王 泉，謝運(yùn)祥，惠曉強(qiáng)

(1.中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計(jì)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西，西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安 710068)

離散量信號(hào)處理的現(xiàn)狀及趨勢(shì)*

王 泉1，2，謝運(yùn)祥3，惠曉強(qiáng)1，2

(1.中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計(jì)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西，西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安 710068)

在電子控制領(lǐng)域，離散量處理電路一直是重要的基本組成部分。伴隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，離散量處理電路也在逐步向著小型化、高集成度、智能化方向發(fā)展。全文從離散量概念入手，通過對(duì)比國內(nèi)外離散量處理電路的發(fā)展現(xiàn)狀，根據(jù)我國實(shí)際發(fā)展需要對(duì)未來我國離散量處理電路的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

離散量處理；智能化

0 引言

在現(xiàn)代電子控制系統(tǒng)中，大量的指示燈狀態(tài)、開關(guān)閥門狀態(tài)、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)等信息都是通過離散量來進(jìn)行表征，而離散量都是通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的[1]。作為控制電路中的重要組成部分，離散量處理電路正在隨著微電子技術(shù)的發(fā)展從傳統(tǒng)的較復(fù)雜的分立元器件搭建電路向著更加簡(jiǎn)單、安全、可靠的集成電路方向發(fā)展[2]。

本文從離散量概念出發(fā)，對(duì)離散量處理電路國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)要的論述，最后根據(jù)國內(nèi)微電子技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢(shì)展望離散量處理電路在中國的發(fā)展方向。

1 概述

自然界產(chǎn)生的信號(hào)，宏觀上為模擬量[3]，對(duì)模擬量信號(hào)進(jìn)行抽樣得到的信號(hào)就是離散量信號(hào)。離散量是只有兩個(gè)狀態(tài)的開關(guān)量的集合。離散量信號(hào)通常劃分為“地/開”、“電壓/地”和“電壓/開”（開指開路狀態(tài)）三種類型，其中電壓根據(jù)系統(tǒng)要求不同可以是+10 V、+15 V、+28 V等形式。

離散量信號(hào)開關(guān)狀態(tài)的認(rèn)知和應(yīng)用推動(dòng)著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，奠定了第三次科技革命的基礎(chǔ)。同時(shí)離散量的概念在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化控制中有著重要的意義。它把零散的信息根據(jù)邏輯關(guān)系有規(guī)律地整合起來，便于工業(yè)計(jì)算機(jī)計(jì)算、存儲(chǔ)、處理和傳輸，有時(shí)也把無邏輯關(guān)系的開關(guān)量信息整合以便于通信傳輸。近年來隨著離散量信號(hào)在工業(yè)控制、汽車電子、航空電子領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其使用數(shù)量的規(guī)模也在大幅度增加，更簡(jiǎn)便、更安全、更可靠的離散量處理技術(shù)正在悄然地發(fā)生著改變[4]。

2 國內(nèi)離散量處理電路發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)離散量處理電路分為兩大類：輸入型離散量處理電路和輸出型離散量處理電路[5]。輸入型離散量電路主要用于計(jì)算機(jī)等控制器采集外部狀態(tài)指示，開關(guān)狀態(tài)等信息信號(hào)的處理，保證信號(hào)的準(zhǔn)確性。輸出型離散量處理電路主要用于計(jì)算機(jī)等控制器輸出狀態(tài)控制信息驅(qū)動(dòng)負(fù)載，增加控制器的驅(qū)動(dòng)帶載能力[6]。電子控制系統(tǒng)中，通用離散量轉(zhuǎn)換示意圖如圖1所示。下面分別對(duì)輸入離散量和輸出離散量進(jìn)行闡述。

圖1 離散量轉(zhuǎn)換示意圖

2.1 輸入型離散量處理電路發(fā)展現(xiàn)狀

[2]提出：離散量輸入處理電路的一般處理流程為：外部輸入高壓大電流信號(hào)經(jīng)過隔離及雷電防護(hù)后，降壓濾波消抖，最后由計(jì)算機(jī)總線讀入，離散量輸入具有BIT自檢測(cè)能力。

