离散量信号处理

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引言

    在现代电子控制系统中，大量的指示灯状态、开关阀门状态、电机转动等信息都是通过离散量来进行表征，而离散量都是通过计算机进行控制的[1]。作为控制电路中的重要组成部分，离散量处理电路正在随着微电子技术的发展从传统的较复杂的分立元器件搭建电路向着更加简单、安全、可靠的集成电路方向发展[2]。

! k" [/ y8 \. q) W- j8 h    本文从离散量概念出发，对离散量处理电路国内外发展现状进行简要的论述，最后根据国内微电子技术的发展态势展望离散量处理电路在中国的发展方向。

7 H; P' F! I, D. ]+ d1 k3 j, v. W1 概述

9 g4 G' r  y2 k8 b8 }    自然界产生的信号，宏观上为模拟量[3]，对模拟量信号进行抽样得到的信号就是离散量信号。离散量是只有两个状态的开关量的集合。离散量信号通常划分为“地/开”、“电压/地”和“电压/开”（开指开路状态）三种类型，其中电压根据系统要求不同可以是+10 V、+15 V、+28 V等形式。
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3 a' i3 C. l$ t2 n3 K3 ?" ]- [0 n* I    离散量信号开关状态的认知和应用推动着计算机科学技术的发展，奠定了第三次科技革命的基础。同时离散量的概念在现代工业自动化控制中有着重要的意义。它把零散的信息根据逻辑关系有规律地整合起来，便于工业计算机计算、存储、处理和传输，有时也把无逻辑关系的开关量信息整合以便于通信传输。近年来随着离散量信号在工业控制、汽车电子、航空电子领域的广泛应用，其使用数量的规模也在大幅度增加，更简便、更安全、更可靠的离散量处理技术正在悄然地发生着改变[4]。
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5 a+ f0 K0 G5 Y$ f0 k/ H2 国内离散量处理电路发展现状
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$ s; L+ b3 [, T; B    国内离散量处理电路分为两大类：输入型离散量处理电路和输出型离散量处理电路[5]。输入型离散量电路主要用于计算机等控制器采集外部状态指示，开关状态等信息信号的处理，保证信号的准确性。输出型离散量处理电路主要用于计算机等控制器输出状态控制信息驱动负载，增加控制器的驱动带载能力[6]。电子控制系统中，通用离散量转换示意图如图1所示。下面分别对输入离散量和输出离散量进行阐述。

2.1 输入型离散量处理电路发展现状

0 T( k0 u1 _+ X, x5 B, Q; i    参考文献[2]提出：离散量输入处理电路的一般处理流程为：外部输入高压大电流信号经过隔离及雷电防护后，降压滤波消抖，最后由计算机总线读入，离散量输入具有BIT自检测能力。

    目前，行业内离散量输入处理电路实现方式主要有隔离型离散量输入电路和非隔离型离散量输入处理电路。两种实现方式不同，但都是通过分立元器件搭建电路。        隔离型离散量输入处理电路一般由光耦和分立电阻电容搭建形成，优点是可以实现外部输入离散量与内部采集电路的电气隔离，但缺点也很明显，如体积、重量、复杂度对内部电路的影响，光耦器件受环境因素影响带来的导通电流变化等。加之系统输入离散量类型不统一，尤其是对于多路离散量输入时，需要搭建符合各类型离散量电路，电路拓扑参数各异，不易于维护，且电路繁杂，占用很大布板面积。
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    非隔离型离散量输入处理电路一般有两种实现方式：由分立阻容器件搭建的电路和由比较器与阻容搭建的电路。分立阻容器件搭建的电路设计简单，价格低廉，但器件众多，可靠性差，更改阈值繁琐，输出形式单一；基于比较器与阻容器件搭建的电路阈值可以精确设置，并且同类型离散量可以使用相同处理电路，阈值更改较分立阻容器件更改简便，但同样具有体积庞大，使用器件数量多等共性缺点[4]。
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) U# e2 O! n2 P& E( s    综上所述，目前国内离散量输入处理的方式主要以分立器件实现，因此体积庞大，使用器件数量多，维护及更改设计都较为不便。

2.2 输出型离散量处理电路发展现状
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. H, P& w& k, K: g. c) ?    离散量输出处理电路一般处理流程为：将输出离散量信号锁存在固定时间段内输出，再将输出信号隔离并进行放大，以匹配负载驱动门限，同时输出离散量信号具有异常监控和保护功能（如雷电防护、过流过压过热保护等）[7]。
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    目前，在电子控制领域内输出型离散量处理的方式有隔离型和非隔离型两种，与输入型离散量处理方式相同，也多通过分立器件搭建处理电路。下面具体介绍。

8 Z( f" c8 w# Z/ l$ ^6 F$ P    (1)隔离型离散量输出。该类型电路一般是通过继电器与驱动三极管组成，输出离散量信号由驱动三极管将输出电流放大后再驱动继电器实现输出，继电器种类众多可实现不同输出电流要求的离散量输出，该种电路实现了输出离散量的隔离，且电路设计简单，但是由于是继电器与分立阻容器件搭建，依然摆脱不了体积大、重量增加等共性问题，且继电器输出电路的异常保护设计比较困难，辅助性电路太多[8]。
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: d, Y7 u4 a; f% N0 `: d* s, `    (2)非隔离型离散量输出。该类型电路一般使用在小电流离散量输出场合，由总线锁存驱动电路与达林顿晶体管搭建，控制简单且有小型化集成电路可用，同时还可以驱动感性负载，但是该类型电路驱动电流较小，无法实现内外电路的隔离，如果需要异常保护也需要增加辅助电路，相对也占用板面积资源[9-10]。

