發布時間：2021-05-12所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：作為系統測試和故障診斷與隔離的一種手段，BIT(BuiltInTest)技術被廣泛應用于航空電子設備可靠性、維護性、測試性與安全性設計中。文中針對某型無人機機載任務設備的BIT檢測功能以及資源分配指標要求，給出了任務設備控制模塊的電路組成。通過分析BIT
摘要：作為系統測試和故障診斷與隔離的一種手段，BIT(BuiltInTest)技術被廣泛應用于航空電子設備可靠性、維護性、測試性與安全性設計中。文中針對某型無人機機載任務設備的BIT檢測功能以及資源分配指標要求，給出了任務設備控制模塊的電路組成。通過分析BIT檢測信號類型，介紹了基于A/D轉換器單端口多狀態電壓的BIT檢測常規設計方法與電路特點，并針對該電路存在的諸多不足，提出了利用二級管單向導電特性所具備的電子開關功能，設計出可篩選分離不同電壓、自動識別單端口多狀態電壓的自適應BIT檢測電路，仿真與飛行驗證表明，該電路設計滿足了節省資源、減小體積、節能降耗、降低成本以及高可靠性的指標要求，并成功應用于多型無人機的同類產品及其他電子產品中。
關鍵詞：BIT;A/D轉換;單端口多狀態電壓;自適應檢測電路
0引言
某型無人機系統要求最大起飛重量不超過10kg，具備執行不同任務可掛載不同任務設備的能力，任務設備涉及光電、紅外、雷達等類型。系統應可控制上述不同任務設備，并應對任務設備控制指令傳輸情況和任務設備工作狀態進行實時監測。
從上述系統要求看，飛機平臺體積小，任務設備多樣化，工作模式多樣化，因此導致任務設備控制與實時監測實現相對復雜，進而給機載任務控制器的工作可靠性與通用性提出了更高要求。該型無人機重量與體積指標的嚴苛要求，使得機載任務設備控制器不具備單獨的安裝空間，為了適應機載狹小空間工作環境，系統采用將任務設備控制器電路嵌入機載計算機內，以基于機載計算機CPU為核心的硬件架構，形成一個機載計算機內的嵌入式任務設備控制模塊，以減小體積和節能降耗，從而滿足設計要求。
對任務設備工作狀態的實時監測是無人機執行任務作業的基本要求，也是任務控制模塊工作的基本可靠性指標要求之一。因為控制模塊工作正常與否，直接影響任務設備的作業安全，因此實時監測控制模塊的工作狀態以及任務設備工作情況尤為重要。
目前，作為系統測試和故障診斷與隔離的一種自檢手段，BIT技術[1]被廣泛應用于航空電子設備可靠性、維護性、測試性與安全性設計中。下面將對任務設備控制模塊BIT檢測電路設計展開詳細討論。
1任務設備控制模塊組成
如圖1所示，根據測試要求，任務設備控制模塊的設計可由機載計算機、數字驅動、模擬驅動、BIT檢測電路、供電單元組成。其工作過程是機載計算機接收來自無線電數據鏈上行遙控信道的任務設備控制指令，經過解碼、譯碼后輸出開關控制量，分別送給數字驅動、模擬驅動和BIT檢測電路。各驅動電路對控制量信號進行適配轉換后，再分別傳到任務設備和BIT檢測電路。任務設備接收到控制量后執行作業動作，并將作業動作執行結果反饋給BIT檢測電路。
BIT檢測電路主要檢測機載計算機控制指令的輸出與驅動輸出結果正確情況，分別回采機載計算機輸出的控制量、數字驅動的開關控制量和模擬驅動的三態電壓控制量，采集結果與機載計算機輸出進行比對，完成回繞式BIT檢測，然后將比對結果以狀態形式，經機載計算機進行遙測數據的組幀編碼，再由無線電數據鏈的下行遙測信道傳至地面站，對任務設備工作狀態進行實時監控。這里遙測數據幀給任務控制設備的BIT檢測的容量分配是一個字節共計8bit數據內存。