目前，行業(yè)內(nèi)離散量輸入處理電路實(shí)現(xiàn)方式主要有隔離型離散量輸入電路和非隔離型離散量輸入處理電路。兩種實(shí)現(xiàn)方式不同，但都是通過分立元器件搭建電路。

隔離型離散量輸入處理電路一般由光耦和分立電阻電容搭建形成，優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)外部輸入離散量與內(nèi)部采集電路的電氣隔離，但缺點(diǎn)也很明顯，如體積、重量、復(fù)雜度對(duì)內(nèi)部電路的影響，光耦器件受環(huán)境因素影響帶來的導(dǎo)通電流變化等。加之系統(tǒng)輸入離散量類型不統(tǒng)一，尤其是對(duì)于多路離散量輸入時(shí)，需要搭建符合各類型離散量電路，電路拓?fù)鋮?shù)各異，不易于維護(hù)，且電路繁雜，占用很大布板面積。

非隔離型離散量輸入處理電路一般有兩種實(shí)現(xiàn)方式：由分立阻容器件搭建的電路和由比較器與阻容搭建的電路。分立阻容器件搭建的電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但器件眾多，可靠性差，更改閾值繁瑣，輸出形式單一；基于比較器與阻容器件搭建的電路閾值可以精確設(shè)置，并且同類型離散量可以使用相同處理電路，閾值更改較分立阻容器件更改簡(jiǎn)便，但同樣具有體積龐大，使用器件數(shù)量多等共性缺點(diǎn)[4]。

綜上所述，目前國內(nèi)離散量輸入處理的方式主要以分立器件實(shí)現(xiàn)，因此體積龐大，使用器件數(shù)量多，維護(hù)及更改設(shè)計(jì)都較為不便。

2.2 輸出型離散量處理電路發(fā)展現(xiàn)狀

離散量輸出處理電路一般處理流程為：將輸出離散量信號(hào)鎖存在固定時(shí)間段內(nèi)輸出，再將輸出信號(hào)隔離并進(jìn)行放大，以匹配負(fù)載驅(qū)動(dòng)門限，同時(shí)輸出離散量信號(hào)具有異常監(jiān)控和保護(hù)功能（如雷電防護(hù)、過流過壓過熱保護(hù)等）[7]。

目前，在電子控制領(lǐng)域內(nèi)輸出型離散量處理的方式有隔離型和非隔離型兩種，與輸入型離散量處理方式相同，也多通過分立器件搭建處理電路。下面具體介紹。

(1)隔離型離散量輸出。該類型電路一般是通過繼電器與驅(qū)動(dòng)三極管組成，輸出離散量信號(hào)由驅(qū)動(dòng)三極管將輸出電流放大后再驅(qū)動(dòng)繼電器實(shí)現(xiàn)輸出，繼電器種類眾多可實(shí)現(xiàn)不同輸出電流要求的離散量輸出，該種電路實(shí)現(xiàn)了輸出離散量的隔離，且電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但是由于是繼電器與分立阻容器件搭建，依然擺脫不了體積大、重量增加等共性問題，且繼電器輸出電路的異常保護(hù)設(shè)計(jì)比較困難，輔助性電路太多[8]。

(2)非隔離型離散量輸出。該類型電路一般使用在小電流離散量輸出場(chǎng)合，由總線鎖存驅(qū)動(dòng)電路與達(dá)林頓晶體管搭建，控制簡(jiǎn)單且有小型化集成電路可用，同時(shí)還可以驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載，但是該類型電路驅(qū)動(dòng)電流較小，無法實(shí)現(xiàn)內(nèi)外電路的隔離，如果需要異常保護(hù)也需要增加輔助電路，相對(duì)也占用板面積資源[9-10]。

