带有CAN串联通讯总线的智能开关

黄 正

(中国电子科技集团公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

1 引言

道奇公司研制了一个新系列的机电开关，目标特别瞄准测试设备应用，在此要求快速系统集成和修改，同时要求延伸开关设计的系统灵活性，这种独特的开关基于ISO定义的串联通讯总线并给今天复杂的测试设备增加了极大的灵活性。每个开关只需要4根导线来控制该装置及读出指示器触点状态。无需中间控制电路就可以组成复杂的开关矩阵。采用标准商用的控制器局域网(CAN)接口卡，通过PC可以控制多达100只开关组成的网络。

图1 CAN总线智能开关实物图

可编程的特点包括一个识别器(开关地址)、开关初始化、设定位置出错和脉冲长度。

新的开关系列初步包括411HC－480823A－1型双极双掷(转换)保持开关和461H－480823A－1型单极六掷(SP6T)保持开关，带内部50?终端。转换和SP6T保持开关最大线圈电流在24V和20°C下分别为180和250mA，工作电压为22～26VDC。切换时间最大20ms，射频触点为先断后通，工作方式为保持。两种型号的机械寿命均为循环100万次，工作温度范围为0°～+65°C。表1列出了两种开关的射频特性。

表1 射频特性

CAN接口的详情包括完全符合CAN V2.0 B部分的无源要求，最高1M波特的CAN总线传输率，一个11比特的CAN总线仲裁标识器和一个29比特的扩展标识器。该开关为符合ISO－11890物理层的，在24VDC下要求0.025 A的静态电流。系统内编程接口符合ATMEL AVR MCU ISP。(ATMEL=微控制器的制造商，AVR=精减指令集电脑微控制器的家族，MCU=微控制器，ISP=系统内编程)。

2 开关驱动器

开关驱动器为公司大多数同轴开关成熟的电磁(EM)设计。驱动器的位置以简化形式示于图2。旋转衔铁组件的位置受电磁电路的控制。将一磁铁附加到线圈板组件上，当把直流电压施加到线圈上时，两个定子电极变成极化。随后在永久磁铁和激励电路之间的极性吸力和斥力造成衔铁组件的旋转运动。这一设计结构使得存在于激励电路中的磁力得到充分利用。在两个位置，永久磁铁牢固地保持衔铁组件就位。

图2 驱动器工作示意

3 射频头设计

射频切换由在矩形传输线之内的射频导体元件的运动完成。射频头组件的基本设计示于图3。当驱动到接通位置时，导体元件形成一个50的传输线，如图4所示。在所选的射频位置，驱动舌簧片的每一端接触延伸到射频连接器射频腔体中的中心导体部分，迫使切断位置导体元件与各自的接地壁接触，形成单背脊的波导。由于其几何形状，波导的截止频率远远高于开关的工作频率，因而允许在接通和断开信号通路之间有高度的隔离。

开关中每一舌簧片的运动受到将射频头内衔铁的旋转运动转换为线性运动的机械连杆机构的控制。当驱动器处于从一个位置向另一个位置过渡时，该运动通过小介质柱塞传送到导体元件。每个导体元件通过导向销牢固地定位。

在开关的射频头组件或波导部分的结构中选择使用的材料和工艺使之可以提供一致性高的射频性能。

图3 射频头组件

图4 射频传输线:(a)接通位置，(b)断开位置

同轴开关的射频舌簧片是用铍青铜制造的，有承受重复切换的影响所需的机械特性。舌簧镀金允许高度统一的射频性能和环境耐力。每一腔体由6061－T651铝加工而成，它是一种高强度、轻量合金。腔体外部有镀金涂复层，内部有化学膜涂复层。这一结构为射频性能和功率承载能力提供了最佳的妥协。

图5示出了411IIC－480823A－1型转换开关的典型性能。图6示出了461H－480823A－1型SP6T保持开关的类似性能数据。图7和图8示出开关各自的外形图。

图5 411HC－480823A－1型转换开关的性能

图6 461H－480823A－1型SP6T保持开关的性能

图6 示出461H－480823A－1型SP6T保持开关的类似性能数据，图6和图7示分别出开关各自的外形图。

图7 411HC－480823A－1型转换开关的机械外形

图8 461H－480823A－1 SP6T保持开关的机械外形

4 应用

CAN总线开关典型的应用包括自动测试设备(ATE)，在此需要一个开关网络(开关矩阵)来连接一多端口设备到各种不同类型的测试设备。该开关允许用户连接100多个开关到一个矩阵并从标准PC上控制它们。

两个所述开关的任意组合可以集成到一个对用户要求提供全面解决方案的可控的开关网络。如此集成的组件由SP6T和转换开关阵列组成，按用户技术要求互连，一个即插即用的CAN接口卡(包括具有视窗兼容性的驱动器软件)和软件允许使用标准PC完全控制开关网络。

提供基于SP6T开关允许完全控制一个6×6矩阵的免费评价软件。该软件允许用户控制开关并读出状态指示灯。

建造一个6x6矩阵要求最小12个SP6T开关，36根半硬电缆用于互连，一个即插即用CAN接口卡带有驱动器软件和几个其它开发工具(公司提供)，一台标准电脑(最小要求视窗95和32 MB RAM)及CAN总线电缆(公司提供)。也可使用较小的4x4矩阵，只要该结构是基于SP6T开关即可。

除了ATE之外，其它使用CAN总线开关的应用是可能的，尤其是在需要路由选择若干输入到若干输出且有开关要求的场合。

CAN总线开关能提供一个成本效益高的解决方案，可大幅度地减小研制和系统集成时间。CAN总线开关还可以用作冗余矩阵中的构件，用于带有冗余功率放大器和(或)天线的复杂设备。