摘要：高性能的矩陣開關模塊是測試系統實現通用性的關鍵。本文介紹了一種高性能的VXI矩陣開關的研制，闡述了模塊的設計原理，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。

關鍵詞：VXI；矩陣開關；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易于組合的優點后產生的，符合測試系統通用性、小型化、模塊化的發展方向，它集中了智能儀器、個人儀器和測試系統的特長，具有小型便攜、傳輸速度快、模塊化結構、組建和使用靈活方便等優點，是先進的測試和檢測儀器總線，是組成測試系統的首選，矩陣開關模塊不僅是組成測試系統不可缺少的組成部分，而且是實現測試系統通用性的最關鍵的部分：電源、信號源等激勵信號通過矩陣開關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的測試儀器、儀表。因此，研制高性能的矩陣開關模塊是測試系統實現通用性的重要條件。

設計原理

矩陣開關模塊的主要作用是實現測試系統與被測對象間的信號切換，從而使測試系統為被測對象提供工作環境，實現被測對象脫離系統情況下的測試、檢測和故障診斷。因此，必須保證矩陣開關工作可靠，性能穩定，操控簡便，配置靈活。圖1是矩陣開關原理方框簡圖。

設計時，采用單位矩陣設計，即以4×16作為單位矩陣，在使用時，用戶可根據需要通過跳線的方式對4塊單位矩陣進行組合，矩陣開關模塊支持以下模式：4×64、8×32、16×16、2×8×16、2×4×32、4×4×16等，以適應不同被測對象的需要。

電路設計及器件選擇

矩陣開關模塊主要由接口電路、驅動電路、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

接口電路設計采用FPGA設計，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、寄存器的初始設定，判定系統是否通過自檢，并在接到清除、結束操作及復位等命令后，使系統返回初始狀態；繼電器控制電路主要產生對繼電器的控制信號。

驅動電路

同5V繼電器相比，12V繼電器具有可靠性和信號隔離度高、性能穩定等特點，因此在模塊設計時，選擇12V繼電器作為矩陣開關的切換控制繼電器。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，需要驅動電路將TTL電平轉化為12V，以控制繼電器實現信號的切換，在設計中，選擇8高電壓大電流達林頓晶體管陣列驅動器ULN 2981A和 ULN 2803A分別為矩陣繼電器的行和列提供驅動電壓。ULN 2981A和 ULN 2803A是TTL和大電流、高電壓系統間的通用接口，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模塊的核心和關鍵，要正確地將某一行的信號切換到某一列，而不產生錯誤切換，普通的繼電器無法實現矩陣開關的多路切換，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

設計時的難點是如何在將多路信號準確無誤繼電器工作電壓撤去后使其保持鎖定狀態，通過大量的分析、對比及實驗，選用G6HK—2型繼電器，其結構原理示意圖如圖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，2、9引腳為常閉點，4、7引腳為常開點。其工作原理如下：初始狀態下，行H和行L控制線為0V，列控制線為12V；當行H控制線和列控制線狀態改變，即行H控制線從0V變為12V，列控制線從12V變為0V時，繼電器工作，常開點4引腳與3引腳、7引腳與8引腳閉合，此時將4腳與7腳的行H與行L數據分別切換到列H與列L，然后將行H控制線和列控制線恢復到初始狀態，此時，繼電器處于保持鎖定狀態，不受其他信號的影響，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，即行L控制線由0V變為12V，列控制線由12V變為0V，則繼電器泄放，斷開行、列信號，回到初始狀態。

電路中，二極管的作用有二：一是在行L恢復后防止兩線包之間構成回路；二是在初始狀態時防止反向電流。

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表

注：表中0為低電平：1代表高電平

接口電路按照圖3的控制順序送入控制繼電器工作的TTL控制信號，經驅動電路變為12V，送至相應的繼電器，使其動作，然后使繼電器工作在保持鎖定狀態，將相應的行信號切換到列上，完成1路信號的切換。例如要將第4行的信號切換到第3列，則通過控制第4行的行驅控制線和第3列的列驅控制線，則此時只有4行3列的繼電器受控工作，將第4行的信號切換到第3列。按同樣的方法逐個切換相應的信號，完成所有信號的切換，從而實現其功能。圖4是單位矩陣開關電路示意圖。

選擇不同配置時，只需改變信號線的連接方式，而無需變動驅動線，使驅動控制方式簡便、易于實現。需選擇配置時，只需通過跳線連接或斷開單元矩陣間的行、列信號線，即可實現多種配置：當4個單元矩陣間不接跳線時，為4×4×16模塊；當4個單元矩陣的對應列信號相接、行信號不接，則組合成16×16模塊；當單元矩陣的對應行信號兩兩相接，而列信號不接，則組合成2×4×32模塊；當4個單元矩陣的對應行信號相接、列信號不接，則組合成4×64模塊；當單元矩陣的對應行、列信號都兩兩相接，則組合成8×32模塊；當單元矩陣的對應列信號兩兩相接，而行信號不接，則組合成2×8×16模塊。

性能分析

矩陣開關的切換控制通過HP VEE編程實現，具有切換速度快、工作可靠、性能穩定、配置靈活等特點，其主要性能指標如下：

單路信號的切換時間：小于6μs；

最大切換電壓：200V；

最大信號頻率：對正弦波30MHz；

對其它信號（如方波、三角波、鋸齒波等）10MHz；

信號失真率：小于5%；

配置靈活：支持4×64、8×32等六種配置模式。

結語

該VXI矩陣開關模塊結構合理、配置靈活，具有易于控制、工作穩定可靠、抗干擾能力強、易于操控的特點，能夠適應用戶的不同需要。