王 勇 曹 磊 王金嬋

（河南科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南 洛陽 471023）

程控多路寬電壓通道切換電路設(shè)計(jì)

王 勇 曹 磊 王金嬋

（河南科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南 洛陽 471023）

為克服傳統(tǒng)校驗(yàn)方法的不足，簡化自動(dòng)化測試設(shè)備的面板設(shè)計(jì)和校驗(yàn)過程，基于單片機(jī)技術(shù)和RS-422通信接口，設(shè)計(jì)了一種程控多路寬電壓通道切換電路。介紹了電路工作原理、元器件選擇、軟硬件設(shè)計(jì)過程。該電路已經(jīng)在多臺(tái)測試設(shè)備的校驗(yàn)環(huán)節(jié)得到應(yīng)用，工作性能穩(wěn)定。

程控；單片機(jī)；模擬開關(guān)；RS-422

1．引言

多功能數(shù)據(jù)采集卡通常應(yīng)用在自動(dòng)化測試設(shè)備中，用于信號(hào)的采集或輸出，其內(nèi)部一般集成有多路通道，如研華PCI-1716卡具有16路AI、2路AO、16路DI和16路DO。為保證信號(hào)采集的準(zhǔn)確性，需定期對(duì)設(shè)備中的采集卡通道進(jìn)行逐一校驗(yàn)。由于數(shù)據(jù)采集卡安裝在設(shè)備機(jī)箱內(nèi)部，在設(shè)備機(jī)柜面板上需要預(yù)留校驗(yàn)端子。由于輸入/輸出通道較多，且每一路均需要校驗(yàn)，也就是說有多少路輸入/輸出通道，就需要在面板上預(yù)留多少個(gè)校驗(yàn)端。因此，面板上往往布滿密密麻麻的校驗(yàn)端子，既影響美觀，又影響面板其它功能器件的擺放與安裝。為了克服傳統(tǒng)校驗(yàn)方法的不足，基于單片機(jī)技術(shù)和RS-422通信接口設(shè)計(jì)的程控多路寬電壓通道切換電路，能夠?qū)崿F(xiàn)一對(duì)多的雙向選通功能。測試設(shè)備中使用該電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集卡校驗(yàn)時(shí)，只需在設(shè)備面板上預(yù)留一路端子，上位機(jī)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行通道切換，無需人工插拔校準(zhǔn)接口電纜，從而簡化了校驗(yàn)過程和面板設(shè)計(jì)。

2．電路組成及工作原理

測試設(shè)備校驗(yàn)原理如圖1所示，上位機(jī)根據(jù)需要，通過RS-422串口發(fā)送通道選通指令給程控通道切換電路，實(shí)現(xiàn)所選通道的雙向?qū)ǎ瑥亩鴮⑿枰ｒ?yàn)的數(shù)據(jù)采集卡端口與面板上的校驗(yàn)端子連通[1]。程控通道切換電路由四部分構(gòu)成：主控單片機(jī)，RS-422串口通信單元，多路模擬開關(guān)，以及切換板地址選擇與顯示單元。其中，主控單片機(jī)選用AT89S52，串口通信選用MAX491，模擬開關(guān)選用寬電壓差分結(jié)構(gòu)的雙四選一芯片MAX4709。整體電路具有以下功能：（1）單路浮地差分輸入（或輸出，CH），對(duì)應(yīng)分時(shí)選通的16路浮地差分輸出（或輸入，CH1～CH16）；（2）選通哪一路由接收到的RS-422串口命令決定；（3）可通過422總線掛接多個(gè)（最多32個(gè)）通道切換電路板，實(shí)現(xiàn)1對(duì)n（最多32×16）切換；（4）RS-422總線上掛接的每個(gè)通道切換電路板通過撥碼地址區(qū)分，且地址值用兩位數(shù)碼管進(jìn)行顯示。

3．硬件設(shè)計(jì)

3．1 寬電壓模擬開關(guān)MAX4709

數(shù)據(jù)采集卡的模擬信號(hào)通道往往要求較寬的電壓（如-10V～+10V）適應(yīng)范圍，設(shè)計(jì)中選用寬電壓雙路4選1模擬開關(guān)，其控制端功能如表1所示，選通后數(shù)據(jù)可雙向傳輸，引腳與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的DG508/DG509兼容。該器件類似于MAX4509，但后者沒有箝位二極管對(duì)開關(guān)輸出進(jìn)行限制。MAX4709具有故障保護(hù)輸入、滿擺幅信號(hào)處理能力，對(duì)電源上電順序無要求，在掉電時(shí)提供±40V的過壓保護(hù)，上電時(shí)提供±36V過壓保護(hù)。MAX4709具有很寬的電壓供電范圍，可由±4.5V±20V雙電源供電或+9V～+36V單電源供電。所有控制信號(hào)輸入端均提供與TTL電平兼容的門限，確保+12V單電源或±15V雙電源供電時(shí)與TTL或CMOS電平兼容。