2BIT檢測電路設計
2.1設計分析
圖1中，BIT檢測電路的輸入信號包含了開關量、多種狀態電壓兩種類型。其中開關量是二進制數字信號，機載計算機CPU的I/O口可直接識別，可通過數字整形電路直接輸入機載計算機I/O口進行采集。
而模擬驅動輸出的是一個端口多種狀態電壓形式的信號控制量，顯然與機載計算機CPU的I/O口電平不匹配。
這里，以某光電任務設備攝像機的控制模式為例，該型無人機對攝像機具有控制電源開/關、焦距長/短、鏡頭遠/近、光圈大/小的功能要求，其中，電源開/關為二進制數字信號的控制量，可由數字整形電路隔離后，直接進入機載計算機采集。而焦距、鏡頭與光圈的控制則為1路信號線上有三種形式的電壓信號，分別為(+3V～+6V)、0V、(-3V～-6V)。其中，正電壓定義為焦距變長、鏡頭變遠、光圈變大的控制，0V定義為焦距、鏡頭、光圈停止的控制，負電壓定義為焦距變短、鏡頭變近、光圈變小的控制。
從三種控制電壓看，0V可視為二進制信號的TTL低電平，和機載計算機I/O口信號直接對接;正電壓(+3V～+6V)也可以通過信號衰減、整形變為TTL高電平，與機載計算機I/O口信號對接;但是負電壓信號(-3V～-6V)就不同了，機載計算機的數字I/O無法識別。因此，必須對其進行相應的信號處理，把負電壓變為二進制數字信號，即把現有的一個端口上的三種狀態的電壓信號，轉換為CPU可識別的二進制的數字狀態信號，方可進行電壓采集。
2.2基于A/D轉換的BIT檢測方案
上述分析可以看出，針對(+3V～+6V)、0V、(-3V～-6V)三種電壓，若僅考慮信號類型的轉換，一般很容易想到通常使用基于CPU控制的模/數轉換電路來實現，也就是圖2所示的以機載計算機CPU為核心的信號轉換檢測方案，即三態電壓經過信號調理電路后，由機載計算機控制，通過傳統的模/數轉換電路A/D轉換器[2]來完成單端口三態電壓的信號采集。
相關期刊推薦：《計算機測量與控制》(月刊)創刊于1993年，由中國計算機自動測量與控制技術協會主辦。報道內容：1計算機技術、自動測試技術和自動控制技術的研究成果及發展方向的綜述與評論;2先進的總線技術、故障診斷技術、系統集成技術以及控制理論在工業領域和軍事中的應用;3邊緣掃描測試技術、遙測遙控技術和自動測試系統的設計與開發;4動態數據采集與信號處理系統;現場總線與接口技術;機電一體化技術;5嵌入式系統軟件、軟件測試以及工控組態軟件的開發與應用;6集散/分布控制系統，自控/監控系統的開發與應用;7計算機網絡與通信、樓宇自動化技術的開發與應用;8先進的測控部件及傳感器技術在工業自動測試和控制中的應用;9基于總線技術的智能儀器儀表的設計與開發。
圖2電路設計時選擇適合三種電壓范圍的A/D轉換器，將其轉換為并行或串行二進制數字信號后，通過數字I/O口進入機載計算機完成信息采集。下面繼續用攝像機其中一路信號“焦距”控制為例，給出基于A/D轉換器的BIT檢測電路，如圖3所示。由于輸入是過零雙極性電壓信號，所以A/D轉換器需選擇雙電源供電的ADC芯片�？紤]此處信號轉換目的是把電壓信號轉換為數字狀態信號，焦距控制電壓盡管出現了三種狀態，但并非是連續的模擬電壓信號，于是降低了信號轉換精度和量化單位指標的指標要求。因此，這里選取的A/D轉換器是目前市場供貨充足、具有雙電源供電、且帶有8路模擬開關的8位模數轉換芯片AD570。圖3中部分信號連接屬性如下：
