矩阵开关装置、系统及方法
矩阵开关装置、系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电子电气技术领域，尤其是涉及一种应用于测试系统与被测系统之间的信号切换的具备状态反馈功能的可远程控制的矩阵开关装置、系统及方法。
【背景技术】
[0002]在现有技术中，常用的开关拓扑结构通常包括通用拓扑结构、多路复用拓扑结构及矩阵拓扑结构，分别如附图1、2和3所示。其中，如附图3所示的矩阵开关:故名思议，指结构为行(row)、列(column)交叉排布的开关产品，其特点为每个节点连接一个行/列，每个节点可以单独操作，通过设置节点的不同组合可以实现信号的路由切换。
[0003]而矩阵开关又有单线，双线等不同模式。其中，如附图4所示，单线开关模式的输入信号均为单端输入，所有信号具有公共地或公共低端。而如附图5所示，双线模式是分别将通道的正负端接到公共端的正负端口上的方式。
[0004]对于任何一个电气产品的测试过程来说，一般都需要将被测设备的接入点与各种不同的信号进行连接，并且对设备进行测试，从而核实设备中这部分功能的效用。在这个过程中频繁的切换信号是必不可少的。对于小而简单的测试来说，人工的进行拆卸和更换连线也可以完成信号的切换。然而对于大而复杂的测试系统来说，反复地进行人工拆卸、更换连线的方式通用性差，费工费时且极易出错。
[0005]基于上述情况，目前市场上出现了大量的开关产品。开关产品作为连接测试系统和被测设备的桥梁，通过软件控制开关的通断，从而测试系统内部的输出信号端口可灵活地切换至被测对象的任意输入端口。内部的信号测量端口也可以灵活地切换至被测对象的任意输出端口，实现了信号的程控切换。而不必更改测试系统的任何走线和硬件配置，具有较大的灵活性和较强的通用性，有效地解决了手动改线方式带来的技术问题。为了扩展可切换信号的数量及配置的灵活性，矩阵开关产品应用而生。矩阵开关就是由一定数量的开关组成的开关阵列(一般由继电器开关组成)，通过控制继电器开关的通断，可以组成具有一定拓扑结构的开关，实现多路复用的功能或建立矩阵开关实现多路输入与输出，如安捷伦的矩阵开关模块、凌华的PX1-7931矩阵模块等。
[0006]然而，目前市场上可见的矩阵开关产品基本上是基于并行总线构架的产品，如ISA、PX1、PC1、CPCI等架构，必须安装在特定的硬件平台中才能使用。如附图6所示，为现有技术中矩阵开关系统的结构功能框图。该矩阵开关系统包括:依次相连的工控机40、ISA/PXI/PCI/CPCI总线控制器50、矩阵开关模块60和被测设备30。以太网指令输入工控机40，工控机40通过ISA/PXI/PCI/CPCI总线向总线控制器50发送控制指令，并由总线控制器50控制矩阵开关模块60为被测设备30提供信号通道。同时，开关产品本身不具备以太网口等远程通信接口，而是要通过各自平台的总线控制器来实现远程控制，控制方式复杂、价格昂贵、应用方式缺乏灵活性。此外，现有矩阵开关产品不具备状态反馈功能，即开关的工作状态不能被监测，当矩阵开关本身出现问题时，不能将开关的真实状态反馈给使用者，无法及时、准确地定位并排查故障。
[0007]因此，如上所述，现有技术中的矩阵开关基本上都基于ISA、PX1、PC1、CPCI等并行总线架构，本身并不具备远程控制功能，只能间接地通过具备远程通信(如以太网等)功能的PCI或PXI总线控制器来实现远程控制，不能独立使用、应用方式单一、必须依赖其他设备、应用平台有限、控制方式复杂、价格昂贵。同时，不具备开关状态反馈功能，不能监测开关的工作状态，当矩阵开关本身出现问题时，不能监测到开关的状态并反馈给使用者，无法及时、准确的定位并排查故障，测试排查故障的盲目性凸显。从测试的可靠性角度来看，也不能实现效率最优。
【发明内容】
[0008]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种矩阵开关装置、系统及方法，能够解决现有矩阵开关不具备开关状态反馈功能，必须依托ISA、PX1、PC1、CPCI等平台架构，控制方式复杂、价格昂贵的技术缺陷。
[0009]为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种矩阵开关装置的技术实现方案，矩阵开关装置，包括:继电器开关阵列、电平转换单元、状态反馈单元和控制单元；
所述继电器开关阵列包括若干个继电器，为矩阵开关装置提供可切换的开关通道；所述电平转换单元分别与所述继电器开关阵列、控制单元相连，将所述控制单元输出的电平信号转换为所述继电器开关阵列中继电器驱动所需的电平信号；
所述状态反馈单元分别与所述继电器开关阵列、控制单元相连，将所述继电器开关阵列中继电器的开合状态反馈至所述控制单元；
所述矩阵开关装置还包括网络接口单元和/或串行接口单元；
所述控制单元通过所述网络接口单元和/或串行接口单元与外部的PC机进行数据交互；来自于所述PC机的开关通道切换指令通过所述网络接口单元和/或串行接口单元传输至所述控制单元，再经过所述控制单元处理后传输至所述电平转换单元，从而控制所述继电器的开合，实现各信号通道路由的程控切换；所述控制单元还将来自于所述状态反馈单元的所述继电器的开合状态反馈信号通过所述网络接口单元和/或串行接口单元传输至所述PC机。
[0010]优选的，所述控制单元采用FPGA芯片，所述控制单元用于实现以太网或串行通信功能。所述控制单元根据所述网络接口单元和/或串行接口单元的指令控制由若干个所述继电器构成的开关通道的切换。
[0011]优选的，所述网络接口单元为网络通信提供物理层接口，所述控制单元接收来自于所述网络接口单元的网络通信指令并进行解析，并通过I/o 口控制相应继电器的开合并最终得到不同拓扑结构的开关。
[0012]优选的，所述串行接口单元采用RS232接口电路或RS485接口电路或USB接口电路。所述网络接口单元采用以太网接口电路或wifi接口电路。
[0013]优选的，所述电平转换单元将所述控制单元输出的LVCMOS电平信号转换为继电器驱动所需的TTL电平输入信号。
[0014]优选的，所述继电器开关阵列采用单线模式的矩阵开关。
[0015]优选的，所述继电器均包括两组常开触点，其中一组常开触点与所述控制单元的管脚相连，用于反馈所述继电器的开合状态，另一组常开触点作为所述矩阵开关行与列之间的交点。
[0016]优选的，所述继电器还包括线圈，所述继电器开关阵列还包括用于驱动每个对应继电器的驱动电路，所述继电器驱动电路包括第一电阻、第二电阻、三极管和二极管。所述控制单元输出的电平信号经所述电平转换单元转换后从所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的一端、所述三极管的基极相连，所述第二电阻的另一端、所述三极管的发射极与地相连。所述三极管的集电极与所述线圈的一端相连，所述线圈的另一端连接至电源，所述二极管反向并联在所述线圈的两端。所述第一电阻起限流作用，流经所述第一电阻的电流通过所述三极管放大后再驱动所述继电器的线圈。所述第二电阻使所述三极管可靠截止，与所述线圈反并联的二极管起反向续流作用，抑制浪涌。
