一種機(jī)載高可靠離散量輸入輸出系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：飛機(jī)機(jī)電管理控制器對(duì)于保證飛機(jī)的正常飛行起著非常關(guān)鍵的作用，而如今飛機(jī)上各種機(jī)電設(shè)備越來(lái)越復(fù)雜的情況下，對(duì)于離散量信號(hào)的輸入輸出可靠性有著越來(lái)越高的需求。本系統(tǒng)通過(guò)合理的硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了具有自測(cè)試功能的冗余硬件配置，同時(shí)結(jié)合通道管理設(shè)計(jì)，保證了離散量信號(hào)采集和輸出的高可靠性，具備較強(qiáng)的應(yīng)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(jī)上的儀器設(shè)備正在朝多電式，全電式的方向發(fā)展。機(jī)電管理控制器作為飛機(jī)上機(jī)電設(shè)備的控制“大腦”，需要處理越來(lái)越多的機(jī)電信號(hào)。而機(jī)上惡劣的工作環(huán)境和飛行安全要求的迫切性對(duì)機(jī)電信號(hào)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(dòng)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(wèn)題。本文在設(shè)計(jì)中充分考慮電路的性能和防護(hù)，通過(guò)單個(gè)電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)堆疊保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。在滿足基本電路性能的基礎(chǔ)上，通過(guò)測(cè)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(jiǎn)單設(shè)計(jì)在可靠性方面的潛力。

1 總體系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

對(duì)于飛機(jī)機(jī)電信號(hào)而言，開(kāi)關(guān)離散量信號(hào)是一種常見(jiàn)信號(hào)。離散量信號(hào)多負(fù)責(zé)機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)指示和開(kāi)關(guān)動(dòng)作，比如起落架系統(tǒng)中艙門(mén)狀態(tài)，作動(dòng)筒位置，照明系統(tǒng)中信號(hào)燈開(kāi)關(guān)，等等。離散量信號(hào)包括28V/開(kāi)、地/開(kāi)、115V交流/開(kāi)等多種制式，本文主要針對(duì)28V/開(kāi)和地/開(kāi)離散量信號(hào)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)中，輸入離散量信號(hào)從各個(gè)機(jī)電子設(shè)備而來(lái)，采集輸送給機(jī)電控制器。輸入信號(hào)需要通過(guò)相應(yīng)的調(diào)理電路，轉(zhuǎn)換成FPGA標(biāo)準(zhǔn)的IO信號(hào)進(jìn)行采集。FPGA的內(nèi)核訪問(wèn)這些I/O獲取外部接口數(shù)據(jù)，通過(guò)雙口RAM提供給主處理器，同時(shí)FPGA的內(nèi)核也通過(guò)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(guò)外部驅(qū)動(dòng)后控制負(fù)載。離散量的輸入和輸出均采用雙通道的冗余設(shè)計(jì)，提高了可靠性。CPLD主要作用是獲取健康判定信號(hào)，通過(guò)一定的邏輯處理輸出給FPGA作為通道選擇的依據(jù)。總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 離散量輸入信號(hào)

2.1.1 28V/開(kāi)離散量輸入信號(hào)

單路離散量輸入信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)TTL信號(hào)，同時(shí)實(shí)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(lì)源由機(jī)上電源提供，目的是做自測(cè)試使用。自測(cè)試電路的增加，有利于快速的發(fā)現(xiàn)和定位故障并進(jìn)行隔離，有效的提高了整機(jī)的可靠性、測(cè)試性指標(biāo)。為了保證自測(cè)試電路不對(duì)采集電路造成干擾，V1二極管可以防止28V激勵(lì)源對(duì)外部輸入信號(hào)源的影響，V2、V3二極管可以防止在自測(cè)試狀態(tài)時(shí)，每個(gè)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(jī)上供電波動(dòng)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(shí)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(dāng)輸入信號(hào)發(fā)生高的拉偏時(shí)(典型值為32V)，此時(shí)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(jī)上信號(hào)源受到干擾而發(fā)生拉偏的時(shí)候，本系統(tǒng)仍然能夠采集到正確的值。

2.1.2 地/開(kāi)離散量輸入信號(hào)

