基于I2C總線的大型開關(guān)矩陣設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　1 引言

　　自動(dòng)測試設(shè)備在軍事及工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，然而在電路單元尤其是電路板測試中，由于被測單元種類多，被測通道數(shù)量大，傳統(tǒng)的開關(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。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

　　開關(guān)矩陣主要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測試設(shè)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(tǒng)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(shè)備信號(hào)源分系統(tǒng)輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)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(hào)轉(zhuǎn)接至自動(dòng)測試設(shè)備的適當(dāng)測量通道上；

　　(4)為被測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ATE的開關(guān)矩陣設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。本文所設(shè)計(jì)的開關(guān)矩陣采取針床連接方式，可有效連接多種接插件。通過單片機(jī)控制的多路復(fù)用器，可將信號(hào)加至所需的被測通道，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。

　　3 硬件設(shè)計(jì)

　　3.1 測試電路結(jié)構(gòu)

　　測試電路結(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I2C總線將控制數(shù)據(jù)傳送給控制板上各個(gè)測試模塊?？刂瓢迳细鳒y試模塊收到總線發(fā)送來的串行碼流，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試系統(tǒng)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(tǒng)中，控制板上各測試模塊均通過I2C總線與測試主機(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)測試模塊上及測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。

　　4 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等來進(jìn)行編寫。下位機(jī)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編譯器開發(fā)，CPLD控制程序采用MAX PLUSⅡ進(jìn)行開發(fā)，Verilog HDL硬件描述語言編寫。

　　4.1 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)部開關(guān)打開。

　　(2)主機(jī)下達(dá)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(shù)據(jù)即可，所有被測板對接收到的地址數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，只有通過比較的被測板才會(huì)通過PCA9501將數(shù)據(jù)發(fā)送給CPLD。

　　(3)選取被測板，選擇測試芯片，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)y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、片選及測試點(diǎn)選擇數(shù)據(jù)同時(shí)送出，則相應(yīng)被測板上的多路復(fù)用器將導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)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(fù)位。同樣在所有測試點(diǎn)測試完畢后，將整個(gè)開關(guān)矩陣復(fù)位。