龔靖?jìng)?，?哲，王家樂(lè)，張永亮，張夢(mèng)妍

(北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076)

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)和軍事技術(shù)的快速發(fā)展，各領(lǐng)域所用測(cè)試和信號(hào)傳輸系統(tǒng)的復(fù)雜度越來(lái)越高、規(guī)模越來(lái)越大、信號(hào)通道數(shù)也越來(lái)越多。這些系統(tǒng)在使用過(guò)程中，往往會(huì)面臨著要將有限的資源(如頻道、稀有測(cè)試設(shè)備等)進(jìn)行充分利用的問(wèn)題。因此需要在多通道信號(hào)系統(tǒng)中增加切換設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)資源的靈活調(diào)配、完成信號(hào)流的通道間切換[1-2]。

傳統(tǒng)的多通道信號(hào)切換設(shè)備是由多個(gè)繼電器開(kāi)關(guān)矩陣級(jí)聯(lián)組成，由于采用了大量的繼電器，使得整個(gè)設(shè)備體積龐大、控制電路復(fù)雜、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、功耗大、觸點(diǎn)壽命短[3-4]。且因?yàn)樵O(shè)備內(nèi)元件繁多，在生產(chǎn)過(guò)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(shè)備的可靠性[5]。針對(duì)上述問(wèn)題，本文采用高度集成的AD75019型模擬開(kāi)關(guān)矩陣芯片，設(shè)計(jì)了一款32輸入×32輸出的多通道差分信號(hào)切換設(shè)備。該設(shè)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(guò)觸摸式液晶屏完成通道間連接狀態(tài)的配置，實(shí)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(jiǎn)單、攜帶方便等特點(diǎn)。

1 設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

多通道信號(hào)切換設(shè)備由電源管理模塊(含可充電鋰電池)、交叉開(kāi)關(guān)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(gòu)成，整體硬件構(gòu)架如圖1所示。

電源管理模塊負(fù)責(zé)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(kāi)關(guān)矩陣陣列負(fù)責(zé)根據(jù)程序控制時(shí)序，對(duì)各輸入、輸出通道間開(kāi)關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置；觸摸式液晶屏用于顯示當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)，并能對(duì)用戶輸入的設(shè)置信息進(jìn)行采集和下發(fā)；嵌入式微控制器是整個(gè)設(shè)備的控制中心，它能夠通過(guò)觸摸式液晶屏獲取用戶下發(fā)的設(shè)置指令，并將指令轉(zhuǎn)換為符合協(xié)議的控制時(shí)序后發(fā)送給交叉開(kāi)關(guān)矩陣陣列；高密度輸入/出接口用于引入外部輸入信號(hào)通路和引出配置后的信號(hào)輸出通路。

1.1 電源管理模塊

為提高信號(hào)切換設(shè)備的適應(yīng)性和可靠性，在電源管理模塊設(shè)計(jì)過(guò)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(kāi)關(guān)矩陣陣列提供了±12 V的輸入信號(hào)范圍，大大提高了設(shè)備對(duì)不同類型信號(hào)的兼容能力。電源管理模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能示意圖如圖2所示。

圖2 電源管理模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能示意圖

各功能單元中，首先由開(kāi)關(guān)電源(AC/DC)將外部輸入的220 V交流電轉(zhuǎn)換成+5 V直流為整個(gè)后端電路供電。然后通過(guò)LTC4040型電池充電管理單元對(duì)可充電鋰電池進(jìn)行充放電管理，單元內(nèi)部集成了動(dòng)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(dòng)態(tài)選擇供電通路和充放電方案，同時(shí)LTC4040還可對(duì)前端輸入的+5 V直流電源進(jìn)行整流，進(jìn)一步降低電源噪聲[6]。最后由LT3471和LP5907兩種型號(hào)的電壓調(diào)理單元對(duì)+5 V穩(wěn)壓直流電源進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)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(kāi)關(guān)矩陣陣列

