張 晨，崔利軍，李飛晟，陳秋豐，韓大全

(1.空間物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076；2.太原衛(wèi)星發(fā)射中心，太原 030027)

0 引言

某型無人機(jī)系統(tǒng)要求最大起飛重量不超過10 kg，具備執(zhí)行不同任務(wù)可掛載不同任務(wù)設(shè)備的能力，任務(wù)設(shè)備涉及光電、紅外、雷達(dá)等類型。系統(tǒng)應(yīng)可控制上述不同任務(wù)設(shè)備，并應(yīng)對任務(wù)設(shè)備控制指令傳輸情況和任務(wù)設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

從上述系統(tǒng)要求看，飛機(jī)平臺體積小，任務(wù)設(shè)備多樣化，工作模式多樣化，因此導(dǎo)致任務(wù)設(shè)備控制與實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)現(xiàn)相對復(fù)雜，進(jìn)而給機(jī)載任務(wù)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(jī)重量與體積指標(biāo)的嚴(yán)苛要求，使得機(jī)載任務(wù)設(shè)備控制器不具備單獨(dú)的安裝空間，為了適應(yīng)機(jī)載狹小空間工作環(huán)境，系統(tǒng)采用將任務(wù)設(shè)備控制器電路嵌入機(jī)載計(jì)算機(jī)內(nèi)，以基于機(jī)載計(jì)算機(jī)CPU為核心的硬件架構(gòu)，形成一個(gè)機(jī)載計(jì)算機(jī)內(nèi)的嵌入式任務(wù)設(shè)備控制模塊，以減小體積和節(jié)能降耗，從而滿足設(shè)計(jì)要求。

對任務(wù)設(shè)備工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測是無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)作業(yè)的基本要求，也是任務(wù)控制模塊工作的基本可靠性指標(biāo)要求之一。因?yàn)榭刂颇K工作正常與否，直接影響任務(wù)設(shè)備的作業(yè)安全，因此實(shí)時(shí)監(jiān)測控制模塊的工作狀態(tài)以及任務(wù)設(shè)備工作情況尤為重要。

目前，作為系統(tǒng)測試和故障診斷與隔離的一種自檢手段，BIT技術(shù)[1]被廣泛應(yīng)用于航空電子設(shè)備可靠性、維護(hù)性、測試性與安全性設(shè)計(jì)中。下面將對任務(wù)設(shè)備控制模塊BIT檢測電路設(shè)計(jì)展開詳細(xì)討論。

1 任務(wù)設(shè)備控制模塊組成

如圖1所示，根據(jù)測試要求，任務(wù)設(shè)備控制模塊的設(shè)計(jì)可由機(jī)載計(jì)算機(jī)、數(shù)字驅(qū)動、模擬驅(qū)動、BIT檢測電路、供電單元組成。其工作過程是機(jī)載計(jì)算機(jī)接收來自無線電數(shù)據(jù)鏈上行遙控信道的任務(wù)設(shè)備控制指令，經(jīng)過解碼、譯碼后輸出開關(guān)控制量，分別送給數(shù)字驅(qū)動、模擬驅(qū)動和BIT檢測電路。各驅(qū)動電路對控制量信號進(jìn)行適配轉(zhuǎn)換后，再分別傳到任務(wù)設(shè)備和BIT檢測電路。任務(wù)設(shè)備接收到控制量后執(zhí)行作業(yè)動作，并將作業(yè)動作執(zhí)行結(jié)果反饋給BIT檢測電路。

