程控多路寬電壓通道切換電路設計

王 勇 曹 磊 王金嬋

（河南科技大學電氣工程學院，河南 洛陽 471023）

程控多路寬電壓通道切換電路設計

王 勇 曹 磊 王金嬋

（河南科技大學電氣工程學院，河南 洛陽 471023）

為克服傳統校驗方法的不足，簡化自動化測試設備的面板設計和校驗過程，基于單片機技術和RS-422通信接口，設計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、軟硬件設計過程。該電路已經在多臺測試設備的校驗環節得到應用，工作性能穩定。

程控；單片機；模擬開關；RS-422

1．引言

多功能數據采集卡通常應用在自動化測試設備中，用于信號的采集或輸出，其內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。為保證信號采集的準確性，需定期對設備中的采集卡通道進行逐一校驗。由于數據采集卡安裝在設備機箱內部，在設備機柜面板上需要預留校驗端子。由于輸入/輸出通道較多，且每一路均需要校驗，也就是說有多少路輸入/輸出通道，就需要在面板上預留多少個校驗端。因此，面板上往往布滿密密麻麻的校驗端子，既影響美觀，又影響面板其它功能器件的擺放與安裝。為了克服傳統校驗方法的不足，基于單片機技術和RS-422通信接口設計的程控多路寬電壓通道切換電路，能夠實現一對多的雙向選通功能。測試設備中使用該電路進行數據采集卡校驗時，只需在設備面板上預留一路端子，上位機根據實際需要進行通道切換，無需人工插拔校準接口電纜，從而簡化了校驗過程和面板設計。

2．電路組成及工作原理

測試設備校驗原理如圖1所示，上位機根據需要，通過RS-422串口發送通道選通指令給程控通道切換電路，實現所選通道的雙向導通，從而將需要校驗的數據采集卡端口與面板上的校驗端子連通[1]。程控通道切換電路由四部分構成：主控單片機，RS-422串口通信單元，多路模擬開關，以及切換板地址選擇與顯示單元。其中，主控單片機選用AT89S52，串口通信選用MAX491，模擬開關選用寬電壓差分結構的雙四選一芯片MAX4709。整體電路具有以下功能：（1）單路浮地差分輸入（或輸出，CH），對應分時選通的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（最多32個）通道切換電路板，實現1對n（最多32×16）切換；（4）RS-422總線上掛接的每個通道切換電路板通過撥碼地址區分，且地址值用兩位數碼管進行顯示。

3．硬件設計

3．1 寬電壓模擬開關MAX4709

數據采集卡的模擬信號通道往往要求較寬的電壓（如-10V～+10V）適應范圍，設計中選用寬電壓雙路4選1模擬開關，其控制端功能如表1所示，選通后數據可雙向傳輸，引腳與工業標準的DG508/DG509兼容。該器件類似于MAX4509，但后者沒有箝位二極管對開關輸出進行限制。MAX4709具有故障保護輸入、滿擺幅信號處理能力，對電源上電順序無要求，在掉電時提供±40V的過壓保護，上電時提供±36V過壓保護。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串口通信電路設計

上位機與通道切換電路的程控通信采用RS-422串行接口。RS-422標準全稱是“平衡電壓數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送驅動器，比RS-232有更強的驅動能力，允許在相同傳輸線上連接多個接收節點，支持一點對多點的雙向通信。RS-422的最大傳輸距離可達1200米，最大傳輸速率為10Mb/s。設計中選用MAX91作為通信接口芯片，其引腳功能如表2所示。該器件內部集成了一個驅動器和一個接收器，具有以下主要特點：（1）單電源供電，低功耗，工作電流為120-500μA；（2）半/全雙工，驅動器具有過載保護功能；（3）通信傳輸線最多可以掛載32個收發器；（4）傳輸速率可達2．5Mbps，具有接收/驅動使能端[2]。

表2MAX491引腳功能

圖2 RS-422串口通信電路

3．3 整體電路設計

為實現16選1的選通功能，電路選用4片MAX4709芯片。為實現RS-422總線掛接32塊子電路板功能，電路選用五位撥碼開關用于RS-422子板地址選擇。單片機端口進行如下分配[3]：P0、P1用于數碼管段控；P3.7～P3.3用于撥碼地址確定，撥碼1腳對應P3.7(高)，5腳對應P3.3（低）；P2.7～P2.2用于16路通道選擇（模擬開關芯片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發送/接收使能（TE高使能，RE低使能）。

4．軟件設計

RS-422總線可掛接32個子單元電路，編寫單片機控制程序時，每次選通某個通道需發送兩字節指令：地址指令（‘1’開頭）+通道選擇指令（‘0’開頭）。為使用方便，上位機一旦選通某塊通道切換板，可連續發送該電路板的通道選擇指令。此外，為保證422指令準確傳送，將數據的發送與接收設計成閉環，即：若上位機發送的是有效地址（80H～9FH），則校準板回此地址；若上位機發送的是無效地址（非80H～9FH），則校準板回FEH表示地址選擇無效；地址指令正確后，若工控機發送的通道選擇指令正確，則校準板回此指令；若上位機發送的通道選擇指令不正確，則校準板回FFH（表示通道選擇無效）。具體程序編寫流程如圖4所示。

5．結束語

以單片機、RS-422串口通信及寬電壓模擬開關為主要構件，設計的程控寬電壓通道切換電路具有結構簡單、外接元件少、電壓容限寬、通道數量可擴展、數據傳輸距離遠等特點。該電路已經在某發控盒組件測試平臺、某導彈彈射裝置測試平臺等設備的板卡校驗環節得到應用，工作性能穩定。

[1]任代蓉，蔣成，胡學海．基于虛擬儀器技術的航空測試設備的設計及校準[J]．測控技術，2011，30(11)：25-28．

[2]謝俊聃，曹劍中．基于SPI總線技術的同步422接口設計[J]．電子技術應用，2010，36(8)：26-32．

[3]李建忠．單片機原理及應用[M]．西安：西安電子科技大學出版社，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：應用電子電路開發與設計。基金項目：河南省教育廳自然科學研究項目，項目編號：13A510263。

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