綜上所述，目前國內(nèi)的離散量輸出處理電路主要以分立器件實(shí)現(xiàn)，其體積大、保護(hù)電路設(shè)計(jì)復(fù)雜且輔助電路較多。

3 國外離散量信號(hào)處理的發(fā)展現(xiàn)狀

上世紀(jì)90年代，國外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界針對(duì)離散量信號(hào)實(shí)現(xiàn)繁瑣的共性問題已展開積極的研究，目前相關(guān)產(chǎn)品已日趨成熟，相關(guān)研究和應(yīng)用呈現(xiàn)以下四個(gè)特點(diǎn)：

(1)對(duì)離散量信號(hào)的研究和定義趨于標(biāo)準(zhǔn)化，制定了完善的產(chǎn)品和試驗(yàn)體系。通過對(duì)離散量航空環(huán)境、離散量信號(hào)安全性和可靠性的研究，國外相關(guān)公司和研究機(jī)構(gòu)針對(duì)離散量信號(hào)定義了多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)體系，如空中客車的ABD0100H及RTCA DO-160系列實(shí)驗(yàn)性標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)離散量信號(hào)的特征和試驗(yàn)方法進(jìn)行了明確定義[11-12]。

(2)離散量信號(hào)的轉(zhuǎn)換和處理電路日趨小型化、集成化。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，離散量信號(hào)的處理和驅(qū)動(dòng)電路均可采用集成電路的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)。查找專利數(shù)據(jù)庫可知，最早的離散量集成化專利授權(quán)是1998年歐洲專利局授權(quán)給DDC，在隨后的十幾年中，DEI、HOLT等公司提供了較為完善的集成離散量轉(zhuǎn)換和處理產(chǎn)品[13]。

(3)離散量信號(hào)的安全性和可靠性要求不斷提高。離散量信號(hào)由以前定義的低速、低電壓信號(hào)向高速、高電壓、高浪涌和高確定性等方向發(fā)展，相應(yīng)的處理技術(shù)及防護(hù)技術(shù)不斷進(jìn)步，國外已設(shè)計(jì)出片內(nèi)可實(shí)現(xiàn)閃電防護(hù)的產(chǎn)品[14]。

(4)離散量信號(hào)處理技術(shù)的水平不斷提高，產(chǎn)品被大公司壟斷。離散量信號(hào)處理即驅(qū)動(dòng)電路的集成小型化芯片實(shí)現(xiàn)技術(shù)與工業(yè)控制即航空應(yīng)用密切相關(guān)，由于關(guān)鍵的電氣防護(hù)，大電流驅(qū)動(dòng)、失效保護(hù)和故障隔離等技術(shù)不易掌握，相關(guān)產(chǎn)品主要被 DEI、HOLT、Infineon等公司所壟斷[15]。

綜上所述，國外離散量處理電路正在向著標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、高可靠性、系列化等多個(gè)維度發(fā)展，產(chǎn)品技術(shù)趨于壟斷。

4 離散量處理電路的未來發(fā)展趨勢(shì)

通過對(duì)上述國內(nèi)與國外離散量處理方式的對(duì)比可知：目前國內(nèi)離散量處理電路采用分立器件實(shí)現(xiàn)的方式，使用比較器芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，電阻和電容器實(shí)現(xiàn)RC濾波，且自檢等功能需要大量邏輯器件完成[16]。而離散量驅(qū)動(dòng)方式仍采用IGBT驅(qū)動(dòng)等較為簡(jiǎn)單的方式，錯(cuò)誤監(jiān)控耗費(fèi)資源大且監(jiān)測(cè)范圍小，與國外的集成化、小型化的技術(shù)趨勢(shì)存在不小的差距。主要有：

(1)相對(duì)國外完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，國內(nèi)至今沒有制定過離散量處理的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致國內(nèi)各單位沒有統(tǒng)一的接口處理方案，在電子系統(tǒng)集合時(shí)存在大量的沖突，導(dǎo)致系統(tǒng)低效[7]。