圖1 控制模塊組成框圖

BIT檢測電路主要檢測機(jī)載計(jì)算機(jī)控制指令的輸出與驅(qū)動輸出結(jié)果正確情況，分別回采機(jī)載計(jì)算機(jī)輸出的控制量、數(shù)字驅(qū)動的開關(guān)控制量和模擬驅(qū)動的三態(tài)電壓控制量，采集結(jié)果與機(jī)載計(jì)算機(jī)輸出進(jìn)行比對，完成回繞式BIT檢測，然后將比對結(jié)果以狀態(tài)形式，經(jīng)機(jī)載計(jì)算機(jī)進(jìn)行遙測數(shù)據(jù)的組幀編碼，再由無線電數(shù)據(jù)鏈的下行遙測信道傳至地面站，對任務(wù)設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。這里遙測數(shù)據(jù)幀給任務(wù)控制設(shè)備的BIT檢測的容量分配是一個(gè)字節(jié)共計(jì)8 bit數(shù)據(jù)內(nèi)存。

2 BIT檢測電路設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)分析

圖1中，BIT檢測電路的輸入信號包含了開關(guān)量、多種狀態(tài)電壓兩種類型。其中開關(guān)量是二進(jìn)制數(shù)字信號，機(jī)載計(jì)算機(jī)CPU的I/O口可直接識別，可通過數(shù)字整形電路直接輸入機(jī)載計(jì)算機(jī)I/O口進(jìn)行采集。

而模擬驅(qū)動輸出的是一個(gè)端口多種狀態(tài)電壓形式的信號控制量，顯然與機(jī)載計(jì)算機(jī)CPU的I/O口電平不匹配。

這里，以某光電任務(wù)設(shè)備攝像機(jī)的控制模式為例，該型無人機(jī)對攝像機(jī)具有控制電源開/關(guān)、焦距長/短、鏡頭遠(yuǎn)/近、光圈大/小的功能要求，其中，電源開/關(guān)為二進(jìn)制數(shù)字信號的控制量，可由數(shù)字整形電路隔離后，直接進(jìn)入機(jī)載計(jì)算機(jī)采集。而焦距、鏡頭與光圈的控制則為1路信號線上有3種形式的電壓信號，分別為(+3～+6 V)、0 V、(-3～-6 V)。其中，正電壓定義為焦距變長、鏡頭變遠(yuǎn)、光圈變大的控制，0 V定義為焦距、鏡頭、光圈停止的控制，負(fù)電壓定義為焦距變短、鏡頭變近、光圈變小的控制。

從3種控制電壓看，0 V可視為二進(jìn)制信號的TTL低電平，和機(jī)載計(jì)算機(jī)I/O口信號直接對接；正電壓(+3～+6 V)也可以通過信號衰減、整形變?yōu)門TL高電平，與機(jī)載計(jì)算機(jī)I/O口信號對接；但是負(fù)電壓信號(-3～-6 V)就不同了，機(jī)載計(jì)算機(jī)的數(shù)字I/O無法識別。因此，必須對其進(jìn)行相應(yīng)的信號處理，把負(fù)電壓變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)字信號，即把現(xiàn)有的一個(gè)端口上的3種狀態(tài)的電壓信號，轉(zhuǎn)換為CPU可識別的二進(jìn)制的數(shù)字狀態(tài)信號，方可進(jìn)行電壓采集。

2.2 基于A/D轉(zhuǎn)換的BIT檢測方案

上述分析可以看出，針對(+3～+6 V)、0 V、(-3～-6 V)3種電壓，若僅考慮信號類型的轉(zhuǎn)換，一般很容易想到通常使用基于CPU控制的模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路來實(shí)現(xiàn)，也就是圖2所示的以機(jī)載計(jì)算機(jī)CPU為核心的的信號轉(zhuǎn)換檢測方案，即三態(tài)電壓經(jīng)過信號調(diào)理電路后，由機(jī)載計(jì)算機(jī)控制，通過傳統(tǒng)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換器[2]來完成單端口三態(tài)電壓的信號采集。