表1MAX4709控制端功能

3．2 RS-422串口通信電路設(shè)計(jì)

上位機(jī)與通道切換電路的程控通信采用RS-422串行接口。RS-422標(biāo)準(zhǔn)全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，它定義了接口電路的特性。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動(dòng)器，比RS-232有更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，允許在相同傳輸線上連接多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，支持一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的雙向通信。RS-422的最大傳輸距離可達(dá)1200米，最大傳輸速率為10Mb/s。設(shè)計(jì)中選用MAX91作為通信接口芯片，其引腳功能如表2所示。該器件內(nèi)部集成了一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器，具有以下主要特點(diǎn)：（1）單電源供電，低功耗，工作電流為120-500μA；（2）半/全雙工，驅(qū)動(dòng)器具有過載保護(hù)功能；（3）通信傳輸線最多可以掛載32個(gè)收發(fā)器；（4）傳輸速率可達(dá)2．5Mbps，具有接收/驅(qū)動(dòng)使能端[2]。

表2MAX491引腳功能

圖2 RS-422串口通信電路

3．3 整體電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)16選1的選通功能，電路選用4片MAX4709芯片。為實(shí)現(xiàn)RS-422總線掛接32塊子電路板功能，電路選用五位撥碼開關(guān)用于RS-422子板地址選擇。單片機(jī)端口進(jìn)行如下分配[3]：P0、P1用于數(shù)碼管段控；P3.7～P3.3用于撥碼地址確定，撥碼1腳對(duì)應(yīng)P3.7(高)，5腳對(duì)應(yīng)P3.3（低）；P2.7～P2.2用于16路通道選擇（模擬開關(guān)芯片max4709使能端、地址端，使能端高電平使能）；P2.1～P2.0用于串口芯片max491發(fā)送/接收使能（TE高使能，RE低使能）。

4．軟件設(shè)計(jì)

RS-422總線可掛接32個(gè)子單元電路，編寫單片機(jī)控制程序時(shí)，每次選通某個(gè)通道需發(fā)送兩字節(jié)指令：地址指令（‘1’開頭）+通道選擇指令（‘0’開頭）。為使用方便，上位機(jī)一旦選通某塊通道切換板，可連續(xù)發(fā)送該電路板的通道選擇指令。此外，為保證422指令準(zhǔn)確傳送，將數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收設(shè)計(jì)成閉環(huán)，即：若上位機(jī)發(fā)送的是有效地址（80H～9FH），則校準(zhǔn)板回此地址；若上位機(jī)發(fā)送的是無效地址（非80H～9FH），則校準(zhǔn)板回FEH表示地址選擇無效；地址指令正確后，若工控機(jī)發(fā)送的通道選擇指令正確，則校準(zhǔn)板回此指令；若上位機(jī)發(fā)送的通道選擇指令不正確，則校準(zhǔn)板回FFH（表示通道選擇無效）。具體程序編寫流程如圖4所示。

5．結(jié)束語

以單片機(jī)、RS-422串口通信及寬電壓模擬開關(guān)為主要構(gòu)件，設(shè)計(jì)的程控寬電壓通道切換電路具有結(jié)構(gòu)簡單、外接元件少、電壓容限寬、通道數(shù)量可擴(kuò)展、數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。該電路已經(jīng)在某發(fā)控盒組件測試平臺(tái)、某導(dǎo)彈彈射裝置測試平臺(tái)等設(shè)備的板卡校驗(yàn)環(huán)節(jié)得到應(yīng)用，工作性能穩(wěn)定。

[1]任代蓉，蔣成，胡學(xué)海．基于虛擬儀器技術(shù)的航空測試設(shè)備的設(shè)計(jì)及校準(zhǔn)[J]．測控技術(shù)，2011，30(11)：25-28．

[2]謝俊聃，曹劍中．基于SPI總線技術(shù)的同步422接口設(shè)計(jì)[J]．電子技術(shù)應(yīng)用，2010，36(8)：26-32．

[3]李建忠．單片機(jī)原理及應(yīng)用[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008：16-50．

Design of Program-controlled Multiplexed Channel Switch Circuit with Wide Range Input Voltage

Wang Yong Cao LeiWang Jinchan
(Henan University of Science and Technology,Luoyang 471023,Henan)

tract】In order to overcome the shortage of the traditional calibration method,to simplify the panel design and calibration process of automated test equipments,a program-controlled multiplexed channel switch circuit with wide range input voltage is designed based on single-chip microcomputer technology and RS-422 communication interface.Working principle of circuit,choice of components,hardware and software design process are introduced.The circuit has been applied to some test equipments,and runs normally.

王勇，男，河南淮濱人，碩士，講師，研究方向：應(yīng)用電子電路開發(fā)與設(shè)計(jì)。基金項(xiàng)目：河南省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：13A510263。

【 Keywordswords】program-controlled;single-chip microcomputer;analog switch;RS-422