基于USB接口技術(shù)和I2C總線實(shí)現(xiàn)多通道開(kāi)關(guān)矩陣的設(shè)計(jì)

作者：王振生，劉耀周，劉煥照

自動(dòng)測(cè)試設(shè)備在軍事及工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，然而在電路單元尤其是電路板測(cè)試中，由于被測(cè)單元種類多，被測(cè)通道數(shù)量大，傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)矩陣體積大、切換速度慢、電氣性能差。已不能滿足現(xiàn)代測(cè)試儀器高速、便攜的要求。本文介紹了一種采用USB接口，利用I2C總線傳輸數(shù)據(jù)，由CPLD控制多路復(fù)用器件的大型開(kāi)關(guān)矩陣結(jié)構(gòu)，具有較高的切換速度及較好的電氣性能，并滿足了小型化的要求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

開(kāi)關(guān)矩陣主要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試設(shè)備與被測(cè)電路單元之間的信息交換，功能如下：

（1）將程控電源系統(tǒng)輸出的電源自動(dòng)加至被測(cè)電路單元要求的引腳上；

（2）將自動(dòng)測(cè)試設(shè)備信號(hào)源分系統(tǒng)輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)接至被測(cè)電路單元要求的引腳上；

（3）將被測(cè)電路單元輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)接至自動(dòng)測(cè)試設(shè)備的適當(dāng)測(cè)量通道上；

（4）為被測(cè)電路單元提供必要的外接元件，如負(fù)載、調(diào)整旋鈕、大體積器件等。

不同的被測(cè)電路單元其連接器定義不同，每個(gè)插針都可能被定義為電源、輸入信號(hào)、輸出信號(hào)、外接元件端子之一。并且現(xiàn)代電子設(shè)備的電路單元通道數(shù)很多，大量的信號(hào)通道對(duì)ATE的開(kāi)關(guān)矩陣設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。本文所設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)矩陣采取針床連接方式，可有效連接多種接插件。通過(guò)單片機(jī)控制的多路復(fù)用器，可將信號(hào)加至所需的被測(cè)通道，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)試電路結(jié)構(gòu)

測(cè)試電路結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。系統(tǒng)采用上、下位機(jī)的結(jié)構(gòu)，上位機(jī)由計(jì)算機(jī)及控制軟件組成，下位機(jī)由USB總線接口及控制板組成，USB模塊通過(guò)I2C總線將控制數(shù)據(jù)傳送給控制板上各個(gè)測(cè)試模塊?？刂瓢迳细鳒y(cè)試模塊收到總線發(fā)送來(lái)的串行碼流，譯碼后提取地址值，控制模塊中的多路復(fù)用器選取相應(yīng)通道。I2C是一種串行總線的外設(shè)接口，它采用同步方式串行接收或發(fā)送信息，主從設(shè)備在同一個(gè)時(shí)鐘下工作，I2C由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL構(gòu)成雙向串行總線，由于I2C只有一根數(shù)據(jù)線，因此信息的發(fā)送和接收只能分時(shí)進(jìn)行。各模塊組件均并聯(lián)在總線上，每一個(gè)模塊都有唯一的地址。因此系統(tǒng)可在允許范圍內(nèi)增加或減少被測(cè)板數(shù)量，I2C總線上各節(jié)點(diǎn)模塊支持熱插拔，所以采取該方案可以有效減小測(cè)試系統(tǒng)體積，使用操作方便，可同時(shí)連接多個(gè)被測(cè)單元。

2.2 控制電路組成

本系統(tǒng)中，控制板上各測(cè)試模塊均通過(guò)I2C總線與測(cè)試主機(jī)進(jìn)行通訊，各模塊地址由板上I2C芯片地址唯一確定，主機(jī)首先確定各板卡地址進(jìn)行板選，與相應(yīng)板卡建立通訊后，發(fā)送串行控制數(shù)據(jù)SDA。在同一時(shí)刻，I2C總線上只能有一個(gè)模塊處于活動(dòng)狀態(tài)，利用多路復(fù)用器狀態(tài)的“保持”特性，即可實(shí)現(xiàn)測(cè)試模塊上及測(cè)試模塊之間探針的切換?？刂瓢咫娐方Y(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