PIN13：連接輸入的焦距控制信號，即直流電壓(-3V～-6V)、0V和(+3V～+6V);
PIN10與PIN12：為供電輸入。分別接入+12V與-12V直流電源;
PIN10：為片選信號。與機載計算機的I/O口連接，當機載計算機I/O給此管腳輸入高電平時開始A/D轉換，輸入低電平時禁止A/D轉換;
PIN17：為轉換結束標志。與機載計算機的另一個I/O口連接，進行A/D轉換時此管腳輸出高電平，A/D轉換結束時輸出低電平。
8位量化單位是0～255，對應十六進制表示為00H～FFH。因此，三個電壓中若最高值+6V對應數字量表示為FFH，則0V對應數字量表示為7FH，最低值-6V對應數字量表示為00H。
當輸入信號分別是-6V、0V、+6V時，機載計算機控制A/D570的PIN10片選信號依次轉換，分別得到一個字節8bit的00H、7FH或FFH數據，也就是焦距對應的長焦、停止變焦、短焦三個工作狀態的BIT檢測結果，需要占用1個字節的存儲空間。換而言之，轉換1路焦距需要1個字節數據存儲單元，若加上鏡頭和光圈2路工作狀態，則檢測數據共需要3個字節24bit的數據存儲空間。
顯然，這不滿足系統給定的BIT檢測容量分配一個字節的指標要求。也就是說要實現攝像機一種任務設備的BIT檢測，不僅要增加硬件電路數量，導致體積增大與可靠性降低，而且還要占用機載計算機更多的數據內存空間和遙測數據幀字節，進而導致無線電數據鏈信道傳輸帶寬的增加，無疑加重了信道的傳輸負擔，造成了有限資源的浪費。
3.自適應BIT檢測電路設計
為了克服基于A/D轉換器BIT檢測電路硬件電路復雜、狀態采集受控、存儲資源浪費以及無線電數據鏈信道帶寬增加等不足，必須設計一種無需控制，并能夠自動識別1個端口3種電壓狀態，進而轉換成二進制狀態數據的自適應檢測電路[3]，來實現有限資源條件下任務設備的BIT狀態檢測功能。
從圖1可以看出，多種電壓狀態量來源于模擬驅動電路的輸出，該驅動電路的輸入來自機載計算機I/O輸出的二進制編碼，因此可逆向思維考慮，如何設計一種“三變二”的逆向轉換電路，便可實現三態電壓轉換為二進制數字信號功能，也就完成了TTL電平形式的轉換。
這里，首先要解決的問題是在1路信號線上能夠自動分離出三種電壓狀態。開關量即為開關狀態量，也是二進制邏輯電平量，邏輯電平屬于數字電路系統，構成數字電路的基本單元是晶體管，也就很容易想到用半導體二極管來實現電平選擇功能。
由于半導體二極管具有單向導電的特性，在正偏壓下PN結導通，在導通狀態下的電阻很小，約為幾十至幾百歐;在反向偏壓下，則呈截止狀態，其電阻很大，利用這一特性，二極管在電路中具有控制電流接通或關斷的作用，這便具備了一個理想的電子開關功能，也就是常說的二極管的開關特性。在此，不防利用二極管正向電壓導通、反向電壓截止的開關特性，對三種狀態電壓進行篩選分離。即用兩個開關二極管設置一個正向開關和一個反向開關，當輸入正電壓時，正向開關導通，反向開關截止;輸入0V時，正向開關與反向開關兩端等電位為0V;輸入負電壓時，正向開關截止，反向開關導通。——論文作者：張晨1，崔利軍2，李飛晟2，陳秋豐2，韓大全2
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