[0017]优选的，所述继电器的两组常开触点分别为第一触点和第二触点，所述状态反馈单元包括上拉电阻。所述继电器的开合状态反馈信号经所述第一触点的一端输出至所述控制单元，所述第一触点的另一端与地相连，所述第一触点与所述控制单元相连的一端通过所述上拉电阻与电源相连。当所述继电器的线圈得电动作时，对应的所述第一触点、第二触点闭合或断开，在实现信号路由的同时将所述继电器的开合状态通过所述状态反馈单元反馈至所述控制单元。
[0018]优选的，所述第二触点的一端与所述矩阵开关的行相连，所述第二触点的另一端与所述矩阵开关的列相连。
[0019]本发明还 另外具体提供了一种基于上述装置的矩阵开关系统的技术实现方案，矩阵开关系统，包括:PC机、被测设备，以及连接在所述PC机与被测设备之间的如上所述的矩阵开关装置。
[0020]本发明还另外具体提供了一种基于上述系统的矩阵开关方法的技术实现方案，矩阵开关方法，包括以下步骤:
5101:操作人员通过PC机的软件界面发送信号通道切换指令，以切换被测设备的信号通道；
5102:所述PC机通过网络总线接口和/或串行总线接口将切换指令数据传送至控制单元;
5103:所述控制单元判断是否收到网络通信接口指令和/或串行通信接口指令，若确认收到有效的切换指令数据，则执行下一步骤，如切换指令数据无效，则返回继续等待下一次的通信接口指令；
5104:所述控制单元解析所述网络通信接口指令和/或串行通信接口指令，并生成相应的继电器的开合控制信号，并经过电平转换单元输出至继电器开关阵列，从而通过控制所述继电器的开合，为所述矩阵开关装置提供可切换的开关通道；
5105:所述控制单元通过相关端口读取状态反馈单元监测到的继电器的开合状态反馈信号，并通过网络总线接口接口和/或串行总线接口传输至PC机；
5106:返回步骤S101，继续等待下一次信号通道切换指令。
[0021]通过实施上述本发明提供的矩阵开关装置、系统及方法，具有如下有益效果:
(I)本发明具备继电器开关状态反馈功能，能够监测开关状态，当矩阵开关本身出现问题时，能将监测到的开关状态反馈给使用者，从而及时、准确的定位并排查故障，提升了矩阵开关装置的可靠性及排查故障的针对性； (2)本发明通过网络通信接口、串行通信接口中的至少一种通信接口，实现了至少一种远程控制的方式，应用灵活性高；
(3)本发明无需依托ISA、PX1、PC1、CPCI等平台架构，可独立应用，不必更改测试系统的任何走线和硬件配置，具有较大的灵活性和较强的通用性，有效地解决了手动改线进行信号通道切换带来的技术问题。
【附图说明】
[0022]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
[0023]图1是现有技术中通用拓扑结构的开关拓扑结构图；
图2是现有技术中多路复用拓扑结构的开关拓扑结构图；
图3是现有技术中矩阵拓扑结构的开关拓扑结构图；
图4是现有技术中单线模式的矩阵开关拓扑结构图；
图5是现有技术中双线模式的矩阵开关拓扑结构图；
图6是现有技术矩阵开关装置应用于测试系统的系统结构框图；
图7是本发明矩阵开关装置一种【具体实施方式】的结构组成框图；
图8是本发明矩阵开关装置一种【具体实施方式】中继电器开关阵列的结构组成框图；
图9是本发明矩阵开关装置一种【具体实施方式】中单个继电器驱动电路的电路原理图；图10是本发明矩阵开关装置一种【具体实施方式】中单个继电器状态反馈单元的电路原理图；
图11是本发明矩阵开关方法一种【具体实施方式】的程序流程图；
图中:1-继电器开关阵列，2-电平转换单元，3-状态反馈单元，4-控制单元，5-网络接口单元，6-串行接口单元，Kl-继电器，7-线圈，8-第一触点，9-第二触点，10-矩阵开关装置，20-PC机，30-被测设备，40-工控机，50-1SA/PXI/PCI/CPCI总线控制器，60-矩阵开关模块，Rl-第一电阻，R2-第二电阻，R3-上拉电阻，Vl-三极管，V2- 二极管。
【具体实施方式】
[0024]为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下:
ISA:Industry Standard Architecture，工业标准体系结构总线，一种计算机总线标准；
PXI:PCI extens1ns for Instrumentat1n，面向仪器系统的PCI扩展总线，一种计算机总线标准，一般用于测量或自动化控制领域；
PCI peripheral Component Interconnect，外设部件互连总线，一种计算机总线标准；
CPCI:Compact Peripheral Component Interconnect，紧凑型PCI 总线，一种计算机总线标准；
FPGA:Field — Programmable Gate Array，现场可编程门阵列，一种可编程的集成电路芯片;
LVCOMS:一种逻辑电平；
TTL:一种逻辑电平；
PC机:Personal Computer，个人计算机的简称；
Wifi:ffireless Fidelity，无线保真的简称。
[0025]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0026]针对现有技术中存在的问题，本发明具体实施例提出了一种具备状态反馈功能的可远程控制的矩阵开关装置、系统及方法。本发明具体实施例采用继电器构建开关阵列并设置开关状态反馈功能，结合网络和/或串行通信接口，提出了一种具备状态反馈功能的可远程控制的矩阵开关装置、系统及其方法。它不依托于ISA、PX1、PC1、CPCI等平台架构，可以独立地应用。同时，具有网络通信接口、串行通信接口中的至少一种通信接口，实现了至少一种远程控制的方式。此外，还具备状态反馈功能，能够监测继电器开合状态，当矩阵开关本身出现问题时，将监测到的开关状态反馈给使用者，从而实现及时、准确地定位并排查故障的目的。
[0027]如附图7至附图11所示，给出了本发明可远程控制的矩阵开关装置、系统及方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0028]本发明具体实施例描述的可远程控制的矩阵开关装置的基本原理是:PC机20通过矩阵开关装置10的网络通信接口或/串行通信接口中的至少一个远程控制接口与矩阵开关装置10进行数据交互，从而控制矩阵开关装置10中继电器Kl开关的通断，实现各通道路由的程控切换。同时，继电器Kl的开合状态又通过网络通信接口或/串行通信接口反馈给PC机20，实现状态反馈功能。
[0029]如附图7所示，一种可远程控制的矩阵开关装置的具体实施例，包括:继电器开关阵列1、电平转换单元2、状态反馈单元3和控制单元4;
继电器开关阵列I包括若干个继电器K1，为矩阵开关装置提供可切换的开关通道；电平转换单元2分别与继电器开关阵列1、控制单元4相连，将控制单元4输出的电平信号转换为继电器开关阵列I中继电器Kl驱动所需的电平信号；
状态反馈单元3分别与继电器开关阵列1、控制单元4相连，将继电器开关阵列中继电器Kl的开合状态反馈至控制单元4 ；
矩阵开关装置10还包括网络接口单元5和/或串行接口单元6 ;
控制单元4通过网络接口单元5和/或串行接口单元6与外部的PC机20进行数据交互。来自于PC机20的开关通道切换指令通过网络接口单元5和/或串行接口单元6传输至控制单元4，再经过控制单元4处 理后传输至电平转换单元2，从而控制继电器Kl的开合，实现各信号通道路由的程控切换。控制单元4还将来自于状态反馈单元3的继电器Kl的开合状态反馈信号通过网络接口单元5和/或串行接口单元6传输至PC机20。