圖2 傳統(tǒng)BIT檢測電路設(shè)計(jì)方案

圖2電路設(shè)計(jì)時(shí)選擇適合3種電壓范圍的A/D轉(zhuǎn)換器，將其轉(zhuǎn)換為并行或串行二進(jìn)制數(shù)字信號后，通過數(shù)字I/O口進(jìn)入機(jī)載計(jì)算機(jī)完成信息采集。下面繼續(xù)用攝像機(jī)其中一路信號“焦距”控制為例，給出基于A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器需選擇雙電源供電的ADC芯片?？紤]此處信號轉(zhuǎn)換目的是把電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字狀態(tài)信號，焦距控制電壓盡管出現(xiàn)了3種狀態(tài)，但并非是連續(xù)的模擬電壓信號，于是降低了信號轉(zhuǎn)換精度和量化單位指標(biāo)的指標(biāo)要求。因此，這里選取的A/D轉(zhuǎn)換器是目前市場供貨充足、具有雙電源供電、且?guī)в?路模擬開關(guān)的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD570。圖3中部分信號連接屬性如下：

圖3 基于A/D570的BIT檢測電路

PIN13：連接輸入的焦距控制信號，即直流電壓(-3～-6 V)、0 V和(+3～+6 V)；

PIN10與PIN12：為供電輸入。分別接入+12 V與-12 V直流電源；

PIN10：為片選信號。與機(jī)載計(jì)算機(jī)的I/O口連接，當(dāng)機(jī)載計(jì)算機(jī)I/O給此管腳輸入高電平時(shí)開始A/D轉(zhuǎn)換，輸入低電平時(shí)禁止A/D轉(zhuǎn)換；

PIN17：為轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志。與機(jī)載計(jì)算機(jī)的另一個(gè)I/O口連接，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)此管腳輸出高電平，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)輸出低電平。

8位量化單位是0～255，對應(yīng)十六進(jìn)制表示為00H～FFH。因此，3個(gè)電壓中若最高值+6 V對應(yīng)數(shù)字量表示為FFH，則0 V對應(yīng)數(shù)字量表示為7FH，最低值-6 V對應(yīng)數(shù)字量表示為00H。

當(dāng)輸入信號分別是-6 V、0 V、+6 V時(shí)，機(jī)載計(jì)算機(jī)控制A/D570的PIN10片選信號依次轉(zhuǎn)換，分別得到一個(gè)字節(jié)8 bit的00H、7FH或FFH數(shù)據(jù)，也就是焦距對應(yīng)的長焦、停止變焦、短焦3個(gè)工作狀態(tài)的BIT檢測結(jié)果，需要占用1個(gè)字節(jié)的存儲空間。換而言之，轉(zhuǎn)換1路焦距需要1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)存儲單元，若加上鏡頭和光圈2路工作狀態(tài)，則檢測數(shù)據(jù)共需要3個(gè)字節(jié)24 bit的數(shù)據(jù)存儲空間。

顯然，這不滿足系統(tǒng)給定的BIT檢測容量分配一個(gè)字節(jié)的指標(biāo)要求。也就是說要實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)一種任務(wù)設(shè)備的BIT檢測，不僅要增加硬件電路數(shù)量，導(dǎo)致體積增大與可靠性降低，而且還要占用機(jī)載計(jì)算機(jī)更多的數(shù)據(jù)內(nèi)存空間和遙測數(shù)據(jù)幀字節(jié)，進(jìn)而導(dǎo)致無線電數(shù)據(jù)鏈信道傳輸帶寬的增加，無疑加重了信道的傳輸負(fù)擔(dān)，造成了有限資源的浪費(fèi)。

3 自適應(yīng)BIT檢測電路設(shè)計(jì)

為了克服基于A/D轉(zhuǎn)換器BIT檢測電路硬件電路復(fù)雜、狀態(tài)采集受控、存儲資源浪費(fèi)以及無線電數(shù)據(jù)鏈信道帶寬增加等不足，必須設(shè)計(jì)一種無需控制，并能夠自動識別1個(gè)端口3種電壓狀態(tài)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制狀態(tài)數(shù)據(jù)的自適應(yīng)檢測電路[3]，來實(shí)現(xiàn)有限資源條件下任務(wù)設(shè)備的BIT狀態(tài)檢測功能。

