作者：军械工程学院 张宏伟 尚朝轩 于久恩 来源：《电子产品世界》

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