[0030]在附图7所示的具体实施例当中，矩阵开关装置10同时包括网络接口单元5和串行接口单元6，即矩阵开关装置10同时具备与PC机20进行网络通信和串口通信的功能。
[0031]控制单元4作为本发明装置的处理器采用FPGA芯片，控制单元4用于实现以太网或串行通信功能。当然，控制单元4所采用的芯片不局限于FPGA，也可以是其他类型的处理器。控制单元4根据网络接口单元5和/或串行接口单元6的指令控制由若干个继电器Kl构成的开关通道的切换。同时，状态反馈单元3中继电器Kl的开合状态反馈信号也反馈给控制单元4，控制单元4将监测到的开合状态反馈信号通过网络通信接口或/串行通信接口再传送给PC机20。
[0032]作为本发明一种典型的具体实施例，网络接口单元5采用以太网通信接口电路，为以太网通信提供物理层接口，是控制单元4与PC机20通信的桥梁，为矩阵开关装置10提供10/100M以太网通信能力。控制单元4接收来自于网络接口单元5的以太网指令并进行解析，并通过I/O 口控制相应继电器Kl的开合并最终得到不同拓扑结构的开关。同时，继电器Kl的开合状态也通过网络接口单元5反馈给PC机20。
[0033]作为本发明一种典型的具体实施例，串行接口单元6采用RS232通信接口电路，为RS232串行通信提供接口，主要用于矩阵开关装置10的调试，同时也可以替代以太网通信接口，作为矩阵开关装置10的通信接口来控制继电器开关阵列I的动作。控制单元4接收RS232信号并进行解析，然后通过I/O 口控制相应继电器Kl的开合并最终得到不同拓扑结构的开关。同时，继电器Kl的开合状态也通过RS232通信接口电路反馈给PC机20。
[0034]当然，串行接口单元6还可以采用RS485通信接口电路或USB通信接口电路等。网络接口单元5还可以采用wifi通信接口电路等。
[0035]电平转换单元2将控制单元4管脚输出的LVCMOS电平信号转换为继电器Kl驱动所需的TTL电平输入信号。
[0036]继电器开关阵列I为矩阵开关装置10提供可切换的开关通道，采用单线模式的矩阵开关。如附图8所示，图中的8个继电器Kl构成了一个2X4的矩阵开关，图中标号为hll、hl2等8个继电器作为矩阵开关行、列之间的节点。下面举例说明矩阵开关的运作过程，如:当被测设备30的输入信号需要从Rl端接入，而输出信号需要从Cl端接出时，只需要通过软件远程控制继电器hll闭合即可。紧接着，当被测设备30的输入信号需要从Rl端接入，而输出信号需要从C2端接出时，此时只需要通过软件控制hl2继电器闭合即可完成信号的切换。
[0037]单个继电器Kl开关电路原理如附图9所示，继电器Kl选用线圈额定电压为5VDC、触点形式为2C类型的器件，每个继电器Kl均使用常开触点。继电器Kl均包括两组常开触点，其中一组常开触点与控制单元4的管脚相连，用于反馈继电器Kl的开合状态，另一组常开触点作为矩阵开关行与列之间的交点。
[0038]如附图9所示，继电器Kl还包括线圈7，所述继电器开关阵列I还包括用于驱动每个对应继电器Kl的驱动电路，继电器驱动电路进一步包括第一电阻R1、第二电阻R2、三极管Vl和二极管V2。控制单元4输出的电平信号经电平转换单元2转换后从第一电阻Rl的一端输入，第一电阻Rl的另一端与第二电阻R2的一端、三极管Vl的基极相连，第二电阻R2的另一端、三极管Vl的发射极与地相连。三极管Vl的集电极与线圈7的一端相连，线圈7的另一端连接至电源，二极管V2反向并联在线圈7的两端。第一电阻Rl起限流作用，由于其电流驱动能力较弱，流经第一电阻Rl的电流需通过三极管Vl将电流放大后再驱动继电器Kl的线圈7。第二电阻R2使三极管Vl可靠截止，与线圈7反并联的二极管V2起反向续流作用，抑制浪涌。
[0039]如附图10所示，继电器Kl的两组常开触点分别为第一触点8和第二触点9，状态反馈单元3包括上拉电阻R3。继电器Kl的开合状态反馈信号经第一触点8的一端输出至控制单元4，第一触点8的另一端与地相连，第一触点8与控制单元4相连的一端通过上拉电阻R3与电源相连。当继电器Kl的线圈7得电动作时，对应的第一触点8、第二触点9闭合或断开，在实现信号路由的同时将继电器Kl的开合状态通过状态反馈单元3反馈至控制单元4。控制单元4将监测到的状态反馈信号通过以太网或RS232总线再传送给PC机20。第二触点9的一端与矩阵开关的行相连，第二触点9的另一端与矩阵开关的列相连。
[0040]如附图7所示，一种矩阵开关系统的具体实施例，包括:PC机20、被测设备30，以及连接在PC机20与被测设备30之间的如上所述的矩阵开关装置10。
[0041]本发明具体实施例所描述的矩阵开关系统，设置了继电器开合状态反馈功能，可实时监测继电器Kl的工作状态。当某个继电器Kl发生异常时，其触点开关将处于一个不正常状态。此时，控制单元4可监测到此状态，通过以太网或RS232通信接口，矩阵开关装置10可将故障状态通过PC机20向上反馈给使用者，提示用户采取相应的补救措施。
[0042]如附图11所示，一种基于上述系统的矩阵开关方法的具体实施例，包括以下步骤:
5101:操作人员通过PC机20的软件界面发送信号通道切换指令，以切换被测设备30的信号通道；
5102: PC机20通过网络总线接口和/或串行总线接口将切换指令数据传送至控制单元4 ；
5103:控制单元4判断是否收到网络通信接口指令和/或串行通信接口指令，若确认收到有效的切换指令数据，则执行下一步骤，如切换指令数据无效，则返回继续等待下一次的通信接口指令；
5104:控制单元4解析网络通信接口指令和/或串行通信接口指令，并生成相应的继电器Kl的开合控制信号，并经过电平转换单元2输出至继电器开关阵列1，从而通过控制继电器Kl的开合，为矩阵开关装置提供可切换的开关通道；
5105:控制单元4通过相关端口读取状态反馈单元3监测到的继电器Kl的开合状态反馈信号，并通过网络总线接口接口和/或串行总线接口传输至PC机20 ;
5106:返回步骤S101，继续等待下一次信号通道切换指令。
[0043]通过实施本发明具体实施例描述的矩阵开关装置、系统及方法，能够达到以下技术效果:
(1)本发明具体实施例描述的矩阵开关装置、系统具备继电器开关状态反馈功能，能够监测开关状态，当矩阵开关本身出现问题时，能将监测到的开关状态反馈给使用者，从而及时、准确的定位并排查故障，提升了矩阵开关装置的可靠性及排查故障的针对性；
(2)本发明具体实施例描述的矩阵开关装置、系统通过网络通信接口和/或串行通信接口两种通信接口，实现了至少一种远程控制的方式，应用灵活性高；
(3)本发明具体实施例描述的矩阵开关装置、系统及方法无需依托ISA、PX1、PC1、CPCI等平台架构，可独立应用，不必更改测试系统的任何走线和硬件配置，具有较大的灵活性和较强的通用性，有效地解决了手动改线进行信号通道切换带来的技术问题。
[0044]本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0045]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不 脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
