Tutorial para configurar un sistema de E/S discretas programables para aplicaciones de aviónica 

Tutorial para configurar un sistema de E/S discretas programables para aplicaciones de aviónica

 

Introducción

Este tutorial describe el diseño de un sistema universal programable de E/S discretas para aplicaciones de aviónica. Está diseñado para funcionar con una fuente de alimentación de avión estándar de 28 VCC. A continuación se muestra un diagrama de bloques del sistema, utilizando varios dispositivos de  Holt IC que interactúan con los sensores GND/Open y Supply/Open y proporcionan una fuente de corriente de 28V y controladores de carga de sumidero de corriente. También tiene una opción de 5V para controlar cargas de bajo voltaje. El sistema planteado de referencia tiene 24 salidas programables y 24 entradas programables. Este diseño de ejemplo se puede modificar fácilmente para adaptarlo a los requisitos del sistema del cliente, donde incluso se pueden conectar directamente las salidas a las entradas para conseguir un sistema en el que cada canal puede ser configurado como entrada (GND/Open y Supply/Open) o como salida (Low-Side o High-Side).

Componentes

Este sistema combinado de entradas y salidas está basado en 3 componentes de Holt IC destinados a sensores discretos-digital. Los dispositivos utilizados son los siguientes:

• HI-8425 y HI-8430 (Salidas): El HI-8425 es un sensor discreto-digital de 8 canales combinado con un controlador de 4 canales LOW-side, mientras que el HI-8430 es un sensor discreto-digital de 8 canales combinado con un controlador de 4 canales HIGH-side. La detección puede ser GND/Open o Supply/Open según lo configurado por el pin SNSE_SEL. La detección Supply/Open también se conoce como detección 28V/Open. Los umbrales del comparador de la ventana del circuito de detección pueden fijarse en los valores internos programados o pueden ajustarse externamente en los pines HI_SET y LO_SET, según se seleccione con el pin THS_SEL. Las salidas digitales SENSE pueden configurarse como tri-estado llevando el pin OE a nivel alto.Todas las entradas de detección están protegidas internamente contra rayos según DO160G, Sección 22, Cat AZ, BZ y ZZ sin componentes externos.

  Tanto el HI-8425 como el HI-8430 ofrecen cuatro switches, 4 Low-Side para el HI-8425, y 4 High-Side para el HI-8430, siendo cada uno de ellos de 200mA.

  Puede consultar en la hoja de características de ambos componentes en los siguientes enlaces (HI-8425 y HI-8430)

• HI-8429 (Entradas): El HI-8429 es un sensor discreto-digital de 8 canales, donde cada entrada se puede configurar individualmente como GND/Open o Supply/Open (28V/Open). Los umbrales de entrada discreta son programables en el rango de 2V a 12V. Un bus SPI se utiliza para configurar los sensores y para leer los datos de los sensores.Todas las entradas de sensado están protegidas internamente contra rayos según RTCA/DO160G, Section 22 Level 3 Pin Injection Test Waveform Set A(3 & 4), Set B (3 & 5A) y Set Z (3 & 5B) sin necesidad de utilizar componentes externos.

  Puede consultar en la hoja de características del HI-8429 en el siguiente enlace.

Salidas discretas

La Figura 1 muestra la disposición para gestionar cuatro cargas de salida programables como GND Low-Side o 28V/5V High-Side. El HI-8425 se utiliza como el controlador de Low-Side; esto tiene la capacidad de absorver hasta 200 mA de corriente de carga y hasta 36V de tensión de carga. Para el lado High-Side, la HI-8430 proporciona 5V y 28V con 200 mA por canal de capacidad. Todos los controladores Holt IC tienen limitación de corriente y protección contra sobrecarga por temperatura. Las entradas de estos dispositivos no se utilizan, ya que la detección de entrada se realizará mediante 3 HI-8429 que se describen más adelante.