(2)相對(duì)國外成熟的產(chǎn)品體系，國內(nèi)至今沒有完整對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品體系可以覆蓋各控制領(lǐng)域的需求。

(3)國內(nèi)缺乏保證離散量信號(hào)安全性和可靠性的技術(shù)積累，在電路小型化、集成化設(shè)計(jì)及防護(hù)等方面存在技術(shù)空白。

應(yīng)對(duì)以上我國在該領(lǐng)域與國外的差距，未來我國針對(duì)工業(yè)控制等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅茈x散量信號(hào)處理的高可靠性智能化的應(yīng)用需求應(yīng)該做到：

(1)創(chuàng)新性的研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的系列產(chǎn)品。目前，國內(nèi)一些相關(guān)科研院所及公司已對(duì)離散量處理開展了系列研究工作。如西安翔騰微電子科技有限公司的32路離散量輸入處理芯片 HKA03201等，為我國在該領(lǐng)域的研究發(fā)展起到很好的帶頭作用，未來仍需加大研發(fā)力度，早日實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品系列化。

(2)編制統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)。從國家的角度推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化的研制框架，完善該領(lǐng)域產(chǎn)品和試驗(yàn)體系，以解決目前各種處理方案不統(tǒng)一的現(xiàn)狀，提高產(chǎn)品模塊的兼容性。

(3)系統(tǒng)智能化發(fā)展。研制產(chǎn)品的用途是應(yīng)用，為應(yīng)對(duì)未來離散量處理小型化、系列化的趨勢(shì)，離散量處理電路不僅要著眼于自主芯片的研制更應(yīng)著眼于基于芯片的離散量輸入接口全套解決方案，將同類型處理電路做到標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化。

5 結(jié)論

本文對(duì)離散量處理國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了對(duì)比研究，指出了離散量處理的未來發(fā)展趨勢(shì)。隨著我國工業(yè)控制智能化的發(fā)展，離散量的使用量會(huì)繼續(xù)增大。隨著信息采集可靠性需求不斷提高，我國在離散量處理領(lǐng)域的傳統(tǒng)分立器件方案必然會(huì)逐步被集成自檢測(cè)、冗余、錯(cuò)誤校驗(yàn)、錯(cuò)誤隔離和電氣防護(hù)等智能功能的小型化高集成度的系列芯片所取代。

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The present situation and trend of discrete quantity signal processing

Wang Quan1,2，Xie Yunxiang3，Hui Xiaoqiang1，2
(1.AVIC Computing Technique Research Institute，Xi′an 710068，China；2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Integrated Circuit and Micro-System Design,Xi′an 710068，China；3.Xi′an Xiangteng Microelectronics Technology CO.，LTD，Xi′an 710068，China)

The dispersed quantity processing circuit is important basic components in the field of electronic control.The dispersed quantity processing circuits are also gradually to miniaturization,high integration,intelligent direction,with the development of microelectronics technology.This paper introduce the dispersed quantities firstly,compare the discrete quantity processing circuit development present situation at home and abroad,discuss the future trend of development on dispersed quantity processing circuit according to the actual development needs.

discrete quantity signal processing；intelligent

V243.1

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.03.001

王泉，謝運(yùn)祥，惠曉強(qiáng).離散量信號(hào)處理的現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(3)：2-4.

英文引用格式：Wang Quan，Xie Yunxiang，Hui Xiaoqiang.The present situation and trend of discrete quantity signal processing[J]. Application of Electronic Technique，2016，42(3)：2-4.

2016-02-18）

王泉（1977-），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：集成電路測(cè)試與應(yīng)用。

謝運(yùn)祥（1987-），男，碩士，工程師，主要研究方向：數(shù)?；旌霞呻娐吩O(shè)計(jì)。

惠曉強(qiáng)（1978-），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：航空集成電路需求和測(cè)試驗(yàn)證。

中國航空工業(yè)集團(tuán)公司創(chuàng)新基金(2010BD63111)