【主权项】
1.一种矩阵开关装置，其特征在于，包括:继电器开关阵列(I)、电平转换单元(2)、状态反馈单元(3)和控制单元(4)； 所述继电器开关阵列(I)包括若干个继电器(Kl)，为所述矩阵开关装置(10 )提供可切换的开关通道； 所述电平转换单元(2)分别与所述继电器开关阵列(1)、控制单元(4)相连，将所述控制单元(4)输出的电平信号转换为所述继电器开关阵列(I)中继电器(Kl)驱动所需的电平信号; 所述状态反馈单元(3)分别与所述继电器开关阵列(1)、控制单元(4)相连，将所述继电器开关阵列(I)中继电器(Kl)的开合状态反馈至所述控制单元(4); 所述矩阵开关装置(10)还包括网络接口单元(5)和/或串行接口单元(6); 所述控制单元(4)通过所述网络接口单元(5)和/或串行接口单元(6)与外部的PC机(20 )进行数据交互；来自于所述PC机(20 )的开关通道切换指令通过所述网络接口单元(5 )和/或串行接口单元(6)传输至所述控制单元(4)，再经过所述控制单元(4)处理后传输至所述电平转换单元(2)，从而控制所述继电器(Kl)的开合，实现各信号通道路由的程控切换；所述控制单元(4)还将来自于所述状态反馈单元(3)的所述继电器(Kl)的开合状态反馈信号通过所述网络接口单元(5)和/或串行接口单元(6)传输至所述PC机(20)。
2.根据权利要求1所述的矩阵开关装置，其特征在于:所述控制单元(4)采用FPGA芯片，所述控制单元(4)用于实现以太网或串行通信功能；所述控制单元(4)根据所述网络接口单元(5)和/或串行接口单元(6)的指令控制由若干个所述继电器(Kl)构成的开关通道的切换。
3.根据权利要求1或2所述的矩阵开关装置，其特征在于:所述网络接口单元(5)为网络通信提供物理层接口，所述控制单元(4)接收来自于所述网络接口单元(5)的网络通信指令并进行解析，并通过I/O 口控制相应继电器(Kl)的开合并最终得到不同拓扑结构的开关。
4.根据权利要求3所述的矩阵开关装置，其特征在于:所述串行接口单元(6)采用RS232接口电路或RS485接口电路或USB接口电路；所述网络接口单元(5)采用以太网接口电路或wifi接口电路。
5.根据权利要求1、2、4中任一项所述的矩阵开关装置，其特征在于:所述电平转换单元(2)将所述控制单元(4)输出的LVCMOS电平信号转换为继电器(Kl)驱动所需的TTL电平输入信号。
6.根据权利要求1、2、4中任一项所述的矩阵开关装置，其特征在于:所述继电器开关阵列(I)采用单线模式的矩阵开关。
7.根据权利要求6所述的矩阵开关装置，其特征在于:所述继电器(Kl)均包括两组常开触点，其中一组常开触点与所述控制单元(4)的管脚相连，用于反馈所述继电器(Kl)的开合状态，另一组常开触点作为所述矩阵开关行与列之间的交点。
8.根据权利要求7所述的矩阵开关装置，其特征在于:所述继电器(Kl)还包括线圈(7 )，所述继电器开关阵列(I)还包括用于驱动每个对应继电器(Kl)的驱动电路，所述继电器驱动电路包括第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、三极管(Vl)和二极管(V2);所述控制单元(4)输出的电平信号经所述电平转换单元(2)转换后从所述第一电阻(Rl)的一端输入，所述第一电阻(Rl)的另一端与所述第二电阻(R2)的一端、所述三极管(Vl)的基极相连，所述第二电阻(R2)的另一端、所述三极管(Vl)的发射极与地相连；所述三极管(Vl)的集电极与所述线圈(7)的一端相连，所述线圈(7)的另一端连接至电源，所述二极管(V2)反向并联在所述线圈(7)的两端；所述第一电阻(Rl)起限流作用，流经所述第一电阻(Rl)的电流通过所述三极管(Vl)放大后再驱动所述继电器(Kl)的线圈(7);所述第二电阻(R2)使所述三极管(Vl)可靠截止，与所述线圈(7)反并联的二极管(V2)起反向续流作用，抑制浪涌。
9.根据权利要求8所述的矩阵开关装置，其特征在于:所述继电器(Kl)的两组常开触点分别为第一触点(8)和第二触点(9)，所述状态反馈单元(3)包括上拉电阻(R3);所述继电器(Kl)的开合状态反馈信号经所述第一触点(8)的一端输出至所述控制单元(4)，所述第一触点(8)的另一端与地相连，所述第一触点(8)与所述控制单元(4)相连的一端通过所述上拉电阻(R3)与电源相连；当所述继电器(Kl)的线圈(7)得电动作时，对应的所述第一触点(8)、第二触点(9)闭合或断开，在实现信号路由的同时将所述继电器(Kl)的开合状态通过所述状态反馈单元(3 )反馈至所述控制单元(4 )。
10.根据权利要求9所述的矩阵开关装置，其特征在于:所述第二触点(9)的一端与所述矩阵开关的行相连，所述第二触点(9)的另一端与所述矩阵开关的列相连。
11.一种矩阵开关系统，其特征在于:包括PC机(20)、被测设备(30)，以及连接在所述PC机(20)与被测设备(30)之间的如权利要求1至10中任一项所述的矩阵开关装置(10)。
12.一种基于权利要求11所述系统的矩阵开关方法，其特征在于，包括以下步骤: 5101:操作人员通过PC机(20)的软件界面发送信号通道切换指令，以切换被测设备(30)的信号通道； 5102:所述PC机(20)通过网络总线接口和/或串行总线接口将切换指令数据传送至控制单元(4)； 5103:所述控制单元(4)判断是否收到网络通信接口指令和/或串行通信接口指令，若确认收到有效的切换指令数据，则执行下一步骤，如切换指令数据无效，则返回继续等待下一次的通信接口指令； 5104:所述控制单元(4)解析所述网络通信接口指令和/或串行通信接口指令，并生成相应的继电器(Kl)的开合控制信号，并经过电平转换单元(2)输出至继电器开关阵列(1)，从而通过控制所述继电器(Kl)的开合，为所述矩阵开关装置(10)提供可切换的开关通道； 5105:所述控制单元(4)通过相关端口读取状态反馈单元(3)监测到的继电器(Kl)的开合状态反馈信号，并通过网络总线接口接口和/或串行总线接口传输至PC机(20); 5106:返回步骤S101，继续等待下一次信号通道切换指令。
【专利摘要】本发明公开了一种矩阵开关装置、系统及方法，装置包括：继电器开关阵列、电平转换单元、状态反馈单元和控制单元。矩阵开关装置还包括网络接口单元和/或串行接口单元。继电器开关阵列包括若干个继电器，为矩阵开关装置提供可切换的开关通道。电平转换单元分别与继电器开关阵列、控制单元相连，将控制单元输出的电平信号转换为继电器开关阵列驱动所需的电平信号。状态反馈单元分别与继电器开关阵列、控制单元相连，将继电器开合状态反馈至控制单元。控制单元通过网络和/或串行接口与外部的PC机进行数据交互。本发明能够解决现有矩阵开关不具备开关状态反馈功能，必须依托ISA、PXI、PCI等平台架构，控制方式复杂、价格昂贵的技术缺陷。
【IPC分类】G05B23-02
【公开号】CN104865958
【申请号】CN201510220319
【发明人】刘丽君, 李小文, 刘伟良, 陈明奎, 谭利红, 万加林, 莫伟书, 李想利
【申请人】株洲南车时代电气股份有限公司
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年5月4日