本設(shè)備選用AD75019型交叉開(kāi)關(guān)矩陣作為信號(hào)通路切換的基本單元，每片開(kāi)關(guān)矩陣內(nèi)部集成有256個(gè)模擬開(kāi)關(guān)，各開(kāi)關(guān)接通電阻約為200 Ω，在用戶指令的控制下可實(shí)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(fù)極性差在24 V以內(nèi)(如0～24 V或±12 V)的各種類型信號(hào)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(shí)現(xiàn)32輸入×32輸出的多通道差分信號(hào)切換，需要使用多片AD75019進(jìn)行級(jí)聯(lián)。首先將32路差分信號(hào)拆分為信號(hào)正極和信號(hào)負(fù)極各自獨(dú)立配置，然后使用4片AD75019進(jìn)行級(jí)聯(lián)以實(shí)現(xiàn)32×32的信號(hào)正極開(kāi)關(guān)陣列，同理可級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)信號(hào)負(fù)極開(kāi)關(guān)陣列，最后由微控制器根據(jù)用戶指令分別對(duì)8片AD75019的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，再將差分信號(hào)正負(fù)極對(duì)應(yīng)合并后完成32路信號(hào)的切換，交叉開(kāi)關(guān)矩陣陣列的級(jí)聯(lián)方案示意圖如圖3所示?？梢钥吹剑谟布O(shè)計(jì)過(guò)程中為減少微控制器輸出引腳的消耗，對(duì)SIN控制線進(jìn)行了復(fù)用。

圖3 32路差分信號(hào)開(kāi)關(guān)矩陣級(jí)聯(lián)方案示意圖

1.3 觸摸式液晶屏

本設(shè)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(dòng)中，微控制器通過(guò)串口即可與之進(jìn)行通訊?？刂破魍ㄟ^(guò)發(fā)送相應(yīng)指令可切換觸摸屏顯示頁(yè)面或者改變某個(gè)組件的屬性，同時(shí)觸摸屏也可通過(guò)串口通知控制器用戶當(dāng)前對(duì)顯示界面執(zhí)行了什么操作。這種交互方式既減少了實(shí)體按鍵所占的面板尺寸，同時(shí)也使得設(shè)備的操作方式更簡(jiǎn)單、直觀，可大幅提升用戶體驗(yàn)[8]。

1.4 嵌入式微控制器

作為整臺(tái)設(shè)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(chǔ)器(FRAM)的MSP430FR5969。該產(chǎn)品包含5個(gè)16位計(jì)時(shí)器和3個(gè)增強(qiáng)型串行通信接口(eUSI)，且通用輸入/出引腳最多為40個(gè)，十分適用于本設(shè)備控制時(shí)序繁雜、外接芯片連接端口較多的情況。

同時(shí)，由于使用了更為先進(jìn)的存儲(chǔ)單元，F(xiàn)R5969相較于傳統(tǒng)的閃存器件，它具有更快的寫(xiě)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(shè)備的續(xù)航能力。

1.5 高密度輸入/出接口

若各信號(hào)輸入/出均使用傳統(tǒng)的BNC接頭進(jìn)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(shè)備內(nèi)部走線繁瑣、復(fù)雜，需要留有充足的線纜空間，不利于產(chǎn)品的小型化設(shè)計(jì)。因此，本設(shè)備選用了Amphenol公司生產(chǎn)的INFINITY系列高密度接插件作為信號(hào)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(hào)，4個(gè)INFINITY接插件占據(jù)的面板尺寸不超過(guò)15 mm×140 mm，同時(shí)該部件使用板載焊接的方式直接接入控制電路，這進(jìn)一步減小了設(shè)備尺寸，也降低了電路裝配的復(fù)雜度。

經(jīng)過(guò)關(guān)鍵元器件選型、PCB設(shè)計(jì)布線、電路裝配和外殼加工等工序后，完成了多通道信號(hào)切換設(shè)備的硬件研制。該設(shè)備具有以下特點(diǎn)：

1)通過(guò)選用高度集成的開(kāi)關(guān)矩陣芯片和高密度輸入/出接口，一方面大幅減少了設(shè)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(jī)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(hù)性。

2)使用正負(fù)極雙軌電源對(duì)開(kāi)關(guān)矩陣芯片進(jìn)行供電，有效提高了設(shè)備對(duì)不同輸入信號(hào)的兼容性。同時(shí)內(nèi)外部雙電源的供電模式也增強(qiáng)了設(shè)備的工作可靠性和場(chǎng)景適應(yīng)性。

3)通過(guò)液晶屏交互、微控制器控制開(kāi)關(guān)矩陣陣列的方式實(shí)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(yīng)時(shí)間小于100 ms，具有操作便捷、切換響應(yīng)快速的特點(diǎn)。

