龔靖傑，鄧 哲，王家樂，張永亮，張夢妍

(北京強度環(huán)境研究所，北京 100076)

0 引言

隨著我國工業(yè)和軍事技術的快速發(fā)展，各領域所用測試和信號傳輸系統(tǒng)的復雜度越來越高、規(guī)模越來越大、信號通道數(shù)也越來越多。這些系統(tǒng)在使用過程中，往往會面臨著要將有限的資源(如頻道、稀有測試設備等)進行充分利用的問題。因此需要在多通道信號系統(tǒng)中增加切換設備，以實現(xiàn)資源的靈活調(diào)配、完成信號流的通道間切換[1-2]。

傳統(tǒng)的多通道信號切換設備是由多個繼電器開關矩陣級聯(lián)組成，由于采用了大量的繼電器，使得整個設備體積龐大、控制電路復雜、響應時間長、功耗大、觸點壽命短[3-4]。且因為設備內(nèi)元件繁多，在生產(chǎn)過程中，易受操作者技能、焊接和器件質(zhì)量等因素的影響，難以保證整套設備的可靠性[5]。針對上述問題，本文采用高度集成的AD75019型模擬開關矩陣芯片，設計了一款32輸入×32輸出的多通道差分信號切換設備。該設備支持內(nèi)部可充電電池和外部220 V交流輸入的雙電源供電，且可通過觸摸式液晶屏完成通道間連接狀態(tài)的配置，實現(xiàn)任意輸入與輸出通道之間的連通和切換，具有體積小、重量輕、操作簡單、攜帶方便等特點。

1 設備硬件設計

多通道信號切換設備由電源管理模塊(含可充電鋰電池)、交叉開關矩陣陣列、觸摸式液晶屏、嵌入式微控制器和高密度輸入/出接口等部件構成，整體硬件構架如圖1所示。

電源管理模塊負責將外部輸入交流電源或內(nèi)置鋰電池電壓調(diào)理至后端模塊所需電壓；交叉開關矩陣陣列負責根據(jù)程序控制時序，對各輸入、輸出通道間開關的狀態(tài)進行設置；觸摸式液晶屏用于顯示當前設備狀態(tài)，并能對用戶輸入的設置信息進行采集和下發(fā)；嵌入式微控制器是整個設備的控制中心，它能夠通過觸摸式液晶屏獲取用戶下發(fā)的設置指令，并將指令轉換為符合協(xié)議的控制時序后發(fā)送給交叉開關矩陣陣列；高密度輸入/出接口用于引入外部輸入信號通路和引出配置后的信號輸出通路。

1.1 電源管理模塊

為提高信號切換設備的適應性和可靠性，在電源管理模塊設計過程中一方面采用了外部交流輸入和內(nèi)置充電電池的雙電源供電模式；另一方面在電壓調(diào)理單元中為開關矩陣陣列提供了±12 V的輸入信號范圍，大大提高了設備對不同類型信號的兼容能力。電源管理模塊內(nèi)部結構和功能示意圖如圖2所示。

圖2 電源管理模塊內(nèi)部結構和功能示意圖

各功能單元中，首先由開關電源(AC/DC)將外部輸入的220 V交流電轉換成+5 V直流為整個后端電路供電。然后通過LTC4040型電池充電管理單元對可充電鋰電池進行充放電管理，單元內(nèi)部集成了動態(tài)電源路徑管理和電池充電功能，能夠根據(jù)電池或直流電源電壓的大小動態(tài)選擇供電通路和充放電方案，同時LTC4040還可對前端輸入的+5 V直流電源進行整流，進一步降低電源噪聲[6]。最后由LT3471和LP5907兩種型號的電壓調(diào)理單元對+5 V穩(wěn)壓直流電源進行電壓轉換，分別輸出±12 V和+3.3 V的直流電壓供其他功能模塊使用。

1.2 交叉開關矩陣陣列

本設備選用AD75019型交叉開關矩陣作為信號通路切換的基本單元，每片開關矩陣內(nèi)部集成有256個模擬開關，各開關接通電阻約為200 Ω，在用戶指令的控制下可實現(xiàn)16路輸入至16路輸出的任意切換、連接。芯片最高支持正負極性差在24 V以內(nèi)(如0～24 V或±12 V)的各種類型信號連接，且內(nèi)置有數(shù)據(jù)鎖存器，能夠保證各通道配置狀態(tài)掉電不丟失[7]。