【技术领域】
[0001]本发明涉及电子电气技术领域，尤其是涉及一种应用于测试系统与被测系统之间的信号切换的具备状态反馈功能的可远程控制的矩阵开关装置、系统及方法。
【背景技术】
[0002]在现有技术中，常用的开关拓扑结构通常包括通用拓扑结构、多路复用拓扑结构及矩阵拓扑结构，分别如附图1、2和3所示。其中，如附图3所示的矩阵开关:故名思议，指结构为行(row)、列(column)交叉排布的开关产品，其特点为每个节点连接一个行/列，每个节点可以单独操作，通过设置节点的不同组合可以实现信号的路由切换。
[0003]而矩阵开关又有单线，双线等不同模式。其中，如附图4所示，单线开关模式的输入信号均为单端输入，所有信号具有公共地或公共低端。而如附图5所示，双线模式是分别将通道的正负端接到公共端的正负端口上的方式。
[0004]对于任何一个电气产品的测试过程来说，一般都需要将被测设备的接入点与各种不同的信号进行连接，并且对设备进行测试，从而核实设备中这部分功能的效用。在这个过程中频繁的切换信号是必不可少的。对于小而简单的测试来说，人工的进行拆卸和更换连线也可以完成信号的切换。然而对于大而复杂的测试系统来说，反复地进行人工拆卸、更换连线的方式通用性差，费工费时且极易出错。
[0005]基于上述情况，目前市场上出现了大量的开关产品。开关产品作为连接测试系统和被测设备的桥梁，通过软件控制开关的通断，从而测试系统内部的输出信号端口可灵活地切换至被测对象的任意输入端口。内部的信号测量端口也可以灵活地切换至被测对象的任意输出端口，实现了信号的程控切换。而不必更改测试系统的任何走线和硬件配置，具有较大的灵活性和较强的通用性，有效地解决了手动改线方式带来的技术问题。为了扩展可切换信号的数量及配置的灵活性，矩阵开关产品应用而生。矩阵开关就是由一定数量的开关组成的开关阵列(一般由继电器开关组成)，通过控制继电器开关的通断，可以组成具有一定拓扑结构的开关，实现多路复用的功能或建立矩阵开关实现多路输入与输出，如安捷伦的矩阵开关模块、凌华的PX1-7931矩阵模块等。
[0006]然而，目前市场上可见的矩阵开关产品基本上是基于并行总线构架的产品，如ISA、PX1、PC1、CPCI等架构，必须安装在特定的硬件平台中才能使用。如附图6所示，为现有技术中矩阵开关系统的结构功能框图。该矩阵开关系统包括:依次相连的工控机40、ISA/PXI/PCI/CPCI总线控制器50、矩阵开关模块60和被测设备30。以太网指令输入工控机40，工控机40通过ISA/PXI/PCI/CPCI总线向总线控制器50发送控制指令，并由总线控制器50控制矩阵开关模块60为被测设备30提供信号通道。同时，开关产品本身不具备以太网口等远程通信接口，而是要通过各自平台的总线控制器来实现远程控制，控制方式复杂、价格昂贵、应用方式缺乏灵活性。此外，现有矩阵开关产品不具备状态反馈功能，即开关的工作状态不能被监测，当矩阵开关本身出现问题时，不能将开关的真实状态反馈给使用者，无法及时、准确地定位并排查故障。
[0007]因此，如上所述，现有技术中的矩阵开关基本上都基于ISA、PX1、PC1、CPCI等并行总线架构，本身并不具备远程控制功能，只能间接地通过具备远程通信(如以太网等)功能的PCI或PXI总线控制器来实现远程控制，不能独立使用、应用方式单一、必须依赖其他设备、应用平台有限、控制方式复杂、价格昂贵。同时，不具备开关状态反馈功能，不能监测开关的工作状态，当矩阵开关本身出现问题时，不能监测到开关的状态并反馈给使用者，无法及时、准确的定位并排查故障，测试排查故障的盲目性凸显。从测试的可靠性角度来看，也不能实现效率最优。
【发明内容】
[0008]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种矩阵开关装置、系统及方法，能够解决现有矩阵开关不具备开关状态反馈功能，必须依托ISA、PX1、PC1、CPCI等平台架构，控制方式复杂、价格昂贵的技术缺陷。
[0009]为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种矩阵开关装置的技术实现方案，矩阵开关装置，包括:继电器开关阵列、电平转换单元、状态反馈单元和控制单元；
所述继电器开关阵列包括若干个继电器，为矩阵开关装置提供可切换的开关通道；所述电平转换单元分别与所述继电器开关阵列、控制单元相连，将所述控制单元输出的电平信号转换为所述继电器开关阵列中继电器驱动所需的电平信号；
所述状态反馈单元分别与所述继电器开关阵列、控制单元相连，将所述继电器开关阵列中继电器的开合状态反馈至所述控制单元；
所述矩阵开关装置还包括网络接口单元和/或串行接口单元；
所述控制单元通过所述网络接口单元和/或串行接口单元与外部的PC机进行数据交互；来自于所述PC机的开关通道切换指令通过所述网络接口单元和/或串行接口单元传输至所述控制单元，再经过所述控制单元处理后传输至所述电平转换单元，从而控制所述继电器的开合，实现各信号通道路由的程控切换；所述控制单元还将来自于所述状态反馈单元的所述继电器的开合状态反馈信号通过所述网络接口单元和/或串行接口单元传输至所述PC机。
[0010]优选的，所述控制单元采用FPGA芯片，所述控制单元用于实现以太网或串行通信功能。所述控制单元根据所述网络接口单元和/或串行接口单元的指令控制由若干个所述继电器构成的开关通道的切换。
[0011]优选的，所述网络接口单元为网络通信提供物理层接口，所述控制单元接收来自于所述网络接口单元的网络通信指令并进行解析，并通过I/o 口控制相应继电器的开合并最终得到不同拓扑结构的开关。
[0012]优选的，所述串行接口单元采用RS232接口电路或RS485接口电路或USB接口电路。所述网络接口单元采用以太网接口电路或wifi接口电路。
[0013]优选的，所述电平转换单元将所述控制单元输出的LVCMOS电平信号转换为继电器驱动所需的TTL电平输入信号。
[0014]优选的，所述继电器开关阵列采用单线模式的矩阵开关。
[0015]优选的，所述继电器均包括两组常开触点，其中一组常开触点与所述控制单元的管脚相连，用于反馈所述继电器的开合状态，另一组常开触点作为所述矩阵开关行与列之间的交点。
[0016]优选的，所述继电器还包括线圈，所述继电器开关阵列还包括用于驱动每个对应继电器的驱动电路，所述继电器驱动电路包括第一电阻、第二电阻、三极管和二极管。所述控制单元输出的电平信号经所述电平转换单元转换后从所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的一端、所述三极管的基极相连，所述第二电阻的另一端、所述三极管的发射极与地相连。所述三极管的集电极与所述线圈的一端相连，所述线圈的另一端连接至电源，所述二极管反向并联在所述线圈的两端。所述第一电阻起限流作用，流经所述第一电阻的电流通过所述三极管放大后再驱动所述继电器的线圈。所述第二电阻使所述三极管可靠截止，与所述线圈反并联的二极管起反向续流作用，抑制浪涌。
[0017]优选的，所述继电器的两组常开触点分别为第一触点和第二触点，所述状态反馈单元包括上拉电阻。所述继电器的开合状态反馈信号经所述第一触点的一端输出至所述控制单元，所述第一触点的另一端与地相连，所述第一触点与所述控制单元相连的一端通过所述上拉电阻与电源相连。当所述继电器的线圈得电动作时，对应的所述第一触点、第二触点闭合或断开，在实现信号路由的同时将所述继电器的开合状态通过所述状态反馈单元反馈至所述控制单元。