    综上所述，目前国内的离散量输出处理电路主要以分立器件实现，其体积大、保护电路设计复杂且辅助电路较多。

3 国外离散量信号处理的发展现状
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    上世纪90年代，国外学术界和工业界针对离散量信号实现繁琐的共性问题已展开积极的研究，目前相关产品已日趋成熟，相关研究和应用呈现以下四个特点：
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! X2 p6 e6 U+ E+ T% Z! r    (1)对离散量信号的研究和定义趋于标准化，制定了完善的产品和试验体系。通过对离散量航空环境、离散量信号安全性和可靠性的研究，国外相关公司和研究机构针对离散量信号定义了多项标准体系，如空中客车的ABD0100H及RTCA DO-160系列实验性标准，对离散量信号的特征和试验方法进行了明确定义[11-12]。
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    (2)离散量信号的转换和处理电路日趋小型化、集成化。随着半导体技术的不断进步，离散量信号的处理和驱动电路均可采用集成电路的设计方法实现。查找专利数据库可知，最早的离散量集成化专利授权是1998年欧洲专利局授权给DDC，在随后的十几年中，DEI、HOLT等公司提供了较为完善的集成离散量转换和处理产品[13]。

9 q+ W6 z( ]8 o6 ^# S" f- F    (3)离散量信号的安全性和可靠性要求不断提高。离散量信号由以前定义的低速、低电压信号向高速、高电压、高浪涌和高确定性等方向发展，相应的处理技术及防护技术不断进步，国外已设计出片内可实现闪电防护的产品[14]。

$ H; o2 M' B) _. p$ @; r/ r* C    (4)离散量信号处理技术的水平不断提高，产品被大公司垄断。离散量信号处理即驱动电路的集成小型化芯片实现技术与工业控制即航空应用密切相关，由于关键的电气防护，大电流驱动、失效保护和故障隔离等技术不易掌握，相关产品主要被DEI、HOLT、Infineon等公司所垄断[15]。

    综上所述，国外离散量处理电路正在向着标准化、集成化、高可靠性、系列化等多个维度发展，产品技术趋于垄断。

8 v9 C% T! L5 O. h* i: m4 离散量处理电路的未来发展趋势
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1 E$ N1 ]# P  M$ y    通过对上述国内与国外离散量处理方式的对比可知：目前国内离散量处理电路采用分立器件实现的方式，使用比较器芯片实现电平转换，电阻和电容器实现RC滤波，且自检等功能需要大量逻辑器件完成[16]。而离散量驱动方式仍采用IGBT驱动等较为简单的方式，错误监控耗费资源大且监测范围小，与国外的集成化、小型化的技术趋势存在不小的差距。主要有：

    (1)相对国外完整的标准体系，国内至今没有制定过离散量处理的相关标准，导致国内各单位没有统一的接口处理方案，在电子系统集合时存在大量的冲突，导致系统低效[7]。
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% |- t8 Z% `5 Y* c    (2)相对国外成熟的产品体系，国内至今没有完整对应的产品体系可以覆盖各控制领域的需求。

! g9 M; }1 a) S, n4 l    (3)国内缺乏保证离散量信号安全性和可靠性的技术积累，在电路小型化、集成化设计及防护等方面存在技术空白。

    应对以上我国在该领域与国外的差距，未来我国针对工业控制等领域对高性能离散量信号处理的高可靠性智能化的应用需求应该做到：
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# P6 z+ b0 i# j5 d. x! S" _    (1)创新性的研制具有自主知识产权的系列产品。目前，国内一些相关科研院所及公司已对离散量处理开展了系列研究工作。如西安翔腾微电子科技有限公司的32路离散量输入处理芯片HKA03201等，为我国在该领域的研究发展起到很好的带头作用，未来仍需加大研发力度，早日实现产品系列化。

    (2)编制统一的国家标准。从国家的角度推进标准化的研制框架，完善该领域产品和试验体系，以解决目前各种处理方案不统一的现状，提高产品模块的兼容性。

5 L* d$ n  G; \    (3)系统智能化发展。研制产品的用途是应用，为应对未来离散量处理小型化、系列化的趋势，离散量处理电路不仅要着眼于自主芯片的研制更应着眼于基于芯片的离散量输入接口全套解决方案，将同类型处理电路做到标准化、统一化。
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5 结论

    本文对离散量处理国内外的发展现状进行了对比研究，指出了离散量处理的未来发展趋势。随着我国工业控制智能化的发展，离散量的使用量会继续增大。随着信息采集可靠性需求不断提高，我国在离散量处理领域的传统分立器件方案必然会逐步被集成自检测、冗余、错误校验、错误隔离和电气防护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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国内离散量处理电路分为两大类：输入型离散量处理电路和输出型离散量处理电路