地/開(kāi)離散量輸入信號(hào)采集與28V/開(kāi)信號(hào)原理類(lèi)似，只是光耦導(dǎo)通情況相反。當(dāng)28V輸入時(shí)導(dǎo)通，開(kāi)路時(shí)不導(dǎo)通;而地/開(kāi)輸入信號(hào)時(shí)不導(dǎo)通，開(kāi)路時(shí)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(dāng)內(nèi)部電源拉偏為18V-32V的范圍內(nèi)時(shí)，光耦導(dǎo)通電流為0.635mA至1.335mA，光耦正常導(dǎo)通。當(dāng)外部輸入信號(hào)為9.6V以下時(shí)，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(jī)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(guò)對(duì)被選型光耦的充分驗(yàn)證，也在實(shí)際上提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.2 離散量輸出信號(hào)

2.2.1 28V/開(kāi)離散量輸出信號(hào)

離散量輸出信號(hào)的實(shí)現(xiàn)原理是通過(guò)FPGA輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)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(guò)流保護(hù)。

雙通道的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)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(tǒng)的可靠性。通過(guò)回繞的方法進(jìn)行自測(cè)試，可以有效的監(jiān)控通道狀態(tài)，提高可測(cè)試性。

2.2.2 地/開(kāi)離散量輸出信號(hào)

原理與28V/開(kāi)輸出類(lèi)似，如圖5所示。

3 通道管理設(shè)計(jì)

前述雙通道和自檢電路的硬件設(shè)計(jì)，為的是提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和可測(cè)試性。為了實(shí)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(duì)采集到得狀態(tài)進(jìn)行上報(bào)，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(guò)軟件進(jìn)行。在采用C語(yǔ)言編寫(xiě)的主程序內(nèi)，按照一定的策略實(shí)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(jī)上電機(jī)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(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某個(gè)通道的BIT存在故障時(shí)，應(yīng)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(qiáng)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(jí)繼電器進(jìn)行組控管理。設(shè)計(jì)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(dāng)繼電器閉合時(shí)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(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(hào)，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(zhǔn)確性。在通道故障邏輯的設(shè)計(jì)中，需要防止一種“過(guò)度保護(hù)”的局面出現(xiàn)。即如果兩個(gè)通道相關(guān)的健康判定信號(hào)都表示有誤，那么就會(huì)關(guān)閉兩個(gè)通道從而導(dǎo)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(xù)出現(xiàn)錯(cuò)誤，應(yīng)當(dāng)至少保證一個(gè)通道能夠工作。在邏輯的設(shè)計(jì)中可以通過(guò)D觸發(fā)器的特性巧妙的實(shí)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(hào)作為D觸發(fā)器的使能信號(hào)，則可保證當(dāng)有一個(gè)通道失效時(shí)，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(guò)程中完成規(guī)定功能的程度。對(duì)于處于高速飛行狀態(tài)的飛機(jī)，機(jī)電設(shè)備的每一個(gè)動(dòng)作都對(duì)飛行安全有著重大的影響，因此機(jī)電系統(tǒng)的任務(wù)可靠度是評(píng)價(jià)其好壞的重要指標(biāo)。

首先分析在傳統(tǒng)的單通道設(shè)計(jì)的情況下系統(tǒng)的可靠性。對(duì)于單通道的設(shè)計(jì)，離散量輸入輸出系統(tǒng)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(shù)分布。

如果每一個(gè)單元都有一個(gè)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(yàn)置三個(gè)框圖對(duì)應(yīng)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(jù)MTTFs=1/λs推知系統(tǒng)總的平均故障前時(shí)間為3041.75小時(shí)。

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)為輸入和輸出均為雙通道，對(duì)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(gè)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(shí)間算式：

用數(shù)學(xué)工具M(jìn)ATLAB計(jì)算得到MTT為4807.86小時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)通過(guò)雙通道的設(shè)計(jì)之后，任務(wù)可靠性得到了很大的提升。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)機(jī)載設(shè)備對(duì)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(guò)合理的器件選型滿足了電路基本性能的需要，同時(shí)通過(guò)自測(cè)試電路的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的測(cè)試性和可靠性。在硬件雙通道配置的基礎(chǔ)上，通過(guò)合理的通道管理，保證了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。最后的理論推算表明，雙通道的設(shè)計(jì)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(xiàng)目上實(shí)際使用，并已通過(guò)各種試驗(yàn)驗(yàn)證，性能穩(wěn)定可靠。