[0018]优选的，所述第二触点的一端与所述矩阵开关的行相连，所述第二触点的另一端与所述矩阵开关的列相连。
[0019]本发明还 另外具体提供了一种基于上述装置的矩阵开关系统的技术实现方案，矩阵开关系统，包括:PC机、被测设备，以及连接在所述PC机与被测设备之间的如上所述的矩阵开关装置。
[0020]本发明还另外具体提供了一种基于上述系统的矩阵开关方法的技术实现方案，矩阵开关方法，包括以下步骤:
5101:操作人员通过PC机的软件界面发送信号通道切换指令，以切换被测设备的信号通道；
5102:所述PC机通过网络总线接口和/或串行总线接口将切换指令数据传送至控制单元;
5103:所述控制单元判断是否收到网络通信接口指令和/或串行通信接口指令，若确认收到有效的切换指令数据，则执行下一步骤，如切换指令数据无效，则返回继续等待下一次的通信接口指令；
5104:所述控制单元解析所述网络通信接口指令和/或串行通信接口指令，并生成相应的继电器的开合控制信号，并经过电平转换单元输出至继电器开关阵列，从而通过控制所述继电器的开合，为所述矩阵开关装置提供可切换的开关通道；
5105:所述控制单元通过相关端口读取状态反馈单元监测到的继电器的开合状态反馈信号，并通过网络总线接口接口和/或串行总线接口传输至PC机；
5106:返回步骤S101，继续等待下一次信号通道切换指令。
[0021]通过实施上述本发明提供的矩阵开关装置、系统及方法，具有如下有益效果:
(I)本发明具备继电器开关状态反馈功能，能够监测开关状态，当矩阵开关本身出现问题时，能将监测到的开关状态反馈给使用者，从而及时、准确的定位并排查故障，提升了矩阵开关装置的可靠性及排查故障的针对性； (2)本发明通过网络通信接口、串行通信接口中的至少一种通信接口，实现了至少一种远程控制的方式，应用灵活性高；
(3)本发明无需依托ISA、PX1、PC1、CPCI等平台架构，可独立应用，不必更改测试系统的任何走线和硬件配置，具有较大的灵活性和较强的通用性，有效地解决了手动改线进行信号通道切换带来的技术问题。
【附图说明】
[0022]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
[0023]图1是现有技术中通用拓扑结构的开关拓扑结构图；
图2是现有技术中多路复用拓扑结构的开关拓扑结构图；
图3是现有技术中矩阵拓扑结构的开关拓扑结构图；
图4是现有技术中单线模式的矩阵开关拓扑结构图；
图5是现有技术中双线模式的矩阵开关拓扑结构图；
图6是现有技术矩阵开关装置应用于测试系统的系统结构框图；
图7是本发明矩阵开关装置一种【具体实施方式】的结构组成框图；
图8是本发明矩阵开关装置一种【具体实施方式】中继电器开关阵列的结构组成框图；
图9是本发明矩阵开关装置一种【具体实施方式】中单个继电器驱动电路的电路原理图；图10是本发明矩阵开关装置一种【具体实施方式】中单个继电器状态反馈单元的电路原理图；
图11是本发明矩阵开关方法一种【具体实施方式】的程序流程图；
图中:1-继电器开关阵列，2-电平转换单元，3-状态反馈单元，4-控制单元，5-网络接口单元，6-串行接口单元，Kl-继电器，7-线圈，8-第一触点，9-第二触点，10-矩阵开关装置，20-PC机，30-被测设备，40-工控机，50-1SA/PXI/PCI/CPCI总线控制器，60-矩阵开关模块，Rl-第一电阻，R2-第二电阻，R3-上拉电阻，Vl-三极管，V2- 二极管。
【具体实施方式】
[0024]为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下:
ISA:Industry Standard Architecture，工业标准体系结构总线，一种计算机总线标准；
PXI:PCI extens1ns for Instrumentat1n，面向仪器系统的PCI扩展总线，一种计算机总线标准，一般用于测量或自动化控制领域；
PCI peripheral Component Interconnect，外设部件互连总线，一种计算机总线标准；
CPCI:Compact Peripheral Component Interconnect，紧凑型PCI 总线，一种计算机总线标准；
FPGA:Field — Programmable Gate Array，现场可编程门阵列，一种可编程的集成电路芯片;
LVCOMS:一种逻辑电平；
TTL:一种逻辑电平；
PC机:Personal Computer，个人计算机的简称；
Wifi:ffireless Fidelity，无线保真的简称。
[0025]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0026]针对现有技术中存在的问题，本发明具体实施例提出了一种具备状态反馈功能的可远程控制的矩阵开关装置、系统及方法。本发明具体实施例采用继电器构建开关阵列并设置开关状态反馈功能，结合网络和/或串行通信接口，提出了一种具备状态反馈功能的可远程控制的矩阵开关装置、系统及其方法。它不依托于ISA、PX1、PC1、CPCI等平台架构，可以独立地应用。同时，具有网络通信接口、串行通信接口中的至少一种通信接口，实现了至少一种远程控制的方式。此外，还具备状态反馈功能，能够监测继电器开合状态，当矩阵开关本身出现问题时，将监测到的开关状态反馈给使用者，从而实现及时、准确地定位并排查故障的目的。
[0027]如附图7至附图11所示，给出了本发明可远程控制的矩阵开关装置、系统及方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0028]本发明具体实施例描述的可远程控制的矩阵开关装置的基本原理是:PC机20通过矩阵开关装置10的网络通信接口或/串行通信接口中的至少一个远程控制接口与矩阵开关装置10进行数据交互，从而控制矩阵开关装置10中继电器Kl开关的通断，实现各通道路由的程控切换。同时，继电器Kl的开合状态又通过网络通信接口或/串行通信接口反馈给PC机20，实现状态反馈功能。
[0029]如附图7所示，一种可远程控制的矩阵开关装置的具体实施例，包括:继电器开关阵列1、电平转换单元2、状态反馈单元3和控制单元4;
继电器开关阵列I包括若干个继电器K1，为矩阵开关装置提供可切换的开关通道；电平转换单元2分别与继电器开关阵列1、控制单元4相连，将控制单元4输出的电平信号转换为继电器开关阵列I中继电器Kl驱动所需的电平信号；
状态反馈单元3分别与继电器开关阵列1、控制单元4相连，将继电器开关阵列中继电器Kl的开合状态反馈至控制单元4 ；
矩阵开关装置10还包括网络接口单元5和/或串行接口单元6 ;
控制单元4通过网络接口单元5和/或串行接口单元6与外部的PC机20进行数据交互。来自于PC机20的开关通道切换指令通过网络接口单元5和/或串行接口单元6传输至控制单元4，再经过控制单元4处 理后传输至电平转换单元2，从而控制继电器Kl的开合，实现各信号通道路由的程控切换。控制单元4还将来自于状态反馈单元3的继电器Kl的开合状态反馈信号通过网络接口单元5和/或串行接口单元6传输至PC机20。