產(chǎn)品實(shí)物如圖4所示。

圖4 多通道信號(hào)切換設(shè)備實(shí)物照片

2 設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

嵌入式軟件用于指導(dǎo)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(dǎo)程序和指令接收中斷服務(wù)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(dǎo)程序在多通道信號(hào)切換設(shè)備上電后，首先對(duì)嵌入式微控制器進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)鐘選擇、芯片引腳分配、通訊接口和ADC外設(shè)功能配置。然后對(duì)交叉開(kāi)關(guān)矩陣進(jìn)行初始化，使芯片內(nèi)所有開(kāi)關(guān)均處于斷開(kāi)狀態(tài)，這樣能避免因?yàn)樯想姾蟾魍ǖ肋B接狀態(tài)不確定，導(dǎo)致外接設(shè)備損壞的現(xiàn)象。接著通過(guò)與觸摸式液晶屏進(jìn)行握手通訊，以驗(yàn)證該組件連接是否正常。若連接失敗，則控制設(shè)備故障燈閃爍對(duì)用戶進(jìn)行提示；若連接成功則按照默認(rèn)設(shè)置對(duì)觸摸屏進(jìn)行參數(shù)配置以完成設(shè)備初始化。最后，開(kāi)啟微控制器通訊中斷并使能觸摸式液晶屏通訊端口后，進(jìn)入低功耗待機(jī)模式，等待外部中斷的喚醒。

當(dāng)觸摸式液晶屏檢測(cè)到有用戶指令下發(fā)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生中斷信號(hào)觸發(fā)微控制器進(jìn)入指令接收中斷服務(wù)程序。程序首先會(huì)喚醒微控制器從待機(jī)模式進(jìn)入工作模式。然后計(jì)算指令段中的校驗(yàn)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(fù)“設(shè)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(shè)備各通道連接狀態(tài)的設(shè)置信息，再將設(shè)置信息轉(zhuǎn)換為交叉開(kāi)關(guān)矩陣的控制時(shí)序后發(fā)出，同時(shí)向觸摸屏回復(fù)“設(shè)置成功”信息。最后在指令執(zhí)行完成后，微控制器會(huì)退出中斷服務(wù)程序進(jìn)入待機(jī)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(shè)計(jì)

由于觸摸屏上的各顯示控件均封裝在底層驅(qū)動(dòng)中，因此需要提前使用電腦主機(jī)將設(shè)計(jì)完成的圖標(biāo)和界面下載至觸摸屏驅(qū)動(dòng)中，信號(hào)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(hào)；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(hào)；“上/下一頁(yè)”按鈕用于切換設(shè)置頁(yè)面；“確定”按鈕負(fù)責(zé)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(shè)置。

圖6 多路信號(hào)切換設(shè)備觸摸屏顯示界面

用戶通過(guò)寫(xiě)入不同輸出通道對(duì)應(yīng)的輸入通道號(hào)，并點(diǎn)擊“確定”下發(fā)配置參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)通道的在線配置和切換。在使用過(guò)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(duì)應(yīng)、一路輸入對(duì)應(yīng)多路輸出(如圖中4和19號(hào)輸出均連接了1號(hào)輸入)以及部分輸出無(wú)連接(23、29等輸出未配置，內(nèi)部斷開(kāi))等狀態(tài)均可實(shí)現(xiàn)切換[10]。

2.3 開(kāi)關(guān)矩陣陣列控制算法設(shè)計(jì)

AD75019型開(kāi)關(guān)矩陣的控制時(shí)序如圖7所示，在PCLK控制線為高電平時(shí)，芯片處于開(kāi)關(guān)設(shè)置狀態(tài)，該狀態(tài)下每當(dāng)SCLK變更為高電平時(shí)，SIN控制線上的電平代表了一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷狀態(tài)，當(dāng)前設(shè)置的開(kāi)關(guān)序號(hào)隨著SCLK的周期變化依次遞減。當(dāng)芯片內(nèi)256個(gè)模擬開(kāi)關(guān)的動(dòng)作設(shè)置完成后，PCLK控制線會(huì)發(fā)出一個(gè)低脈沖用于鎖存所有開(kāi)關(guān)的配置信息，至此單片開(kāi)關(guān)矩陣的配置工作結(jié)束。

