摘要：高性能的矩陣開關(guān)模塊是測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通用性的關(guān)鍵。本文介紹了一種高性能的VXI矩陣開關(guān)的研制，闡述了模塊的設(shè)計(jì)原理，給出了電路組成和重要器件的工作原理和控制過程，并簡(jiǎn)要分析了模塊的性能。

關(guān)鍵詞：VXI；矩陣開關(guān)；FPGA；切換控制

引言

VXI總線是在吸取了VME總線高速通信和GP-IB易于組合的優(yōu)點(diǎn)后產(chǎn)生的，符合測(cè)試系統(tǒng)通用性、小型化、模塊化的發(fā)展方向，它集中了智能儀器、個(gè)人儀器和測(cè)試系統(tǒng)的特長(zhǎng)，具有小型便攜、傳輸速度快、模塊化結(jié)構(gòu)、組建和使用靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，是先進(jìn)的測(cè)試和檢測(cè)儀器總線，是組成測(cè)試系統(tǒng)的首選，矩陣開關(guān)模塊不僅是組成測(cè)試系統(tǒng)不可缺少的組成部分，而且是實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)通用性的最關(guān)鍵的部分：電源、信號(hào)源等激勵(lì)信號(hào)通過矩陣開關(guān)切換到被測(cè)對(duì)象的任意輸入端口；同時(shí)，將被測(cè)對(duì)象輸出端口的信號(hào)自動(dòng)切換到相應(yīng)的測(cè)試儀器、儀表。因此，研制高性能的矩陣開關(guān)模塊是測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通用性的重要條件。

設(shè)計(jì)原理

矩陣開關(guān)模塊的主要作用是實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)與被測(cè)對(duì)象間的信號(hào)切換，從而使測(cè)試系統(tǒng)為被測(cè)對(duì)象提供工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象脫離系統(tǒng)情況下的測(cè)試、檢測(cè)和故障診斷。因此，必須保證矩陣開關(guān)工作可靠，性能穩(wěn)定，操控簡(jiǎn)便，配置靈活。圖1是矩陣開關(guān)原理方框簡(jiǎn)圖。

設(shè)計(jì)時(shí)，采用單位矩陣設(shè)計(jì)，即以4×16作為單位矩陣，在使用時(shí)，用戶可根據(jù)需要通過跳線的方式對(duì)4塊單位矩陣進(jìn)行組合，矩陣開關(guān)模塊支持以下模式：4×64、8×32、16×16、2×8×16、2×4×32、4×4×16等，以適應(yīng)不同被測(cè)對(duì)象的需要。

電路設(shè)計(jì)及器件選擇

矩陣開關(guān)模塊主要由接口電路、驅(qū)動(dòng)電路、切換控制電路和面板插座等組成。其核心部分是切換控制電路。

接口電路

接口電路設(shè)計(jì)采用FPGA設(shè)計(jì)，選用EPF10K10器件。接口電路包括譯碼電路、初始化電路和繼電器控制電路。其中，譯碼電路主要完成對(duì)模塊和寄存器的譯碼；初始化電路完成對(duì)接口、寄存器的初始設(shè)定，判定系統(tǒng)是否通過自檢，并在接到清除、結(jié)束操作及復(fù)位等命令后，使系統(tǒng)返回初始狀態(tài)；繼電器控制電路主要產(chǎn)生對(duì)繼電器的控制信號(hào)。

驅(qū)動(dòng)電路

同5V繼電器相比，12V繼電器具有可靠性和信號(hào)隔離度高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，因此在模塊設(shè)計(jì)時(shí)，選擇12V繼電器作為矩陣開關(guān)的切換控制繼電器。由于接口電路送入的控制繼電器工作的控制信號(hào)為TTL電平，因此，需要驅(qū)動(dòng)電路將TTL電平轉(zhuǎn)化為12V，以控制繼電器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的切換，在設(shè)計(jì)中，選擇8高電壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列驅(qū)動(dòng)器ULN 2981A和 ULN 2803A分別為矩陣?yán)^電器的行和列提供驅(qū)動(dòng)電壓。ULN 2981A和 ULN 2803A是TTL和大電流、高電壓系統(tǒng)間的通用接口，具有如下特點(diǎn)：輸入端具有箝位二極管；輸入兼容性強(qiáng)；開關(guān)速度快；維持功耗低。

ULN 2803A和 ULN 2981A輸入TTL電平、5V、CMOS兼容，Vce（max）50V，Ic（max）500mA，使用時(shí)，VRR 接12V電源，GND 接地，則1—18、2—17、...... 、8—11構(gòu)成8路輸入/輸出電路。

切換控制電路

切換控制電路是矩陣開關(guān)模塊的核心和關(guān)鍵，要正確地將某一行的信號(hào)切換到某一列，而不產(chǎn)生錯(cuò)誤切換，普通的繼電器無法實(shí)現(xiàn)矩陣開關(guān)的多路切換，需要切換控制電路中的繼電器在撤去工作電壓后具有保持鎖定功能，切換控制電路主要由繼電器及外圍電路組成。

