一种高性能的VXI矩阵开关模块的研制

摘要：高性能的矩阵开关模块是测试系统实现通用性的关键。本文介绍了一种高性能的VXI矩阵开关的研制，阐述了模块的设计原理，给出了电路组成和重要器件的工作原理和控制过程，并简要分析了模块的性能。

关键词：VXI；矩阵开关；FPGA；切换控制

引言

VXI总线是在吸取了VME总线高速通信和GP-IB易于组合的优点后产生的，符合测试系统通用性、小型化、模块化的发展方向，它集中了智能仪器、个人仪器和测试系统的特长，具有小型便携、传输速度快、模块化结构、组建和使用灵活方便等优点，是先进的测试和检测仪器总线，是组成测试系统的首选，矩阵开关模块不仅是组成测试系统不可缺少的组成部分，而且是实现测试系统通用性的最关键的部分：电源、信号源等激励信号通过矩阵开关切换到被测对象的任意输入端口；同时，将被测对象输出端口的信号自动切换到相应的测试仪器、仪表。因此，研制高性能的矩阵开关模块是测试系统实现通用性的重要条件。

设计原理

矩阵开关模块的主要作用是实现测试系统与被测对象间的信号切换，从而使测试系统为被测对象提供工作环境，实现被测对象脱离系统情况下的测试、检测和故障诊断。因此，必须保证矩阵开关工作可靠，性能稳定，操控简便，配置灵活。图1是矩阵开关原理方框简图。

设计时，采用单位矩阵设计，即以4×16作为单位矩阵，在使用时，用户可根据需要通过跳线的方式对4块单位矩阵进行组合，矩阵开关模块支持以下模式：4×64、8×32、16×16、2×8×16、2×4×32、4×4×16等，以适应不同被测对象的需要。

电路设计及器件选择

矩阵开关模块主要由接口电路、驱动电路、切换控制电路和面板插座等组成。其核心部分是切换控制电路。

接口电路

接口电路设计采用FPGA设计，选用EPF10K10器件。接口电路包括译码电路、初始化电路和继电器控制电路。其中，译码电路主要完成对模块和寄存器的译码；初始化电路完成对接口、寄存器的初始设定，判定系统是否通过自检，并在接到清除、结束操作及复位等命令后，使系统返回初始状态；继电器控制电路主要产生对继电器的控制信号。

驱动电路

同5V继电器相比，12V继电器具有可靠性和信号隔离度高、性能稳定等特点，因此在模块设计时，选择12V继电器作为矩阵开关的切换控制继电器。由于接口电路送入的控制继电器工作的控制信号为TTL电平，因此，需要驱动电路将TTL电平转化为12V，以控制继电器实现信号的切换，在设计中，选择8高电压大电流达林顿晶体管阵列驱动器ULN 2981A和 ULN 2803A分别为矩阵继电器的行和列提供驱动电压。ULN 2981A和 ULN 2803A是TTL和大电流、高电压系统间的通用接口，具有如下特点：输入端具有箝位二极管；输入兼容性强；开关速度快；维持功耗低。

ULN 2803A和 ULN 2981A输入TTL电平、5V、CMOS兼容，Vce（max）50V，Ic（max）500mA，使用时，VRR 接12V电源，GND 接地，则1—18、2—17、...... 、8—11构成8路输入/输出电路。

切换控制电路

切换控制电路是矩阵开关模块的核心和关键，要正确地将某一行的信号切换到某一列，而不产生错误切换，普通的继电器无法实现矩阵开关的多路切换，需要切换控制电路中的继电器在撤去工作电压后具有保持锁定功能，切换控制电路主要由继电器及外围电路组成。

工作原理和控制过程

继电器工作原理

设计时的难点是如何在将多路信号准确无误继电器工作电压撤去后使其保持锁定状态，通过大量的分析、对比及实验，选用G6HK—2型继电器，其结构原理示意图如图2所示。工作电压为12V、双线包、具有保持锁定功能，其各引脚功能为：1、5引脚为工作线包，10、6引脚为泄放线包，3、8引脚为中间点，2、9引脚为常闭点，4、7引脚为常开点。其工作原理如下：初始状态下，行H和行L控制线为0V，列控制线为12V；当行H控制线和列控制线状态改变，即行H控制线从0V变为12V，列控制线从12V变为0V时，继电器工作，常开点4引脚与3引脚、7引脚与8引脚闭合，此时将4脚与7脚的行H与行L数据分别切换到列H与列L，然后将行H控制线和列控制线恢复到初始状态，此时，继电器处于保持锁定状态，不受其他信号的影响，如需使继电器泄放，则改变行L控制线和列控制线上的状态，即行L控制线由0V变为12V，列控制线由12V变为0V，则继电器泄放，断开行、列信号，回到初始状态。

电路中，二极管的作用有二：一是在行L恢复后防止两线包之间构成回路；二是在初始状态时防止反向电流。

继电器控制过程

为更直观、更形象地说明继电器的控制过程，下面用波形图和状态表的方式来具体说明其控制过程，见图3和表1。

表1 继电器控制过程状态表

注：表中0为低电平：1代表高电平

接口电路按照图3的控制顺序送入控制继电器工作的TTL控制信号，经驱动电路变为12V，送至相应的继电器，使其动作，然后使继电器工作在保持锁定状态，将相应的行信号切换到列上，完成1路信号的切换。例如要将第4行的信号切换到第3列，则通过控制第4行的行驱控制线和第3列的列驱控制线，则此时只有4行3列的继电器受控工作，将第4行的信号切换到第3列。按同样的方法逐个切换相应的信号，完成所有信号的切换，从而实现其功能。图4是单位矩阵开关电路示意图。

选择不同配置时，只需改变信号线的连接方式，而无需变动驱动线，使驱动控制方式简便、易于实现。需选择配置时，只需通过跳线连接或断开单元矩阵间的行、列信号线，即可实现多种配置：当4个单元矩阵间不接跳线时，为4×4×16模块；当4个单元矩阵的对应列信号相接、行信号不接，则组合成16×16模块；当单元矩阵的对应行信号两两相接，而列信号不接，则组合成2×4×32模块；当4个单元矩阵的对应行信号相接、列信号不接，则组合成4×64模块；当单元矩阵的对应行、列信号都两两相接，则组合成8×32模块；当单元矩阵的对应列信号两两相接，而行信号不接，则组合成2×8×16模块。

性能分析

矩阵开关的切换控制通过HP VEE编程实现，具有切换速度快、工作可靠、性能稳定、配置灵活等特点，其主要性能指标如下：

单路信号的切换时间：小于6μs；

最大切换电压：200V；

最大信号频率：对正弦波30MHz；

对其它信号（如方波、三角波、锯齿波等）10MHz；

信号失真率：小于5%；

配置灵活：支持4×64、8×32等六种配置模式。

结语

该VXI矩阵开关模块结构合理、配置灵活，具有易于控制、工作稳定可靠、抗干扰能力强、易于操控的特点，能够适应用户的不同需要。