辑下 拉电阻,当A点输入逻辑“零”(低电平)状态时可以 确保B点所连接控制的输入端口也处于标准的逻辑 “零”电位,即防止A点处于逻辑“三态”状态(即悬空 状态),实现对B点的确定性控制。该电路结构简单 具有工程可实现性。 图4增加“避雷针”电路的离散量输出接口电路 ・210・ 计算机技术与发展 第25卷 增加避雷针电路的输出接口电路如图4所示,其 中二极管 .用于阻止“28 V地”上的异常电流流向 通道结构是最基本的安全型系统,用于指示故障的离 散量必须能够及时确切地申报出故障状态以触发语 1] 电平控制源的输出端口,下拉电阻 的作用是确 保r丌 电平控制源芯片输出低电平的控制有效性(避 免芯片SG2823输入控制端口处于悬空状态)。该电 音/声光告警提示。为保证F/S型计算机的安全工作 特性,文中给出一种具有确切指示能力的离散信号申 报电路,“确切指示”要求该电路在自身可能存在有限 路具备较强的鲁棒性,可极大程度降低因为搭铁地线 的连接不当造成TTL电平控制源端口发生故障的 概率。 故障的情况下仍能可靠地输出指示信号。 机载设备的离散量信号包括地/开、28 V/地、28 v/开,故障指示信号采用哪种离散量形式进行输出, 首先应明确故障指示状态的选定原则:选优先级高的 状态作为指示故障的状态,高优先级状态指当几种信 号在线路上冲突发生时所能保持住的那种信号状态, 因此“地/开”离散量确定用“地”状态指示故障,“28 v/地”离散量确定用“地”状态指示故障,“28 v/开” 离散量确定用“28 V”状态指示故障。其中故障指 示一“地/开”信号形式输出的设计方案如图5所示。 4安全性设计 指示申报故障是离散量的必要功能,机载系统中 涉及飞行安全的计算机设备常采用多余度通道结构, 如波音777客机的飞控计算机采用“三一三”结构 , 空客公司大型民用运输机系列的主飞控计算机系统采 用“三一双”结构 (即对3个双通道计算机进行并 联)。工作在F/S(Fault/Safe:故 安全)机制下的双 图5 故障确切指示一“地/开”信号形式 具体实现确切指示的设计思路如下: 开关粘连常开触点时仍然可以通过达林顿管Ⅳ 指示 输出故障状态“地”; (1)双通道“线或”输出实现安全备份控制,当A、 B任一通道输出“地”状态即可指示故障,有效防止单 通道内故障申报电路自身失效而无法做出故障指示; (2)单通道内采用电子与机械结合的双控制途径 实现对故障信号的安全确切输出,以A通道为例电磁 机械继电器常闭触点接“地”,常开触点连接达林顿管 (3)通道内对继电器双路径驱动,即线圈与 常开触点分别路径驱动,单任一路径内出现的失 效不会影响本通道故障指示信号的输出; (4)控制源接口鲁棒性增强,在达林顿管前端采 用“避雷针”技术以增强数字控制源端接口的鲁棒性, 实现对线路上瞬态反向冲击电压的抑制; 输出,可有效防止继电器的粘连失效模式,即当继电器 第2期 王萌等:机载计算机内离散量接口功能的设计方法 参考文献: ・211・ (5)通道内针对2条控制路径采用逻辑同源互斥 原则控制输出,能够克服控制源的多失效模式对最终 [1]王萌,马小博.机载嵌入式计算机内模拟电子模块的设 计方法[J].计算机技术与发展,2006,16(10):47-48. 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