工作原理和控制過程

繼電器工作原理

設(shè)計(jì)時(shí)的難點(diǎn)是如何在將多路信號(hào)準(zhǔn)確無誤繼電器工作電壓撤去后使其保持鎖定狀態(tài)，通過大量的分析、對(duì)比及實(shí)驗(yàn)，選用G6HK—2型繼電器，其結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖2所示。工作電壓為12V、雙線包、具有保持鎖定功能，其各引腳功能為：1、5引腳為工作線包，10、6引腳為泄放線包，3、8引腳為中間點(diǎn)，2、9引腳為常閉點(diǎn)，4、7引腳為常開點(diǎn)。其工作原理如下：初始狀態(tài)下，行H和行L控制線為0V，列控制線為12V；當(dāng)行H控制線和列控制線狀態(tài)改變，即行H控制線從0V變?yōu)?2V，列控制線從12V變?yōu)?V時(shí)，繼電器工作，常開點(diǎn)4引腳與3引腳、7引腳與8引腳閉合，此時(shí)將4腳與7腳的行H與行L數(shù)據(jù)分別切換到列H與列L，然后將行H控制線和列控制線恢復(fù)到初始狀態(tài)，此時(shí)，繼電器處于保持鎖定狀態(tài)，不受其他信號(hào)的影響，如需使繼電器泄放，則改變行L控制線和列控制線上的狀態(tài)，即行L控制線由0V變?yōu)?2V，列控制線由12V變?yōu)?V，則繼電器泄放，斷開行、列信號(hào)，回到初始狀態(tài)。

電路中，二極管的作用有二：一是在行L恢復(fù)后防止兩線包之間構(gòu)成回路；二是在初始狀態(tài)時(shí)防止反向電流。

繼電器控制過程

為更直觀、更形象地說明繼電器的控制過程，下面用波形圖和狀態(tài)表的方式來具體說明其控制過程，見圖3和表1。

表1 繼電器控制過程狀態(tài)表

注：表中0為低電平：1代表高電平

接口電路按照?qǐng)D3的控制順序送入控制繼電器工作的TTL控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路變?yōu)?2V，送至相應(yīng)的繼電器，使其動(dòng)作，然后使繼電器工作在保持鎖定狀態(tài)，將相應(yīng)的行信號(hào)切換到列上，完成1路信號(hào)的切換。例如要將第4行的信號(hào)切換到第3列，則通過控制第4行的行驅(qū)控制線和第3列的列驅(qū)控制線，則此時(shí)只有4行3列的繼電器受控工作，將第4行的信號(hào)切換到第3列。按同樣的方法逐個(gè)切換相應(yīng)的信號(hào)，完成所有信號(hào)的切換，從而實(shí)現(xiàn)其功能。圖4是單位矩陣開關(guān)電路示意圖。

選擇不同配置時(shí)，只需改變信號(hào)線的連接方式，而無需變動(dòng)驅(qū)動(dòng)線，使驅(qū)動(dòng)控制方式簡(jiǎn)便、易于實(shí)現(xiàn)。需選擇配置時(shí)，只需通過跳線連接或斷開單元矩陣間的行、列信號(hào)線，即可實(shí)現(xiàn)多種配置：當(dāng)4個(gè)單元矩陣間不接跳線時(shí)，為4×4×16模塊；當(dāng)4個(gè)單元矩陣的對(duì)應(yīng)列信號(hào)相接、行信號(hào)不接，則組合成16×16模塊；當(dāng)單元矩陣的對(duì)應(yīng)行信號(hào)兩兩相接，而列信號(hào)不接，則組合成2×4×32模塊；當(dāng)4個(gè)單元矩陣的對(duì)應(yīng)行信號(hào)相接、列信號(hào)不接，則組合成4×64模塊；當(dāng)單元矩陣的對(duì)應(yīng)行、列信號(hào)都兩兩相接，則組合成8×32模塊；當(dāng)單元矩陣的對(duì)應(yīng)列信號(hào)兩兩相接，而行信號(hào)不接，則組合成2×8×16模塊。

性能分析

矩陣開關(guān)的切換控制通過HP VEE編程實(shí)現(xiàn)，具有切換速度快、工作可靠、性能穩(wěn)定、配置靈活等特點(diǎn)，其主要性能指標(biāo)如下：

單路信號(hào)的切換時(shí)間：小于6μs；

最大切換電壓：200V；

最大信號(hào)頻率：對(duì)正弦波30MHz；

對(duì)其它信號(hào)（如方波、三角波、鋸齒波等）10MHz；

信號(hào)失真率：小于5%；

配置靈活：支持4×64、8×32等六種配置模式。

結(jié)語

該VXI矩陣開關(guān)模塊結(jié)構(gòu)合理、配置靈活，具有易于控制、工作穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)、易于操控的特點(diǎn)，能夠適應(yīng)用戶的不同需要。