摘要：作为系统测试和故障诊断与隔离的一种手段，BIT(BuiltInTest)技术被广泛应用于航空电子设备可靠性、维护性、测试性与安全性设计中。文中针对某型无人机机载任务设备的BIT检测功能以及资源分配指标要求，给出了任务设备控制模块的电路组成。通过分析BIT检测信号类型，介绍了基于A/D转换器单端口多状态电压的BIT检测常规设计方法与电路特点，并针对该电路存在的诸多不足，提出了利用二级管单向导电特性所具备的电子开关功能，设计出可筛选分离不同电压、自动识别单端口多状态电压的自适应BIT检测电路，仿真与飞行验证表明，该电路设计满足了节省资源、减小体积、节能降耗、降低成本以及高可靠性的指标要求，并成功应用于多型无人机的同类产品及其他电子产品中。
关键词：BIT;A/D转换;单端口多状态电压;自适应检测电路
0引言
某型无人机系统要求最大起飞重量不超过10kg，具备执行不同任务可挂载不同任务设备的能力，任务设备涉及光电、红外、雷达等类型。系统应可控制上述不同任务设备，并应对任务设备控制指令传输情况和任务设备工作状态进行实时监测。
从上述系统要求看，飞机平台体积小，任务设备多样化，工作模式多样化，因此导致任务设备控制与实时监测实现相对复杂，进而给机载任务控制器的工作可靠性与通用性提出了更高要求。该型无人机重量与体积指标的严苛要求，使得机载任务设备控制器不具备单独的安装空间，为了适应机载狭小空间工作环境，系统采用将任务设备控制器电路嵌入机载计算机内，以基于机载计算机CPU为核心的硬件架构，形成一个机载计算机内的嵌入式任务设备控制模块，以减小体积和节能降耗，从而满足设计要求。
对任务设备工作状态的实时监测是无人机执行任务作业的基本要求，也是任务控制模块工作的基本可靠性指标要求之一。因为控制模块工作正常与否，直接影响任务设备的作业安全，因此实时监测控制模块的工作状态以及任务设备工作情况尤为重要。
目前，作为系统测试和故障诊断与隔离的一种自检手段，BIT技术[1]被广泛应用于航空电子设备可靠性、维护性、测试性与安全性设计中。下面将对任务设备控制模块BIT检测电路设计展开详细讨论。
1任务设备控制模块组成
如图1所示，根据测试要求，任务设备控制模块的设计可由机载计算机、数字驱动、模拟驱动、BIT检测电路、供电单元组成。其工作过程是机载计算机接收来自无线电数据链上行遥控信道的任务设备控制指令，经过解码、译码后输出开关控制量，分别送给数字驱动、模拟驱动和BIT检测电路。各驱动电路对控制量信号进行适配转换后，再分别传到任务设备和BIT检测电路。任务设备接收到控制量后执行作业动作，并将作业动作执行结果反馈给BIT检测电路。
BIT检测电路主要检测机载计算机控制指令的输出与驱动输出结果正确情况，分别回采机载计算机输出的控制量、数字驱动的开关控制量和模拟驱动的三态电压控制量，采集结果与机载计算机输出进行比对，完成回绕式BIT检测，然后将比对结果以状态形式，经机载计算机进行遥测数据的组帧编码，再由无线电数据链的下行遥测信道传至地面站，对任务设备工作状态进行实时监控。这里遥测数据帧给任务控制设备的BIT检测的容量分配是一个字节共计8bit数据内存。
2BIT检测电路设计
2.1设计分析
图1中，BIT检测电路的输入信号包含了开关量、多种状态电压两种类型。其中开关量是二进制数字信号，机载计算机CPU的I/O口可直接识别，可通过数字整形电路直接输入机载计算机I/O口进行采集。
而模拟驱动输出的是一个端口多种状态电压形式的信号控制量，显然与机载计算机CPU的I/O口电平不匹配。
这里，以某光电任务设备摄像机的控制模式为例，该型无人机对摄像机具有控制电源开/关、焦距长/短、镜头远/近、光圈大/小的功能要求，其中，电源开/关为二进制数字信号的控制量，可由数字整形电路隔离后，直接进入机载计算机采集。而焦距、镜头与光圈的控制则为1路信号线上有三种形式的电压信号，分别为(+3V～+6V)、0V、(-3V～-6V)。其中，正电压定义为焦距变长、镜头变远、光圈变大的控制，0V定义为焦距、镜头、光圈停止的控制，负电压定义为焦距变短、镜头变近、光圈变小的控制。
从三种控制电压看，0V可视为二进制信号的TTL低电平，和机载计算机I/O口信号直接对接;正电压(+3V～+6V)也可以通过信号衰减、整形变为TTL高电平，与机载计算机I/O口信号对接;但是负电压信号(-3V～-6V)就不同了，机载计算机的数字I/O无法识别。因此，必须对其进行相应的信号处理，把负电压变为二进制数字信号，即把现有的一个端口上的三种状态的电压信号，转换为CPU可识别的二进制的数字状态信号，方可进行电压采集。