PCA9501是一款帶中斷的8位I2C和SMBus總線器件，用于接收總線發(fā)送的數(shù)據(jù)并與本地地址進(jìn)行比較，若結(jié)果相同則將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行地址信號(hào)送至CPLD器件EMP7128，CPLD用來(lái)接收PCA9501發(fā)送的并行數(shù)據(jù)，并分析數(shù)據(jù)內(nèi)容，將不同的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的并行控制數(shù)據(jù)并通過(guò)I/O端口送出，從而控制32路多路復(fù)用器件ADG732的通道選擇。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括主機(jī)控制程序和下位機(jī)測(cè)試程序，主機(jī)控制程序可以采用通用編程工具如VisualC++或者C++Builder等來(lái)進(jìn)行編寫(xiě)。下位機(jī)測(cè)試程序包括USB控制程序、I2C發(fā)送程序、CPLD控制程序，其中USB控制程序及I2C發(fā)送程序是對(duì)USB控制器CY7C68013進(jìn)行編程，采用Keil C51編譯器開(kāi)發(fā)，CPLD控制程序采用MAX PLUSⅡ進(jìn)行開(kāi)發(fā)，Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言編寫(xiě)。

3.1 主機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

主機(jī)控制程序設(shè)計(jì)取決于下位機(jī)控制流程，下位機(jī)控制流程如圖4所示。

（1）打開(kāi)USB設(shè)備并進(jìn)行初始化，然后復(fù)位設(shè)備，將所有ADD732芯片內(nèi)部開(kāi)關(guān)打開(kāi)。

（2）主機(jī)下達(dá)命令進(jìn)行被測(cè)板選擇，被測(cè)板地址由被測(cè)板上的PCA9501確定，對(duì)被測(cè)板進(jìn)行選擇只需向所需地址發(fā)送數(shù)據(jù)即可，所有被測(cè)板對(duì)接收到的地址數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，只有通過(guò)比較的被測(cè)板才會(huì)通過(guò)PCA9501將數(shù)據(jù)發(fā)送給CPLD。

（3）選取被測(cè)板，選擇測(cè)試芯片，即多路復(fù)用器陣列中多路復(fù)用器件的選擇，CPLD解析接收到的芯片選擇數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對(duì)多路復(fù)用器的片選信號(hào)，并禁用多路復(fù)用器件。

（4）主機(jī)程序?qū)?a target="_blank">測(cè)試點(diǎn)地址發(fā)送到USB端點(diǎn)緩沖區(qū)，由CPLD解析發(fā)送的端點(diǎn)選擇數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對(duì)多路復(fù)用器的通道選擇信號(hào)，并使能多路復(fù)用器件，將板選、片選及測(cè)試點(diǎn)選擇數(shù)據(jù)同時(shí)送出，則相應(yīng)被測(cè)板上的多路復(fù)用器將導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試點(diǎn)的選擇。

（5）每個(gè)芯片上所有點(diǎn)測(cè)試完畢后，在進(jìn)行下一個(gè)芯片測(cè)試之前，需要將該芯片復(fù)位。同樣在所有測(cè)試點(diǎn)測(cè)試完畢后，將整個(gè)開(kāi)關(guān)矩陣復(fù)位。

主控程序數(shù)據(jù)發(fā)送部分程序如下：

3.2 下位機(jī)測(cè)試程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)測(cè)試程序包括USB單片機(jī)CY7C68013接收主機(jī)發(fā)送的控制數(shù)據(jù)，并解釋主機(jī)數(shù)據(jù)，然后通過(guò)該單片機(jī)的I2C接口將數(shù)據(jù)送至測(cè)試板上的I2C數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器件PCA9501，PCA9501將接收的被測(cè)板地址同自身地址相比較，如相同將自動(dòng)把串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成并行數(shù)據(jù)送CPLD，CPLD解析發(fā)送的并行數(shù)據(jù)，然后在使能信號(hào)的作用下（通過(guò)USB控制器件CY7C68013的PB7口）將數(shù)據(jù)同時(shí)送出。

單片機(jī)接收/發(fā)送數(shù)據(jù)程序如下：

CPLD用來(lái)接收PCA9501發(fā)送的并行數(shù)據(jù)，并對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋，然后將其轉(zhuǎn)化成對(duì)多路復(fù)用器件ADG732的控制信號(hào)，程序如下：

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用USB接口技術(shù)及I2C數(shù)據(jù)傳輸方式，有效縮小了系統(tǒng)體積，為多通道開(kāi)關(guān)矩陣的小型化做出了有益的探索。所研制的開(kāi)關(guān)矩陣可掛接多個(gè)測(cè)試模塊，并支持熱插拔，具有很強(qiáng)的通用性和可擴(kuò)展性，與傳統(tǒng)的固定式測(cè)試針床相比，無(wú)需針對(duì)每個(gè)被測(cè)電路板制作專門(mén)的通道板，減小了體積，降低了成本，為低成本、便攜化、通用化、多通道測(cè)試方案提供了一種新的實(shí)現(xiàn)手段。

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