從圖1可以看出，多種電壓狀態(tài)量來源于模擬驅(qū)動電路的輸出，該驅(qū)動電路的輸入來自機(jī)載計(jì)算機(jī) I/O輸出的二進(jìn)制編碼，因此可逆向思維考慮，如何設(shè)計(jì)一種“三變二”的逆向轉(zhuǎn)換電路，便可實(shí)現(xiàn)三態(tài)電壓轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字信號功能，也就完成了TTL電平形式的轉(zhuǎn)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3種電壓狀態(tài)。開關(guān)量即為開關(guān)狀態(tài)量，也是二進(jìn)制邏輯電平量，邏輯電平屬于數(shù)字電路系統(tǒng)，構(gòu)成數(shù)字電路的基本單元是晶體管，也就很容易想到用半導(dǎo)體二極管來實(shí)現(xiàn)電平選擇功能。

由于半導(dǎo)體二極管具有單向?qū)щ姷奶匦?，在正偏壓下PN結(jié)導(dǎo)通，在導(dǎo)通狀態(tài)下的電阻很小，約為幾十至幾百歐；在反向偏壓下，則呈截止?fàn)顟B(tài)，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(guān)斷的作用，這便具備了一個(gè)理想的電子開關(guān)功能，也就是常說的二極管的開關(guān)特性。在此，不防利用二極管正向電壓導(dǎo)通、反向電壓截止的開關(guān)特性，對3種狀態(tài)電壓進(jìn)行篩選分離。即用兩個(gè)開關(guān)二極管設(shè)置一個(gè)正向開關(guān)和一個(gè)反向開關(guān)，當(dāng)輸入正電壓時(shí)，正向開關(guān)導(dǎo)通，反向開關(guān)截止；輸入0 V時(shí)，正向開關(guān)與反向開關(guān)兩端等電位為0 V；輸入負(fù)電壓時(shí)，正向開關(guān)截止，反向開關(guān)導(dǎo)通。

由于開關(guān)二極管的導(dǎo)通、截至特性可自主的、選擇性的通過正電壓、0 V、負(fù)電壓信號，所以使得該電路針對不同狀態(tài)的電壓，具有了自動識別和自適應(yīng)選擇的能力。這樣，既不需要機(jī)載計(jì)算機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)換控制，減少了機(jī)載計(jì)算機(jī)的I/O信號線，又省去了圖2中的信號調(diào)理電路A/D轉(zhuǎn)換器。

其次要解決的是非標(biāo)準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換為TTL電平的轉(zhuǎn)換問題。

1)正向電壓選擇電路。正向開關(guān)的輸出端為正電壓信號，通常解決的方法是電阻分壓或正反饋放大電路，電阻分壓可以解決電平值的大小，但是一般會影響輸入/輸出回路阻抗。正反饋放大器因其工作穩(wěn)定性較差，一般多用于震蕩期中。因此為了減小阻抗影響，避免正反饋放大電路不穩(wěn)定性，可以采用電阻分壓結(jié)合電壓跟隨器的方式設(shè)計(jì)正向選擇電路，實(shí)現(xiàn)同相電平轉(zhuǎn)換，這樣既增加輸入/輸出之間的信號驅(qū)動能力，又取得了輸入/輸出信號相互隔離的效果；

2)反向電壓選擇電路。反向開關(guān)的輸出端為負(fù)電壓信號，鑒于負(fù)反饋放大電路的穩(wěn)定特性，采用一級負(fù)反饋放大電路，即可實(shí)現(xiàn)負(fù)電壓到正電壓的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)反向電壓選擇。

解決了上述兩個(gè)問題，接下來就可以完成基于二極管自主電平選擇的BIT自適應(yīng)三態(tài)電壓檢測電路設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 自適應(yīng)三態(tài)電壓檢測電路

