帶有CAN串聯(lián)通訊總線的智能開關(guān)

黃 正

(中國電子科技集團(tuán)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(gè)新系列的機(jī)電開關(guān)，目標(biāo)特別瞄準(zhǔn)測試設(shè)備應(yīng)用，在此要求快速系統(tǒng)集成和修改，同時(shí)要求延伸開關(guān)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)靈活性，這種獨(dú)特的開關(guān)基于ISO定義的串聯(lián)通訊總線并給今天復(fù)雜的測試設(shè)備增加了極大的靈活性。每個(gè)開關(guān)只需要4根導(dǎo)線來控制該裝置及讀出指示器觸點(diǎn)狀態(tài)。無需中間控制電路就可以組成復(fù)雜的開關(guān)矩陣。采用標(biāo)準(zhǔn)商用的控制器局域網(wǎng)(CAN)接口卡，通過PC可以控制多達(dá)100只開關(guān)組成的網(wǎng)絡(luò)。

圖1 CAN總線智能開關(guān)實(shí)物圖

可編程的特點(diǎn)包括一個(gè)識別器(開關(guān)地址)、開關(guān)初始化、設(shè)定位置出錯和脈沖長度。

新的開關(guān)系列初步包括411HC－480823A－1型雙極雙擲(轉(zhuǎn)換)保持開關(guān)和461H－480823A－1型單極六擲(SP6T)保持開關(guān)，帶內(nèi)部50?終端。轉(zhuǎn)換和SP6T保持開關(guān)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(shí)間最大20ms，射頻觸點(diǎn)為先斷后通，工作方式為保持。兩種型號的機(jī)械壽命均為循環(huán)100萬次，工作溫度范圍為0°～+65°C。表1列出了兩種開關(guān)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(gè)11比特的CAN總線仲裁標(biāo)識器和一個(gè)29比特的擴(kuò)展標(biāo)識器。該開關(guān)為符合ISO－11890物理層的，在24VDC下要求0.025 A的靜態(tài)電流。系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)內(nèi)編程)。

2 開關(guān)驅(qū)動器

開關(guān)驅(qū)動器為公司大多數(shù)同軸開關(guān)成熟的電磁(EM)設(shè)計(jì)。驅(qū)動器的位置以簡化形式示于圖2。旋轉(zhuǎn)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(dāng)把直流電壓施加到線圈上時(shí)，兩個(gè)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(zhuǎn)運(yùn)動。這一設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)使得存在于激勵電路中的磁力得到充分利用。在兩個(gè)位置，永久磁鐵牢固地保持銜鐵組件就位。

圖2 驅(qū)動器工作示意

3 射頻頭設(shè)計(jì)

射頻切換由在矩形傳輸線之內(nèi)的射頻導(dǎo)體元件的運(yùn)動完成。射頻頭組件的基本設(shè)計(jì)示于圖3。當(dāng)驅(qū)動到接通位置時(shí)，導(dǎo)體元件形成一個(gè)50的傳輸線，如圖4所示。在所選的射頻位置，驅(qū)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(dǎo)體部分，迫使切斷位置導(dǎo)體元件與各自的接地壁接觸，形成單背脊的波導(dǎo)。由于其幾何形狀，波導(dǎo)的截止頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于開關(guān)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(guān)中每一舌簧片的運(yùn)動受到將射頻頭內(nèi)銜鐵的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為線性運(yùn)動的機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)的控制。當(dāng)驅(qū)動器處于從一個(gè)位置向另一個(gè)位置過渡時(shí)，該運(yùn)動通過小介質(zhì)柱塞傳送到導(dǎo)體元件。每個(gè)導(dǎo)體元件通過導(dǎo)向銷牢固地定位。

在開關(guān)的射頻頭組件或波導(dǎo)部分的結(jié)構(gòu)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(guān)的射頻舌簧片是用鈹青銅制造的，有承受重復(fù)切換的影響所需的機(jī)械特性。舌簧鍍金允許高度統(tǒng)一的射頻性能和環(huán)境耐力。每一腔體由6061－T651鋁加工而成，它是一種高強(qiáng)度、輕量合金。腔體外部有鍍金涂復(fù)層，內(nèi)部有化學(xué)膜涂復(fù)層。這一結(jié)構(gòu)為射頻性能和功率承載能力提供了最佳的妥協(xié)。

圖5示出了411IIC－480823A－1型轉(zhuǎn)換開關(guān)的典型性能。圖6示出了461H－480823A－1型SP6T保持開關(guān)的類似性能數(shù)據(jù)。圖7和圖8示出開關(guān)各自的外形圖。

圖5 411HC－480823A－1型轉(zhuǎn)換開關(guān)的性能

圖6 461H－480823A－1型SP6T保持開關(guān)的性能

圖6 示出461H－480823A－1型SP6T保持開關(guān)的類似性能數(shù)據(jù)，圖6和圖7示分別出開關(guān)各自的外形圖。

圖7 411HC－480823A－1型轉(zhuǎn)換開關(guān)的機(jī)械外形

圖8 461H－480823A－1 SP6T保持開關(guān)的機(jī)械外形

4 應(yīng)用

CAN總線開關(guān)典型的應(yīng)用包括自動測試設(shè)備(ATE)，在此需要一個(gè)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)(開關(guān)矩陣)來連接一多端口設(shè)備到各種不同類型的測試設(shè)備。該開關(guān)允許用戶連接100多個(gè)開關(guān)到一個(gè)矩陣并從標(biāo)準(zhǔn)PC上控制它們。

兩個(gè)所述開關(guān)的任意組合可以集成到一個(gè)對用戶要求提供全面解決方案的可控的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。如此集成的組件由SP6T和轉(zhuǎn)換開關(guān)陣列組成，按用戶技術(shù)要求互連，一個(gè)即插即用的CAN接口卡(包括具有視窗兼容性的驅(qū)動器軟件)和軟件允許使用標(biāo)準(zhǔn)PC完全控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。

提供基于SP6T開關(guān)允許完全控制一個(gè)6×6矩陣的免費(fèi)評價(jià)軟件。該軟件允許用戶控制開關(guān)并讀出狀態(tài)指示燈。

建造一個(gè)6x6矩陣要求最小12個(gè)SP6T開關(guān)，36根半硬電纜用于互連，一個(gè)即插即用CAN接口卡帶有驅(qū)動器軟件和幾個(gè)其它開發(fā)工具(公司提供)，一臺標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)是基于SP6T開關(guān)即可。

除了ATE之外，其它使用CAN總線開關(guān)的應(yīng)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(guān)要求的場合。

CAN總線開關(guān)能提供一個(gè)成本效益高的解決方案，可大幅度地減小研制和系統(tǒng)集成時(shí)間。CAN總線開關(guān)還可以用作冗余矩陣中的構(gòu)件，用于帶有冗余功率放大器和(或)天線的復(fù)雜設(shè)備。