作者：軍械工程學院 張宏偉 尚朝軒 于久恩 來源：《電子產(chǎn)品世界》

一種高性能的vxi矩陣開關(guān)模塊的研制 摘要：高性能的矩陣開關(guān)模塊是測試系統(tǒng)實現(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)點后產(chǎn)生的，符合測試系統(tǒng)通用性、小型化、模塊化的發(fā)展方向，它集中了智能儀器、個人儀器和測試系統(tǒng)的特長，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，是先進的測試和檢測儀器總線，是組成測試系統(tǒng)的首選，矩陣開關(guān)模塊不僅是組成測試系統(tǒng)不可缺少的組成部分，而且是實現(xiàn)測試系統(tǒng)通用性的最關(guān)鍵的部分：電源、信號源等激勵信號通過矩陣開關(guān)切換到被測對象的任意輸入端口；同時，將被測對象輸出端口的信號自動切換到相應(yīng)的測試儀器、儀表。因此，研制高性能的矩陣開關(guān)模塊是測試系統(tǒng)實現(xiàn)通用性的重要條件。

設(shè)計原理

矩陣開關(guān)模塊的主要作用是實現(xiàn)測試系統(tǒng)與被測對象間的信號切換，從而使測試系統(tǒng)為被測對象提供工作環(huán)境，實現(xiàn)被測對象脫離系統(tǒng)情況下的測試、檢測和故障診斷。因此，必須保證矩陣開關(guān)工作可靠，性能穩(wěn)定，操控簡便，配置靈活。圖1是矩陣開關(guān)原理方框簡圖。

設(shè)計時，采用單位矩陣設(shè)計，即以4×16作為單位矩陣，在使用時，用戶可根據(jù)需要通過跳線的方式對4塊單位矩陣進行組合，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)不同被測對象的需要。

電路設(shè)計及器件選擇

矩陣開關(guān)模塊主要由接口電路、驅(qū)動電路、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)計采用fpga設(shè)計，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模塊和寄存器的譯碼；初始化電路完成對接口、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)生對繼電器的控制信號。

驅(qū)動電路

同5v繼電器相比，12v繼電器具有可靠性和信號隔離度高、性能穩(wěn)定等特點，因此在模塊設(shè)計時，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為ttl電平，因此，需要驅(qū)動電路將ttl電平轉(zhuǎn)化為12v，以控制繼電器實現(xiàn)信號的切換，在設(shè)計中，選擇8高電壓大電流達林頓晶體管陣列驅(qū)動器uln 2981a和 uln 2803a分別為矩陣繼電器的行和列提供驅(qū)動電壓。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：輸入端具有箝位二極管；輸入兼容性強；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，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切換到某一列，而不產(chǎn)生錯誤切換，普通的繼電器無法實現(xiàn)矩陣開關(guān)的多路切換，需要切換控