[0030]在附图7所示的具体实施例当中，矩阵开关装置10同时包括网络接口单元5和串行接口单元6，即矩阵开关装置10同时具备与PC机20进行网络通信和串口通信的功能。
[0031]控制单元4作为本发明装置的处理器采用FPGA芯片，控制单元4用于实现以太网或串行通信功能。当然，控制单元4所采用的芯片不局限于FPGA，也可以是其他类型的处理器。控制单元4根据网络接口单元5和/或串行接口单元6的指令控制由若干个继电器Kl构成的开关通道的切换。同时，状态反馈单元3中继电器Kl的开合状态反馈信号也反馈给控制单元4，控制单元4将监测到的开合状态反馈信号通过网络通信接口或/串行通信接口再传送给PC机20。
[0032]作为本发明一种典型的具体实施例，网络接口单元5采用以太网通信接口电路，为以太网通信提供物理层接口，是控制单元4与PC机20通信的桥梁，为矩阵开关装置10提供10/100M以太网通信能力。控制单元4接收来自于网络接口单元5的以太网指令并进行解析，并通过I/O 口控制相应继电器Kl的开合并最终得到不同拓扑结构的开关。同时，继电器Kl的开合状态也通过网络接口单元5反馈给PC机20。
[0033]作为本发明一种典型的具体实施例，串行接口单元6采用RS232通信接口电路，为RS232串行通信提供接口，主要用于矩阵开关装置10的调试，同时也可以替代以太网通信接口，作为矩阵开关装置10的通信接口来控制继电器开关阵列I的动作。控制单元4接收RS232信号并进行解析，然后通过I/O 口控制相应继电器Kl的开合并最终得到不同拓扑结构的开关。同时，继电器Kl的开合状态也通过RS232通信接口电路反馈给PC机20。
[0034]当然，串行接口单元6还可以采用RS485通信接口电路或USB通信接口电路等。网络接口单元5还可以采用wifi通信接口电路等。
[0035]电平转换单元2将控制单元4管脚输出的LVCMOS电平信号转换为继电器Kl驱动所需的TTL电平输入信号。
[0036]继电器开关阵列I为矩阵开关装置10提供可切换的开关通道，采用单线模式的矩阵开关。如附图8所示，图中的8个继电器Kl构成了一个2X4的矩阵开关，图中标号为hll、hl2等8个继电器作为矩阵开关行、列之间的节点。下面举例说明矩阵开关的运作过程，如:当被测设备30的输入信号需要从Rl端接入，而输出信号需要从Cl端接出时，只需要通过软件远程控制继电器hll闭合即可。紧接着，当被测设备30的输入信号需要从Rl端接入，而输出信号需要从C2端接出时，此时只需要通过软件控制hl2继电器闭合即可完成信号的切换。
[0037]单个继电器Kl开关电路原理如附图9所示，继电器Kl选用线圈额定电压为5VDC、触点形式为2C类型的器件，每个继电器Kl均使用常开触点。继电器Kl均包括两组常开触点，其中一组常开触点与控制单元4的管脚相连，用于反馈继电器Kl的开合状态，另一组常开触点作为矩阵开关行与列之间的交点。
[0038]如附图9所示，继电器Kl还包括线圈7，所述继电器开关阵列I还包括用于驱动每个对应继电器Kl的驱动电路，继电器驱动电路进一步包括第一电阻R1、第二电阻R2、三极管Vl和二极管V2。控制单元4输出的电平信号经电平转换单元2转换后从第一电阻Rl的一端输入，第一电阻Rl的另一端与第二电阻R2的一端、三极管Vl的基极相连，第二电阻R2的另一端、三极管Vl的发射极与地相连。三极管Vl的集电极与线圈7的一端相连，线圈7的另一端连接至电源，二极管V2反向并联在线圈7的两端。第一电阻Rl起限流作用，由于其电流驱动能力较弱，流经第一电阻Rl的电流需通过三极管Vl将电流放大后再驱动继电器Kl的线圈7。第二电阻R2使三极管Vl可靠截止，与线圈7反并联的二极管V2起反向续流作用，抑制浪涌。
[0039]如附图10所示，继电器Kl的两组常开触点分别为第一触点8和第二触点9，状态反馈单元3包括上拉电阻R3。继电器Kl的开合状态反馈信号经第一触点8的一端输出至控制单元4，第一触点8的另一端与地相连，第一触点8与控制单元4相连的一端通过上拉电阻R3与电源相连。当继电器Kl的线圈7得电动作时，对应的第一触点8、第二触点9闭合或断开，在实现信号路由的同时将继电器Kl的开合状态通过状态反馈单元3反馈至控制单元4。控制单元4将监测到的状态反馈信号通过以太网或RS232总线再传送给PC机20。第二触点9的一端与矩阵开关的行相连，第二触点9的另一端与矩阵开关的列相连。
[0040]如附图7所示，一种矩阵开关系统的具体实施例，包括:PC机20、被测设备30，以及连接在PC机20与被测设备30之间的如上所述的矩阵开关装置10。
[0041]本发明具体实施例所描述的矩阵开关系统，设置了继电器开合状态反馈功能，可实时监测继电器Kl的工作状态。当某个继电器Kl发生异常时，其触点开关将处于一个不正常状态。此时，控制单元4可监测到此状态，通过以太网或RS232通信接口，矩阵开关装置10可将故障状态通过PC机20向上反馈给使用者，提示用户采取相应的补救措施。
[0042]如附图11所示，一种基于上述系统的矩阵开关方法的具体实施例，包括以下步骤:
5101:操作人员通过PC机20的软件界面发送信号通道切换指令，以切换被测设备30的信号通道；
5102: PC机20通过网络总线接口和/或串行总线接口将切换指令数据传送至控制单元4 ；
5103:控制单元4判断是否收到网络通信接口指令和/或串行通信接口指令，若确认收到有效的切换指令数据，则执行下一步骤，如切换指令数据无效，则返回继续等待下一次的通信接口指令；
5104:控制单元4解析网络通信接口指令和/或串行通信接口指令，并生成相应的继电器Kl的开合控制信号，并经过电平转换单元2输出至继电器开关阵列1，从而通过控制继电器Kl的开合，为矩阵开关装置提供可切换的开关通道；
5105:控制单元4通过相关端口读取状态反馈单元3监测到的继电器Kl的开合状态反馈信号，并通过网络总线接口接口和/或串行总线接口传输至PC机20 ;
5106:返回步骤S101，继续等待下一次信号通道切换指令。
[0043]通过实施本发明具体实施例描述的矩阵开关装置、系统及方法，能够达到以下技术效果:
(1)本发明具体实施例描述的矩阵开关装置、系统具备继电器开关状态反馈功能，能够监测开关状态，当矩阵开关本身出现问题时，能将监测到的开关状态反馈给使用者，从而及时、准确的定位并排查故障，提升了矩阵开关装置的可靠性及排查故障的针对性；
(2)本发明具体实施例描述的矩阵开关装置、系统通过网络通信接口和/或串行通信接口两种通信接口，实现了至少一种远程控制的方式，应用灵活性高；
(3)本发明具体实施例描述的矩阵开关装置、系统及方法无需依托ISA、PX1、PC1、CPCI等平台架构，可独立应用，不必更改测试系统的任何走线和硬件配置，具有较大的灵活性和较强的通用性，有效地解决了手动改线进行信号通道切换带来的技术问题。
[0044]本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0045]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不 脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
【主权项】