為實現(xiàn)32輸入×32輸出的多通道差分信號切換，需要使用多片AD75019進行級聯(lián)。首先將32路差分信號拆分為信號正極和信號負極各自獨立配置，然后使用4片AD75019進行級聯(lián)以實現(xiàn)32×32的信號正極開關陣列，同理可級聯(lián)實現(xiàn)信號負極開關陣列，最后由微控制器根據(jù)用戶指令分別對8片AD75019的開關狀態(tài)進行控制，再將差分信號正負極對應合并后完成32路信號的切換，交叉開關矩陣陣列的級聯(lián)方案示意圖如圖3所示?？梢钥吹剑谟布O計過程中為減少微控制器輸出引腳的消耗，對SIN控制線進行了復用。

圖3 32路差分信號開關矩陣級聯(lián)方案示意圖

1.3 觸摸式液晶屏

本設備在操作面板上嵌入了一塊3.5寸的觸摸式液晶屏作為與用戶交互的窗口，該屏幕提前將各顯示控件封裝在底層驅(qū)動中，微控制器通過串口即可與之進行通訊?？刂破魍ㄟ^發(fā)送相應指令可切換觸摸屏顯示頁面或者改變某個組件的屬性，同時觸摸屏也可通過串口通知控制器用戶當前對顯示界面執(zhí)行了什么操作。這種交互方式既減少了實體按鍵所占的面板尺寸，同時也使得設備的操作方式更簡單、直觀，可大幅提升用戶體驗[8]。

1.4 嵌入式微控制器

作為整臺設備的控制調(diào)度中心，微控制器選用了TI公司基于鐵電存儲器(FRAM)的MSP430FR5969。該產(chǎn)品包含5個16位計時器和3個增強型串行通信接口(eUSI)，且通用輸入/出引腳最多為40個，十分適用于本設備控制時序繁雜、外接芯片連接端口較多的情況。

同時，由于使用了更為先進的存儲單元，F(xiàn)R5969相較于傳統(tǒng)的閃存器件，它具有更快的寫入速度和更低的功耗。搭配經(jīng)優(yōu)化的超低功率模式，微控制器在工作狀態(tài)下電流消耗僅為100 μA/MHz，這有力提升了切換設備的續(xù)航能力。

1.5 高密度輸入/出接口

若各信號輸入/出均使用傳統(tǒng)的BNC接頭進行單通路連接，則32通道接頭所占的操作面板尺寸不小于200 mm×200 mm，且設備內(nèi)部走線繁瑣、復雜，需要留有充足的線纜空間，不利于產(chǎn)品的小型化設計。因此，本設備選用了Amphenol公司生產(chǎn)的INFINITY系列高密度接插件作為信號輸入/出接口，該接插件在12 mm×30 mm的截面尺寸下即能夠容納8通道差分信號，4個INFINITY接插件占據(jù)的面板尺寸不超過15 mm×140 mm，同時該部件使用板載焊接的方式直接接入控制電路，這進一步減小了設備尺寸，也降低了電路裝配的復雜度。

經(jīng)過關鍵元器件選型、PCB設計布線、電路裝配和外殼加工等工序后，完成了多通道信號切換設備的硬件研制。該設備具有以下特點：

1)通過選用高度集成的開關矩陣芯片和高密度輸入/出接口，一方面大幅減少了設備體積和重量(最終產(chǎn)品的外形尺寸為255 mm×235 mm×130 mm，含充電電池整機重量約為2.68 kg)，提高了產(chǎn)品的便攜性；另一方面也減少了內(nèi)部元器件數(shù)量和電路布線的工作量，增加了產(chǎn)品的可靠性和可維護性。

