基于I2C總線(xiàn)的大型開(kāi)關(guān)矩陣設計與實(shí)現

　　1 引言

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

　　2 系統結構及功能

　　開(kāi)關(guān)矩陣主要實(shí)現自動(dòng)測試設備與被測電路單元之間的信息交換，功能如下：

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

　　(2)將自動(dòng)測試設備信號源分系統輸出的信號轉接至被測電路單元要求的引腳上；

　　(3)將被測電路單元輸出的信號轉接至自動(dòng)測試設備的適當測量通道上；

　　(4)為被測電路單元提供必要的外接元件，如負載、調整旋鈕、大體積器件等。

　　不同的被測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、輸出信號、外接元件端子之一。并且現代電子設備的電路單元通道數很多，大量的信號通道對ATE的開(kāi)關(guān)矩陣設計提出了嚴峻的挑戰。本文所設計的開(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)單片機控制的多路復用器，可將信號加至所需的被測通道，系統結構框圖如圖l所示。

　　3 硬件設計

　　3.1 測試電路結構

　　測試電路結構組成如圖2所示。系統采用上、下位機的結構，上位機由計算機及控制軟件組成，下位機由USB總線(xiàn)接口及控制板組成，USB模塊通過(guò)I2C總線(xiàn)將控制數據傳送給控制板上各個(gè)測試模塊?？刂瓢迳细鳒y試模塊收到總線(xiàn)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用器選取相應通道。I2C是一種串行總線(xiàn)的外設接口，它采用同步方式串行接收或發(fā)送信息，主從設備在同一個(gè)時(shí)鐘下工作，I2C由數據線(xiàn)SDA和時(shí)鐘線(xiàn)SCL構成雙向串行總線(xiàn)，由于I2C只有一根數據線(xiàn)，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(xiàn)上，每一個(gè)模塊都有唯一的地址。因此系統可在允許范圍內增加或減少被測板數量，I2C總線(xiàn)上各節點(diǎn)模塊支持熱插拔，所以采取該方案可以有效減小測試系統體積，使用操作方便，可同時(shí)連接多個(gè)被測單元。

　　3.2 控制電路組成

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

　　PCA9501是一款帶中斷的8位I2C和SMBus總線(xiàn)器件，用于接收總線(xiàn)發(fā)送的數據并與本地地址進(jìn)行比較，若結果相同則將數據轉換成并行地址信號送至CPLD器件EMP7128,CPLD用來(lái)接收PCA9501發(fā)送的并行數據，并分析數據內容，將不同的串行數據轉換成相應的并行控制數據并通過(guò)I/O端口送出，從而控制32路多路復用器件ADG732的通道選擇。

　　4 系統軟件設計

　　系統軟件包括主機控制程序和下位機測試程序，主機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)。下位機測試程序包括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)。

　　4.1 主機控制程序設計

　　主機控制程序設計取決于下位機控制流程，下位機控制流程如圖4所示。

　　(1)打開(kāi)USB設備并進(jìn)行初始化，然后復位設備，將所有ADD732芯片內部開(kāi)關(guān)打開(kāi)。

　　(2)主機下達命令進(jìn)行被測板選擇，被測板地址由被測板上的PCA9501確定，對被測板進(jìn)行選擇只需向所需地址發(fā)送數據即可，所有被測板對接收到的地址數據進(jìn)行比較，只有通過(guò)比較的被測板才會(huì )通過(guò)PCA9501將數據發(fā)送給CPLD。

　　(3)選取被測板，選擇測試芯片，即多路復用器陣列中多路復用器件的選擇，CPLD解析接收到的芯片選擇數據，將該數據轉換成對多路復用器的片選信號，并禁用多路復用器件。

　　(4)主機程序將測試點(diǎn)地址發(fā)送到USB端點(diǎn)緩沖區，由CPLD解析發(fā)送的端點(diǎn)選擇數據，將該數據轉換成對多路復用器的通道選擇信號，并使能多路復用器件，將板選、片選及測試點(diǎn)選擇數據同時(shí)送出，則相應被測板上的多路復用器將導通，從而實(shí)現測試點(diǎn)的選擇。

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