1.一种矩阵开关装置，其特征在于，包括:继电器开关阵列(I)、电平转换单元(2)、状态反馈单元(3)和控制单元(4)； 所述继电器开关阵列(I)包括若干个继电器(Kl)，为所述矩阵开关装置(10 )提供可切换的开关通道； 所述电平转换单元(2)分别与所述继电器开关阵列(1)、控制单元(4)相连，将所述控制单元(4)输出的电平信号转换为所述继电器开关阵列(I)中继电器(Kl)驱动所需的电平信号; 所述状态反馈单元(3)分别与所述继电器开关阵列(1)、控制单元(4)相连，将所述继电器开关阵列(I)中继电器(Kl)的开合状态反馈至所述控制单元(4); 所述矩阵开关装置(10)还包括网络接口单元(5)和/或串行接口单元(6); 所述控制单元(4)通过所述网络接口单元(5)和/或串行接口单元(6)与外部的PC机(20 )进行数据交互；来自于所述PC机(20 )的开关通道切换指令通过所述网络接口单元(5 )和/或串行接口单元(6)传输至所述控制单元(4)，再经过所述控制单元(4)处理后传输至所述电平转换单元(2)，从而控制所述继电器(Kl)的开合，实现各信号通道路由的程控切换；所述控制单元(4)还将来自于所述状态反馈单元(3)的所述继电器(Kl)的开合状态反馈信号通过所述网络接口单元(5)和/或串行接口单元(6)传输至所述PC机(20)。
2.根据权利要求1所述的矩阵开关装置，其特征在于:所述控制单元(4)采用FPGA芯片，所述控制单元(4)用于实现以太网或串行通信功能；所述控制单元(4)根据所述网络接口单元(5)和/或串行接口单元(6)的指令控制由若干个所述继电器(Kl)构成的开关通道的切换。
3.根据权利要求1或2所述的矩阵开关装置，其特征在于:所述网络接口单元(5)为网络通信提供物理层接口，所述控制单元(4)接收来自于所述网络接口单元(5)的网络通信指令并进行解析，并通过I/O 口控制相应继电器(Kl)的开合并最终得到不同拓扑结构的开关。
4.根据权利要求3所述的矩阵开关装置，其特征在于:所述串行接口单元(6)采用RS232接口电路或RS485接口电路或USB接口电路；所述网络接口单元(5)采用以太网接口电路或wifi接口电路。
5.根据权利要求1、2、4中任一项所述的矩阵开关装置，其特征在于:所述电平转换单元(2)将所述控制单元(4)输出的LVCMOS电平信号转换为继电器(Kl)驱动所需的TTL电平输入信号。
6.根据权利要求1、2、4中任一项所述的矩阵开关装置，其特征在于:所述继电器开关阵列(I)采用单线模式的矩阵开关。
7.根据权利要求6所述的矩阵开关装置，其特征在于:所述继电器(Kl)均包括两组常开触点，其中一组常开触点与所述控制单元(4)的管脚相连，用于反馈所述继电器(Kl)的开合状态，另一组常开触点作为所述矩阵开关行与列之间的交点。
8.根据权利要求7所述的矩阵开关装置，其特征在于:所述继电器(Kl)还包括线圈(7 )，所述继电器开关阵列(I)还包括用于驱动每个对应继电器(Kl)的驱动电路，所述继电器驱动电路包括第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、三极管(Vl)和二极管(V2);所述控制单元(4)输出的电平信号经所述电平转换单元(2)转换后从所述第一电阻(Rl)的一端输入，所述第一电阻(Rl)的另一端与所述第二电阻(R2)的一端、所述三极管(Vl)的基极相连，所述第二电阻(R2)的另一端、所述三极管(Vl)的发射极与地相连；所述三极管(Vl)的集电极与所述线圈(7)的一端相连，所述线圈(7)的另一端连接至电源，所述二极管(V2)反向并联在所述线圈(7)的两端；所述第一电阻(Rl)起限流作用，流经所述第一电阻(Rl)的电流通过所述三极管(Vl)放大后再驱动所述继电器(Kl)的线圈(7);所述第二电阻(R2)使所述三极管(Vl)可靠截止，与所述线圈(7)反并联的二极管(V2)起反向续流作用，抑制浪涌。
9.根据权利要求8所述的矩阵开关装置，其特征在于:所述继电器(Kl)的两组常开触点分别为第一触点(8)和第二触点(9)，所述状态反馈单元(3)包括上拉电阻(R3);所述继电器(Kl)的开合状态反馈信号经所述第一触点(8)的一端输出至所述控制单元(4)，所述第一触点(8)的另一端与地相连，所述第一触点(8)与所述控制单元(4)相连的一端通过所述上拉电阻(R3)与电源相连；当所述继电器(Kl)的线圈(7)得电动作时，对应的所述第一触点(8)、第二触点(9)闭合或断开，在实现信号路由的同时将所述继电器(Kl)的开合状态通过所述状态反馈单元(3 )反馈至所述控制单元(4 )。
10.根据权利要求9所述的矩阵开关装置，其特征在于:所述第二触点(9)的一端与所述矩阵开关的行相连，所述第二触点(9)的另一端与所述矩阵开关的列相连。
11.一种矩阵开关系统，其特征在于:包括PC机(20)、被测设备(30)，以及连接在所述PC机(20)与被测设备(30)之间的如权利要求1至10中任一项所述的矩阵开关装置(10)。
12.一种基于权利要求11所述系统的矩阵开关方法，其特征在于，包括以下步骤: 5101:操作人员通过PC机(20)的软件界面发送信号通道切换指令，以切换被测设备(30)的信号通道； 5102:所述PC机(20)通过网络总线接口和/或串行总线接口将切换指令数据传送至控制单元(4)； 5103:所述控制单元(4)判断是否收到网络通信接口指令和/或串行通信接口指令，若确认收到有效的切换指令数据，则执行下一步骤，如切换指令数据无效，则返回继续等待下一次的通信接口指令； 5104:所述控制单元(4)解析所述网络通信接口指令和/或串行通信接口指令，并生成相应的继电器(Kl)的开合控制信号，并经过电平转换单元(2)输出至继电器开关阵列(1)，从而通过控制所述继电器(Kl)的开合，为所述矩阵开关装置(10)提供可切换的开关通道； 5105:所述控制单元(4)通过相关端口读取状态反馈单元(3)监测到的继电器(Kl)的开合状态反馈信号，并通过网络总线接口接口和/或串行总线接口传输至PC机(20); 5106:返回步骤S101，继续等待下一次信号通道切换指令。
【专利摘要】本发明公开了一种矩阵开关装置、系统及方法，装置包括：继电器开关阵列、电平转换单元、状态反馈单元和控制单元。矩阵开关装置还包括网络接口单元和/或串行接口单元。继电器开关阵列包括若干个继电器，为矩阵开关装置提供可切换的开关通道。电平转换单元分别与继电器开关阵列、控制单元相连，将控制单元输出的电平信号转换为继电器开关阵列驱动所需的电平信号。状态反馈单元分别与继电器开关阵列、控制单元相连，将继电器开合状态反馈至控制单元。控制单元通过网络和/或串行接口与外部的PC机进行数据交互。本发明能够解决现有矩阵开关不具备开关状态反馈功能，必须依托ISA、PXI、PCI等平台架构，控制方式复杂、价格昂贵的技术缺陷。
【IPC分类】G05B23-02
【公开号】CN104865958
【申请号】CN201510220319
【发明人】刘丽君, 李小文, 刘伟良, 陈明奎, 谭利红, 万加林, 莫伟书, 李想利
【申请人】株洲南车时代电气股份有限公司
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年5月4日
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