2.2基于A/D转换的BIT检测方案
上述分析可以看出，针对(+3V～+6V)、0V、(-3V～-6V)三种电压，若仅考虑信号类型的转换，一般很容易想到通常使用基于CPU控制的模/数转换电路来实现，也就是图2所示的以机载计算机CPU为核心的信号转换检测方案，即三态电压经过信号调理电路后，由机载计算机控制，通过传统的模/数转换电路A/D转换器[2]来完成单端口三态电压的信号采集。
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图2电路设计时选择适合三种电压范围的A/D转换器，将其转换为并行或串行二进制数字信号后，通过数字I/O口进入机载计算机完成信息采集。下面继续用摄像机其中一路信号“焦距”控制为例，给出基于A/D转换器的BIT检测电路，如图3所示。由于输入是过零双极性电压信号，所以A/D转换器需选择双电源供电的ADC芯片。考虑此处信号转换目的是把电压信号转换为数字状态信号，焦距控制电压尽管出现了三种状态，但并非是连续的模拟电压信号，于是降低了信号转换精度和量化单位指标的指标要求。因此，这里选取的A/D转换器是目前市场供货充足、具有双电源供电、且带有8路模拟开关的8位模数转换芯片AD570。图3中部分信号连接属性如下：
PIN13：连接输入的焦距控制信号，即直流电压(-3V～-6V)、0V和(+3V～+6V);
PIN10与PIN12：为供电输入。分别接入+12V与-12V直流电源;
PIN10：为片选信号。与机载计算机的I/O口连接，当机载计算机I/O给此管脚输入高电平时开始A/D转换，输入低电平时禁止A/D转换;
PIN17：为转换结束标志。与机载计算机的另一个I/O口连接，进行A/D转换时此管脚输出高电平，A/D转换结束时输出低电平。
8位量化单位是0～255，对应十六进制表示为00H～FFH。因此，三个电压中若最高值+6V对应数字量表示为FFH，则0V对应数字量表示为7FH，最低值-6V对应数字量表示为00H。
当输入信号分别是-6V、0V、+6V时，机载计算机控制A/D570的PIN10片选信号依次转换，分别得到一个字节8bit的00H、7FH或FFH数据，也就是焦距对应的长焦、停止变焦、短焦三个工作状态的BIT检测结果，需要占用1个字节的存储空间。换而言之，转换1路焦距需要1个字节数据存储单元，若加上镜头和光圈2路工作状态，则检测数据共需要3个字节24bit的数据存储空间。
显然，这不满足系统给定的BIT检测容量分配一个字节的指标要求。也就是说要实现摄像机一种任务设备的BIT检测，不仅要增加硬件电路数量，导致体积增大与可靠性降低，而且还要占用机载计算机更多的数据内存空间和遥测数据帧字节，进而导致无线电数据链信道传输带宽的增加，无疑加重了信道的传输负担，造成了有限资源的浪费。
3.自适应BIT检测电路设计
为了克服基于A/D转换器BIT检测电路硬件电路复杂、状态采集受控、存储资源浪费以及无线电数据链信道带宽增加等不足，必须设计一种无需控制，并能够自动识别1个端口3种电压状态，进而转换成二进制状态数据的自适应检测电路[3]，来实现有限资源条件下任务设备的BIT状态检测功能。
从图1可以看出，多种电压状态量来源于模拟驱动电路的输出，该驱动电路的输入来自机载计算机I/O输出的二进制编码，因此可逆向思维考虑，如何设计一种“三变二”的逆向转换电路，便可实现三态电压转换为二进制数字信号功能，也就完成了TTL电平形式的转换。
这里，首先要解决的问题是在1路信号线上能够自动分离出三种电压状态。开关量即为开关状态量，也是二进制逻辑电平量，逻辑电平属于数字电路系统，构成数字电路的基本单元是晶体管，也就很容易想到用半导体二极管来实现电平选择功能。
由于半导体二极管具有单向导电的特性，在正偏压下PN结导通，在导通状态下的电阻很小，约为几十至几百欧;在反向偏压下，则呈截止状态，其电阻很大，利用这一特性，二极管在电路中具有控制电流接通或关断的作用，这便具备了一个理想的电子开关功能，也就是常说的二极管的开关特性。在此，不防利用二极管正向电压导通、反向电压截止的开关特性，对三种状态电压进行筛选分离。即用两个开关二极管设置一个正向开关和一个反向开关，当输入正电压时，正向开关导通，反向开关截止;输入0V时，正向开关与反向开关两端等电位为0V;输入负电压时，正向开关截止，反向开关导通。——论文作者：张晨1，崔利军2，李飞晟2，陈秋丰2，韩大全2