2)使用正負極雙軌電源對開關矩陣芯片進行供電，有效提高了設備對不同輸入信號的兼容性。同時內(nèi)外部雙電源的供電模式也增強了設備的工作可靠性和場景適應性。

3)通過液晶屏交互、微控制器控制開關矩陣陣列的方式實現(xiàn)了最多32路輸入至32路輸出通道之間任意組合的連接和切換，且每次用戶配置完成后的通道切換響應時間小于100 ms，具有操作便捷、切換響應快速的特點。

產(chǎn)品實物如圖4所示。

圖4 多通道信號切換設備實物照片

2 設備軟件設計

2.1 嵌入式軟件設計

嵌入式軟件用于指導微控制器完成與各硬件模塊之間的數(shù)據(jù)交換和工作流程切換。它主要是由系統(tǒng)初始化及引導程序和指令接收中斷服務程序兩部分組成。各部分程序流程圖如圖5所示。

圖5 嵌入式軟件流程圖

系統(tǒng)初始化和引導程序在多通道信號切換設備上電后，首先對嵌入式微控制器進行系統(tǒng)時鐘選擇、芯片引腳分配、通訊接口和ADC外設功能配置。然后對交叉開關矩陣進行初始化，使芯片內(nèi)所有開關均處于斷開狀態(tài)，這樣能避免因為上電后各通道連接狀態(tài)不確定，導致外接設備損壞的現(xiàn)象。接著通過與觸摸式液晶屏進行握手通訊，以驗證該組件連接是否正常。若連接失敗，則控制設備故障燈閃爍對用戶進行提示；若連接成功則按照默認設置對觸摸屏進行參數(shù)配置以完成設備初始化。最后，開啟微控制器通訊中斷并使能觸摸式液晶屏通訊端口后，進入低功耗待機模式，等待外部中斷的喚醒。

當觸摸式液晶屏檢測到有用戶指令下發(fā)時，會產(chǎn)生中斷信號觸發(fā)微控制器進入指令接收中斷服務程序。程序首先會喚醒微控制器從待機模式進入工作模式。然后計算指令段中的校驗位以判斷指令接收是否正確，若未正確接收到指令，則向觸摸屏回復“設置失敗”信息；若正確接收到指令，則按照編碼協(xié)議將指令解析成設備各通道連接狀態(tài)的設置信息，再將設置信息轉換為交叉開關矩陣的控制時序后發(fā)出，同時向觸摸屏回復“設置成功”信息。最后在指令執(zhí)行完成后，微控制器會退出中斷服務程序進入待機模式，等待下次指令接收事件的觸發(fā)[9]。

2.2 觸摸屏軟件設計

由于觸摸屏上的各顯示控件均封裝在底層驅(qū)動中，因此需要提前使用電腦主機將設計完成的圖標和界面下載至觸摸屏驅(qū)動中，信號通道配置主界面如圖6所示。其中，列表的輸出行為固定數(shù)值，代表輸出通道號；輸入行內(nèi)數(shù)值可由用戶配置，代表需要連接的輸入通道號；“上/下一頁”按鈕用于切換設置頁面；“確定”按鈕負責將用戶配置完成的通道連接信息按照規(guī)定協(xié)議封裝后，下發(fā)至微控制器；“清空”按鈕則能快速重置配置列表，方便用戶更改設置。

圖6 多路信號切換設備觸摸屏顯示界面

用戶通過寫入不同輸出通道對應的輸入通道號，并點擊“確定”下發(fā)配置參數(shù)，即可實現(xiàn)信號通道的在線配置和切換。在使用過程中，除了不允許存在多路輸入連通至同一路輸出的情況之外，輸入/輸出一一對應、一路輸入對應多路輸出(如圖中4和19號輸出均連接了1號輸入)以及部分輸出無連接(23、29等輸出未配置，內(nèi)部斷開)等狀態(tài)均可實現(xiàn)切換[10]。

2.3 開關矩陣陣列控制算法設計

AD75019型開關矩陣的控制時序如圖7所示，在PCLK控制線為高電平時，芯片處于開關設置狀態(tài)，該狀態(tài)下每當SCLK變更為高電平時，SIN控制線上的電平代表了一個模擬開關的開斷狀態(tài)，當前設置的開關序號隨著SCLK的周期變化依次遞減。當芯片內(nèi)256個模擬開關的動作設置完成后，PCLK控制線會發(fā)出一個低脈沖用于鎖存所有開關的配置信息，至此單片開關矩陣的配置工作結束。