Fig. 1 – Disposición del accionamiento de salida discreta – 4 canales

Para cada canal, las tres salidas discretas de los controladores están conectadas en paralelo. Los controladores individuales se habilitan activando las entradas SEL_IN del paquete de CI respectivo. Las señales SEL_IN se conectan a las salidas GPIO del microprocesador host o FPGA. Las señales SEL_IN de los controladores no utilizados se mantienen a 0V y las salidas de esos controladores son de alta impedancia. La lógica de enclavamiento es necesaria para asegurar que sólo uno de los tres tipos de salida se selecciona para cada canal. Si se seleccionan dos o más salidas para un canal, se producirá contención. No se producirán daños ya que los controladores Holt IC tienen protección de salida. Se utiliza un diodo de protección para evitar daños en el driver de 5V cuando se activa el driver de 28V. El HI-8430 de 5V tiene un voltaje de 6V, con una caída de aproximadamente 0,7V a través del diodo y la pequeña caída a través del transistor del driver, el voltaje de salida será muy cercano a 5V. Cada driver discreto tiene una salida de indicación de FALLO. Una de ellas se pondrá a nivel alto si el driver correspondiente se ha apagado por sobrecorriente o sobrecalentamiento.

La figura 1 muestra la configuración para cuatro canales. Para un sistema de 24 canales se necesitan seis bloques idénticos. Por supuesto, cuando los canales tienen selección de tipo estático (accionamiento de High-Side o accionamiento de Low-Side de 5 V o 28 V), 2 de las salidas del excitador de los canales son innecesarias. En este caso, los canales se asignan a circuitos integrados controladores del tipo adecuado para maximizar la eficiencia.

Entradas discretas

Tres dispositivos HI-8429 proporcionan la interfaz de entrada del sensor. Estos son programables como GND/Open o Supply/Open a través de la interfaz SPI. Los umbrales alto y bajo también son programables dentro del rango de 2 a 12V, utilizando la misma interfaz SPI que «encadena» (daisy chains) los 3 dispositivos en serie. La corriente de humectación (corriente cuando el contacto de detección está cerrado) es de aproximadamente 1,2 mA para los contactos GND/Open y de 0,9 mA para los contactos 28 V/Open.

Figura 2 – Tres dispositivos HI-8429 configurados como 24 canales de entrada de sensorización

Combinación de entradas y salidas discretas

Si se desea, una entrada de detección y una salida pueden combinarse para proporcionar un canal de E/S discreta totalmente programable, pudiendo ser configurado como entrada (GND/Open y Supply/Open) o como salida (Low-Side o High-Side).

Fuentes de alimentación

La unidad funcionará a partir de una fuente de alimentación de 28V de la aeronave, además de fuentes de alimentación de 3,3V, 6V y 15V DC, las fuentes de alimentación DC de menor voltaje se pueden derivar de la fuente de alimentación de 28V utilizando convertidores DC-DC. A continuación se muestran los requisitos máximos de corriente, basados en todas las salidas funcionando a la corriente máxima permitida. Las corrientes de 28V y 6V son altas debido a la gran corriente de accionamiento para 24 salidas concurrentes:

• 28V  –> 6A
• 6V    –>6A
• 15V   –> 100mA
• 3,3V –>10mA

Debido a que la corriente total es bastante alta, la placa debe estar diseñada para una buena disipación del calor, utilizando grandes planos de tierra debajo de los HI-8425 y HI-8430. La caja debe tener un buen flujo de aire, puede ser necesario un ventilador para aumentar la refrigeración.

Control del sistema

No se proporciona ningún ejemplo de diseño para el control del sistema, ya que esta función de E/S probablemente forme parte de un diseño más amplio. En la práctica, un microprocesador o FPGA con interfaz SPI y suficientes E/S de propósito general cumple la función de control del host.

Protección contra rayos de entrada

Las entradas de sensorización del HI-8429 han incorporado la protección contra rayos TCA/DO1060G Section 22 Level 3. El Level 4 de protección contra rayos se puede lograr siguiendo las directrices de la Nota de Aplicación AN-305 de Holt IC. Las salidas discretas no tienen protección contra rayos, sin embargo Holt IC proporciona recomendaciones en cuanto al diseño en una guía disponible en caso de que sea necesario.

Esquemático del sistema completo

En las siguientes imágenes se muestra el esquemático del sistema completo para 24 canales, con todos los componentes necesarios. Puede consultar la Nota de Aplicación original de Holt IC en el siguiente enlace.

Figura 3 – Esquemático con los canales de salida del 1 al 4

Figura 4 – Esquemático con los canales de salida del 5 al 8

Figura 5 – Esquemático con los canales de salida del 9 al 12

Figura 6 – Esquemático con los canales de salida del 13 al 16

Figura 7 – Esquemático con los canales de salida del 17 al 20

Figura 8 – Esquemático con los canales de salida del 21 al 24

Figura 9 – Esquemático con los canales de entrada