圖4中電壓跟隨器輸入/輸出信號關(guān)系表示為：

(1)

負(fù)反饋放大器的輸入/輸出電壓關(guān)系表示為：

(2)

式(1)與(2)中，Ui為輸入電壓，Ui1為二極管V1輸出端節(jié)點(diǎn)電壓，Ui2為二極管V2輸出端節(jié)點(diǎn)電壓，Uo1為第1路輸出電壓，Uo2為第2路輸出電壓。

同樣，由于輸入信號的雙極性特性，運(yùn)算放大器也選擇雙電源供電的LM124型四運(yùn)放SMT封裝芯片。C1、C2為LM124的電源濾波電容，取值均為0.1 μ；V1、V2分別是型號為BAT254的開關(guān)二極管。為了便于分析，假定輸入的3種電壓分別為+5 V，0 V和-5 V，這樣，圖4中的電阻值可設(shè)定為R1=R3=R5=10 k，R2=R4=100 k。

鑒于R2?R1，若不計(jì)二極管截止電壓，則(1)、(2)式可等效為：

Uo1≈Ui1

(3)

Uo2=-Ui2

(4)

由式(3)～(4)可得：

當(dāng)Ui=5 V時(shí)，二極管V1導(dǎo)通，V2截止。

Ui1=Ui=5 V，Uo1=5 V，視為TTL高電平H，二進(jìn)制狀態(tài)為“1”；Ui2=Ui=0 V，Uo2=0 V，視為TTL低電平L，二進(jìn)制狀態(tài)為“0”；

當(dāng)Ui=0 V時(shí)，二極管V1和V2的兩端電位相等。Ui1=Ui=0 V，Uo1=0 V，視為TTL低電平L，二進(jìn)制狀態(tài)為“0”；Ui2=Ui=0 V，Uo2=0 V，視為TTL低電平L，二進(jìn)制狀態(tài)為“0”；

當(dāng)Ui=-5 V時(shí)，二極管V1截止，V2導(dǎo)通。

Ui1=Ui=0 V，Uo1=0 V，視為TTL低電平L，二進(jìn)制狀態(tài)為“0”；Ui2=-5 V，Uo2=+5 V，視為TTL為高電平H，二進(jìn)制狀態(tài)為“1”。

將上述計(jì)算結(jié)果對應(yīng)為二進(jìn)制狀態(tài)真值可匯總表1所示。顯然，真值表結(jié)果辨明，圖4完全能夠?qū)崿F(xiàn)單端口三態(tài)電壓轉(zhuǎn)換為兩種電平狀態(tài)、并進(jìn)行電平自動識別的功能。

表1 輸入/輸出信號狀態(tài)真值表

4 仿真驗(yàn)證與分析

4.1 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證圖4設(shè)計(jì)的BIT檢測電路輸出結(jié)果正確性，將此電路進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果如圖5所示。圖中示波器的3個(gè)通道電壓均設(shè)置為每格5 V。其中，通道1上面曲線為輸入電壓Ui；通道2中間曲線顯示Uo1的輸出電壓；通道3下面曲線顯示Uo2的輸出電壓。

圖5 自適應(yīng)BIT檢測電路仿真結(jié)果

從此仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)通道1的輸入電壓為0 V時(shí)，通道2、3輸出電壓約5 V，均對應(yīng)為TTL低電平，二進(jìn)制狀態(tài)為“00B”；

當(dāng)通道1的輸入電壓為+5 V時(shí)，通道2輸出電壓約+5 V，對應(yīng)為TTL高電平，通道3輸出電壓為0 V，對應(yīng)為TTL低電平，二進(jìn)制狀態(tài)為“10 B”；

當(dāng)通道1的輸入電壓為-5 V時(shí)，通道2輸出電壓為0 V，對應(yīng)為TTL低電平，通道3輸出電壓約為+5 V，對應(yīng)為TTL高電平，二進(jìn)制狀態(tài)為“01 B”；