圖7 AD75019開關矩陣控制時序圖

對于由多片AD75019組成的開關矩陣陣列，具體的控制流程如圖8所示。微控制器在接收到用戶的配置指令后，會根據(jù)協(xié)議將指令解析為輸入/出通道的連接關系表，然后依次檢測表中是否有需要打通的連接關系未完成開關切換。若存在未完成的連通工作，則分別根據(jù)輸入和輸出通道號的大小范圍(按照兩兩分區(qū)的原則，每16個通道為一組)確定需要切換的模擬開關所在的芯片編號(括號內(nèi)編號對應信號負極所在芯片)，再按照具體的通道號檢索出需要閉合的模擬開關位置，并在對應的控制矩陣中置1。這樣就能夠?qū)⑤斎?出通道的連接關系映射為各開關矩陣的控制矩陣，最后再根據(jù)AD75019的控制時序依次刷新各開關矩陣的配置狀態(tài)，從而完成整個陣列的開關狀態(tài)變更。

圖8 開關矩陣陣列控制算法流程圖

3 試驗結果與分析

3.1 試驗方法

多點激振試驗系統(tǒng)是全尺寸火箭動特性試驗系統(tǒng)中重要的子系統(tǒng)，它主要由信號控制系統(tǒng)、功率放大器、激振器和力傳感器等部件組成。在全尺寸動特性試驗過程中，最多需要使用8路控制信號與20臺功率放大器進行連接，以驅(qū)動對應的激振器完成振型控制。由于這個不對等的數(shù)量關系，使得試驗在準備過程中，要先在20余根功率放大器的輸入信號線中尋找到本次使用的那部分線纜，然后再與信號控制系統(tǒng)輸出端明確對應連通關系，最后將輸入/出信號線進行連接以完成試驗準備[11-12]。

為驗證多通道信號切換設備的功能完整性和工作性能，在多點激振試驗系統(tǒng)的信號控制系統(tǒng)與功率放大器之間接入本切換設備，這樣通道之間的隨機配置關系可直接利用設備內(nèi)部的開關矩陣陣列實現(xiàn)，無需再進行信號線的插拔工作。試驗系統(tǒng)連接示意圖如圖9所示。

圖9 試驗系統(tǒng)連接示意圖

然后分別對原有多點激振系統(tǒng)的輸入/出通道配置效率，以及增加本設備后的系統(tǒng)通道配置效率進行了測試，試驗驗證現(xiàn)場照片如圖10所示。

圖10 試驗驗證現(xiàn)場照片

3.2 試驗結果

測試詳情見表1。

表1 多點激振系統(tǒng)通道配置效率對比測試結果表

從表1中可以看出，原有多點激振系統(tǒng)通道配置所需時間隨著通道配置方案調(diào)整次數(shù)的增加而逐漸增加，其主要原因是尋找目標激振器對應信號線用時較長，同時進行多次配置操作后各信號線逐漸纏繞在一起，導致信號線的長度逐漸影響到通道配置實施，需停下來進行線纜的整理。兩個方案均具有相當?shù)臏蚀_率，但是原有多點激振系統(tǒng)通道配置時還是出現(xiàn)了一次配置錯誤的情況，錯誤原因是線纜編號近似(如6和9等)。綜上所述，增加了信號切換設備的多點激振系統(tǒng)具有顯著的配置效率和可靠性優(yōu)勢。

4 結束語

本設計基于高度集成的模擬開關矩陣芯片，研制出一款32輸入至32輸出通道之間可任意連通的信號切換設備。該設備提供了一種經(jīng)濟便捷的信號傳輸通道隨機配置的解決方案，避免了多通道信號系統(tǒng)中整理線纜和插拔接口的工作，相較于傳統(tǒng)的信號切換方法，使用本設備后的信道連通效率更高、配對的可靠性也更強。同時，由于在設計過程中引入了高密度接插件、雙電源供電以及觸摸式液晶屏交互等功能模塊，使得該設備體積小、重量輕、操作方便，具有很強的便攜性、通用性和靈活性。