基于I2C总线的大型开关矩阵设计与实现
1 引言
自动测试设备在军事及工业领域的应用越来越广泛，然而在电路单元尤其是电路板测试中，由于被测单元种类多，被测通道数量大，传统的开关矩阵体积大、切换速度慢、电气性能差。已不能满足现代测试仪器高速、便携的要求。本文介绍了一种采用USB接口，利用I2C总线传输数据，由CPLD控制多路复用器件的大型开关矩阵结构，具有较高的切换速度及较好的电气性能，并满足了小型化的要求。
2 系统结构及功能
开关矩阵主要实现自动测试设备与被测电路单元之间的信息交换，功能如下：
(1)将程控电源系统输出的电源自动加至被测电路单元要求的引脚上；
(2)将自动测试设备信号源分系统输出的信号转接至被测电路单元要求的引脚上；
(3)将被测电路单元输出的信号转接至自动测试设备的适当测量通道上；
(4)为被测电路单元提供必要的外接元件，如负载、调整旋钮、大体积器件等。
不同的被测电路单元其连接器定义不同，每个插针都可能被定义为电源、输入信号、输出信号、外接元件端子之一。并且现代电子设备的电路单元通道数很多，大量的信号通道对ATE的开关矩阵设计提出了严峻的挑战。本文所设计的开关矩阵采取针床连接方式，可有效连接多种接插件。通过单片机控制的多路复用器，可将信号加至所需的被测通道，系统结构框图如图l所示。
3 硬件设计
3.1 测试电路结构
测试电路结构组成如图2所示。系统采用上、下位机的结构，上位机由计算机及控制软件组成，下位机由USB总线接口及控制板组成，USB模块通过I2C总线将控制数据传送给控制板上各个测试模块。控制板上各测试模块收到总线发送来的串行码流，译码后提取地址值，控制模块中的多路复用器选取相应通道。I2C是一种串行总线的外设接口，它采用同步方式串行接收或发送信息，主从设备在同一个时钟下工作，I2C由数据线SDA和时钟线SCL构成双向串行总线，由于I2C只有一根数据线，因此信息的发送和接收只能分时进行。各模块组件均并联在总线上，每一个模块都有唯一的地址。因此系统可在允许范围内增加或减少被测板数量，I2C总线上各节点模块支持热插拔，所以采取该方案可以有效减小测试系统体积，使用操作方便，可同时连接多个被测单元。
3.2 控制电路组成
本系统中，控制板上各测试模块均通过I2C总线与测试主机进行通讯，各模块地址由板上I2C芯片地址唯一确定，主机首先确定各板卡地址进行板选，与相应板卡建立通讯后，发送串行控制数据SDA。在同一时刻，I2C总线上只能有一个模块处于活动状态，利用多路复用器状态的“保持”特性，即可实现测试模块上及测试模块之间探针的切换。控制板电路结构组成如图3所示。
PCA9501是一款带中断的8位I2C和SMBus总线器件，用于接收总线发送的数据并与本地地址进行比较，若结果相同则将数据转换成并行地址信号送至CPLD器件EMP7128,CPLD用来接收PCA9501发送的并行数据，并分析数据内容，将不同的串行数据转换成相应的并行控制数据并通过I/O端口送出，从而控制32路多路复用器件ADG732的通道选择。
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