對比表1的計(jì)算結(jié)果，顯然二者完全擬合。充分證明基于A/D轉(zhuǎn)換器的BIT檢測電路，經(jīng)過基于二極管的自適應(yīng)BIT檢測電路優(yōu)化后，實(shí)現(xiàn)了“三轉(zhuǎn)二”，即單端口三態(tài)電壓轉(zhuǎn)換為兩種電平形式的功能，且優(yōu)化后的檢測電路，既能滿足機(jī)載計(jì)算機(jī)的輸入電平要求，又能完成3種電壓的自動分離與狀態(tài)識別，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)BIT狀態(tài)檢測。

4.2 驗(yàn)證結(jié)果分析

由于經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后輸出的二進(jìn)制碼“10B”、“00B”、“01B”分別代表著不同的高低電平，因此，針對攝像機(jī)焦距而言，一路狀態(tài)量的3種電壓，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后檢測信號只有兩種電平狀態(tài)，僅有2 bit的數(shù)據(jù)，占一個(gè)字節(jié)的1/4，再加上鏡頭和光圈2路，也就是6 bit的數(shù)據(jù)，3路合用不到一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。這既滿足了前述的一個(gè)字節(jié)的容量分配指標(biāo)，又可以可根據(jù)用戶需求，自行調(diào)整圖5中的兩個(gè)狀態(tài)的高低電平順序，同時(shí)，輸入電壓也可通過調(diào)整輸入信號的分壓電阻R2和反饋電阻R5的阻值，來改變輸入與輸出電壓的大小，以適應(yīng)不同的任務(wù)設(shè)備或同一任務(wù)設(shè)備的不同狀態(tài)控制量采集。

進(jìn)一步分析優(yōu)化后的自適應(yīng)BIT檢測電路發(fā)現(xiàn)，對攝像機(jī)一種光電任務(wù)設(shè)備而言，與常規(guī)的基于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的檢測電路相比，自適應(yīng)檢測電路體積僅占常規(guī)檢測電路種A/D570轉(zhuǎn)換器芯片體積的1/8、所選四運(yùn)算放大器LM124芯片市場價(jià)格僅是A/D570的1/40。由此看出，僅調(diào)理電路一部分，就使體積縮小了75%，成本降低了40倍，且基于A/D設(shè)計(jì)方法中占用的3個(gè)字節(jié)(24 bit)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)降低為6 bit的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，節(jié)約了3倍的有限資源，特別是器件數(shù)量減少，收獲了系統(tǒng)可靠性增長[4]的效果，有效保障了任務(wù)設(shè)備控制與運(yùn)行的安全性。

5 結(jié)束語

仿真分析與驗(yàn)證為BIT檢測電路的設(shè)計(jì)提供了正確依據(jù)。目前，該電路已成功應(yīng)用于某型無人機(jī)機(jī)載任務(wù)設(shè)備控制模塊中，并經(jīng)歷了百余小時(shí)多個(gè)起落的動態(tài)飛行驗(yàn)證。實(shí)際應(yīng)用表明，優(yōu)化后的BIT檢測電路，完全滿足設(shè)計(jì)功能與性能指標(biāo)要求，特別是其具有的自動識別與有效分離電壓狀態(tài)的自適應(yīng)特點(diǎn)，進(jìn)一步省去了機(jī)載計(jì)算機(jī)參與控制的程序編寫工作，減少了軟件設(shè)計(jì)、軟件測試、軟件第三方認(rèn)證以及軟件設(shè)計(jì)文檔等多重工作量，大大節(jié)約了人力資源，降低了人工成本，縮短了研制周期。同時(shí)，其擁有體積小、成本低、可靠性高的優(yōu)越指標(biāo)，被推廣應(yīng)用于其他型號無人機(jī)系統(tǒng)的同類產(chǎn)品、機(jī)載航空電子產(chǎn)品、數(shù)據(jù)鏈產(chǎn)品以及地面站控制設(shè)備中。