帶有CAN串聯通訊總線的智能開關

黃 正

(中國電子科技集團公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

1 引言

道奇公司研制了一個新系列的機電開關，目標特別瞄準測試設備應用，在此要求快速系統集成和修改，同時要求延伸開關設計的系統靈活性，這種獨特的開關基于ISO定義的串聯通訊總線并給今天復雜的測試設備增加了極大的靈活性。每個開關只需要4根導線來控制該裝置及讀出指示器觸點狀態。無需中間控制電路就可以組成復雜的開關矩陣。采用標準商用的控制器局域網(CAN)接口卡，通過PC可以控制多達100只開關組成的網絡。

圖1 CAN總線智能開關實物圖

可編程的特點包括一個識別器(開關地址)、開關初始化、設定位置出錯和脈沖長度。

新的開關系列初步包括411HC－480823A－1型雙極雙擲(轉換)保持開關和461H－480823A－1型單極六擲(SP6T)保持開關，帶內部50?終端。轉換和SP6T保持開關最大線圈電流在24V和20°C下分別為180和250mA，工作電壓為22～26VDC。切換時間最大20ms，射頻觸點為先斷后通，工作方式為保持。兩種型號的機械壽命均為循環100萬次，工作溫度范圍為0°～+65°C。表1列出了兩種開關的射頻特性。

表1 射頻特性

CAN接口的詳情包括完全符合CAN V2.0 B部分的無源要求，最高1M波特的CAN總線傳輸率，一個11比特的CAN總線仲裁標識器和一個29比特的擴展標識器。該開關為符合ISO－11890物理層的，在24VDC下要求0.025 A的靜態電流。系統內編程接口符合ATMEL AVR MCU ISP。(ATMEL=微控制器的制造商，AVR=精減指令集電腦微控制器的家族，MCU=微控制器，ISP=系統內編程)。

2 開關驅動器

開關驅動器為公司大多數同軸開關成熟的電磁(EM)設計。驅動器的位置以簡化形式示于圖2。旋轉銜鐵組件的位置受電磁電路的控制。將一磁鐵附加到線圈板組件上，當把直流電壓施加到線圈上時，兩個定子電極變成極化。隨后在永久磁鐵和激勵電路之間的極性吸力和斥力造成銜鐵組件的旋轉運動。這一設計結構使得存在于激勵電路中的磁力得到充分利用。在兩個位置，永久磁鐵牢固地保持銜鐵組件就位。

圖2 驅動器工作示意

3 射頻頭設計

射頻切換由在矩形傳輸線之內的射頻導體元件的運動完成。射頻頭組件的基本設計示于圖3。當驅動到接通位置時，導體元件形成一個50的傳輸線，如圖4所示。在所選的射頻位置，驅動舌簧片的每一端接觸延伸到射頻連接器射頻腔體中的中心導體部分，迫使切斷位置導體元件與各自的接地壁接觸，形成單背脊的波導。由于其幾何形狀，波導的截止頻率遠遠高于開關的工作頻率，因而允許在接通和斷開信號通路之間有高度的隔離。

開關中每一舌簧片的運動受到將射頻頭內銜鐵的旋轉運動轉換為線性運動的機械連桿機構的控制。當驅動器處于從一個位置向另一個位置過渡時，該運動通過小介質柱塞傳送到導體元件。每個導體元件通過導向銷牢固地定位。

在開關的射頻頭組件或波導部分的結構中選擇使用的材料和工藝使之可以提供一致性高的射頻性能。

圖3 射頻頭組件

圖4 射頻傳輸線:(a)接通位置，(b)斷開位置

同軸開關的射頻舌簧片是用鈹青銅制造的，有承受重復切換的影響所需的機械特性。舌簧鍍金允許高度統一的射頻性能和環境耐力。每一腔體由6061－T651鋁加工而成，它是一種高強度、輕量合金。腔體外部有鍍金涂復層，內部有化學膜涂復層。這一結構為射頻性能和功率承載能力提供了最佳的妥協。

圖5示出了411IIC－480823A－1型轉換開關的典型性能。圖6示出了461H－480823A－1型SP6T保持開關的類似性能數據。圖7和圖8示出開關各自的外形圖。

圖5 411HC－480823A－1型轉換開關的性能

圖6 461H－480823A－1型SP6T保持開關的性能

圖6 示出461H－480823A－1型SP6T保持開關的類似性能數據，圖6和圖7示分別出開關各自的外形圖。

圖7 411HC－480823A－1型轉換開關的機械外形

圖8 461H－480823A－1 SP6T保持開關的機械外形

4 應用

CAN總線開關典型的應用包括自動測試設備(ATE)，在此需要一個開關網絡(開關矩陣)來連接一多端口設備到各種不同類型的測試設備。該開關允許用戶連接100多個開關到一個矩陣并從標準PC上控制它們。

兩個所述開關的任意組合可以集成到一個對用戶要求提供全面解決方案的可控的開關網絡。如此集成的組件由SP6T和轉換開關陣列組成，按用戶技術要求互連，一個即插即用的CAN接口卡(包括具有視窗兼容性的驅動器軟件)和軟件允許使用標準PC完全控制開關網絡。

提供基于SP6T開關允許完全控制一個6×6矩陣的免費評價軟件。該軟件允許用戶控制開關并讀出狀態指示燈。

建造一個6x6矩陣要求最小12個SP6T開關，36根半硬電纜用于互連，一個即插即用CAN接口卡帶有驅動器軟件和幾個其它開發工具(公司提供)，一臺標準電腦(最小要求視窗95和32 MB RAM)及CAN總線電纜(公司提供)。也可使用較小的4x4矩陣，只要該結構是基于SP6T開關即可。

除了ATE之外，其它使用CAN總線開關的應用是可能的，尤其是在需要路由選擇若干輸入到若干輸出且有開關要求的場合。

CAN總線開關能提供一個成本效益高的解決方案，可大幅度地減小研制和系統集成時間。CAN總線開關還可以用作冗余矩陣中的構件，用于帶有冗余功率放大器和(或)天線的復雜設備。