圖7 AD75019開(kāi)關(guān)矩陣控制時(shí)序圖

對(duì)于由多片AD75019組成的開(kāi)關(guān)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(huì)根據(jù)協(xié)議將指令解析為輸入/出通道的連接關(guān)系表，然后依次檢測(cè)表中是否有需要打通的連接關(guān)系未完成開(kāi)關(guān)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(hào)的大小范圍(按照兩兩分區(qū)的原則，每16個(gè)通道為一組)確定需要切換的模擬開(kāi)關(guān)所在的芯片編號(hào)(括號(hào)內(nèi)編號(hào)對(duì)應(yīng)信號(hào)負(fù)極所在芯片)，再按照具體的通道號(hào)檢索出需要閉合的模擬開(kāi)關(guān)位置，并在對(duì)應(yīng)的控制矩陣中置1。這樣就能夠?qū)⑤斎?出通道的連接關(guān)系映射為各開(kāi)關(guān)矩陣的控制矩陣，最后再根據(jù)AD75019的控制時(shí)序依次刷新各開(kāi)關(guān)矩陣的配置狀態(tài)，從而完成整個(gè)陣列的開(kāi)關(guān)狀態(tài)變更。

圖8 開(kāi)關(guān)矩陣陣列控制算法流程圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)方法

多點(diǎn)激振試驗(yàn)系統(tǒng)是全尺寸火箭動(dòng)特性試驗(yàn)系統(tǒng)中重要的子系統(tǒng)，它主要由信號(hào)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(dòng)特性試驗(yàn)過(guò)程中，最多需要使用8路控制信號(hào)與20臺(tái)功率放大器進(jìn)行連接，以驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的激振器完成振型控制。由于這個(gè)不對(duì)等的數(shù)量關(guān)系，使得試驗(yàn)在準(zhǔn)備過(guò)程中，要先在20余根功率放大器的輸入信號(hào)線中尋找到本次使用的那部分線纜，然后再與信號(hào)控制系統(tǒng)輸出端明確對(duì)應(yīng)連通關(guān)系，最后將輸入/出信號(hào)線進(jìn)行連接以完成試驗(yàn)準(zhǔn)備[11-12]。

為驗(yàn)證多通道信號(hào)切換設(shè)備的功能完整性和工作性能，在多點(diǎn)激振試驗(yàn)系統(tǒng)的信號(hào)控制系統(tǒng)與功率放大器之間接入本切換設(shè)備，這樣通道之間的隨機(jī)配置關(guān)系可直接利用設(shè)備內(nèi)部的開(kāi)關(guān)矩陣陣列實(shí)現(xiàn)，無(wú)需再進(jìn)行信號(hào)線的插拔工作。試驗(yàn)系統(tǒng)連接示意圖如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)系統(tǒng)連接示意圖

然后分別對(duì)原有多點(diǎn)激振系統(tǒng)的輸入/出通道配置效率，以及增加本設(shè)備后的系統(tǒng)通道配置效率進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)照片如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)照片

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試詳情見(jiàn)表1。

表1 多點(diǎn)激振系統(tǒng)通道配置效率對(duì)比測(cè)試結(jié)果表

從表1中可以看出，原有多點(diǎn)激振系統(tǒng)通道配置所需時(shí)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(biāo)激振器對(duì)應(yīng)信號(hào)線用時(shí)較長(zhǎng)，同時(shí)進(jìn)行多次配置操作后各信號(hào)線逐漸纏繞在一起，導(dǎo)致信號(hào)線的長(zhǎng)度逐漸影響到通道配置實(shí)施，需停下來(lái)進(jìn)行線纜的整理。兩個(gè)方案均具有相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確率，但是原有多點(diǎn)激振系統(tǒng)通道配置時(shí)還是出現(xiàn)了一次配置錯(cuò)誤的情況，錯(cuò)誤原因是線纜編號(hào)近似(如6和9等)。綜上所述，增加了信號(hào)切換設(shè)備的多點(diǎn)激振系統(tǒng)具有顯著的配置效率和可靠性優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)基于高度集成的模擬開(kāi)關(guān)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(hào)切換設(shè)備。該設(shè)備提供了一種經(jīng)濟(jì)便捷的信號(hào)傳輸通道隨機(jī)配置的解決方案，避免了多通道信號(hào)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(hào)切換方法，使用本設(shè)備后的信道連通效率更高、配對(duì)的可靠性也更強(qiáng)。同時(shí)，由于在設(shè)計(jì)過(guò)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(shè)備體積小、重量輕、操作方便，具有很強(qiáng)的便攜性、通用性和靈活性。