CN104483876A - 适用于扫描开关内部继电器的阵列式控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于扫描开关内部继电器的阵列式控制装置。包括由继电器排布而成的继电器阵列；位于同一行继电器中的所有线圈高端连接在一起后作为行控制端，位于同一列继电器中的所有线圈低端连接在一起后作为列控制端；控制器的并行行控制信号经第一驱动器输入连接到各个行控制端，控制器的并行列控制信号经第二驱动器输入连接到各个列控制端。本发明采用阵列的方式控制继电器动作，与传统控制方式相比，控制简单，大大减少了驱动器、控制器IO口资源的使用，且***抗干扰能力强、稳定性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种继电器的控制装置，特别涉及一种适用于扫描开关内部继电器的阵列式控制装置。
背景技术
扫描开关在计量测试行业应用广泛，尤其适用于多线制电阻的测量。其主要原理是通过控制信号控制继电器的通断，以达到切换测试通道的目的。继电器的闭合、断开需要控制器给出控制信号并通过驱动器驱动。但是在多路扫描开关中由于需要控制的继电器数量较多，以双通道16路四线扫描开关为例，一共需要控制128个磁保持式继电器。如图1所示，目前扫描开关通用的磁保持式继电器控制方式是：将同一路的2个继电器归并成一组，同一组继电器中所有闭合控制线圈的高端串联连接后连接至同一闭合控制信号输入口；同一组继电器中所有断开控制线圈的高端串联连接后连接至同一断开控制信号输入口；同一组继电器中所有线圈低端均串联后连接至电源正极。由于1个继电器组需要2个控制信号输入口来实现继电器的闭合、断开，那么128个继电器则需要128个驱动器。同时控制器需要提供128个IO口，一部分扫描开关通过大量使用串入并出移位寄存器来减少控制器IO口的使用，但成本增加，布线复杂。
另外传统的继电器驱动电路与控制器使用同一电源，所以即使继电器在不工作的时候仍然会消耗一定的电流，在增加整个电路的功耗的同时使继电器线圈发热，给测试***引入不可控的干扰，会在精密测试场合中引入较大误差。
所以以图1所示的现有方式来控制继电器会造成***功耗偏高，易受扰动，连线复杂，控制器IO口大量使用，器件成本高等缺点。
发明内容
为解决上述******功耗偏高，易受扰动，连线复杂，控制器IO口大量使用，器件成本高等缺点，本发明提出了一种适用于扫描开关内部继电器的阵列式控制装置，即采用阵列的方式将继电器线圈端口连接在一起，以行列交叉控制的方式控制继电器的闭合、断开。
本发明解决上述问题所采取的技术方案为：
本发明包括由继电器排布而成的继电器阵列；位于同一行继电器中的所有线圈高端连接在一起后作为行控制端，位于同一列继电器中的所有线圈低端连接在一起后作为列控制端；控制器的并行行控制信号经第一驱动器输入连接到各个行控制端，控制器的并行列控制信号经第二驱动器输入连接到各个列控制端。
所述的继电器为普通电磁继电器，具有一个闭合控制线圈：同一行继电器中所有线圈高端串联连接后作为一行控制端；同一列继电器中的所有线圈低端均串联连接后作为一列控制端。
所述的继电器为磁保持式继电器，具有一个闭合控制线圈和一个断开控制线圈：同一行继电器中所有闭合控制线圈的线圈高端串联连接后作为一行控制端，同一行继电器中所有断开控制线圈的线圈高端串联连接后作为另一行控制端；同一列继电器中所有线圈低端均串联连接后作为一列控制端。
所述的继电器的各个线圈高端与行控制端之间均串联有二极管或者所述的继电器的各个线圈低端与列控制端之间均串联有二极管。
所述的控制器与第一驱动器之间，控制器与第二驱动器之间串接有隔离光耦。
所述的第一驱动器或者第二驱动器为单个驱动器的集合或者是集成式驱动器。
所述的控制器与第一驱动器采用不同电源进行供电，第一驱动器和第二驱动器采用相同电源进行供电。
所述的第一驱动器是PNP型的达林顿管、PNP型的三极管或P型场效应管；所述的第二驱动器是NPN型的达林顿管、NPN型的三极管或N型场效应管。
所述的继电器是常开型、常闭型或者转换型。
本发明其有益效果为：
采用本发明，驱动多个数量的继电器只需要数量较少的驱动器，以及数量较少的IO口，大大减少器件成本与布线难度。
本发明在继电器不工作时，可将继电器驱动电路的电源关闭，减少功耗与干扰。
本发明通过光耦实现MCU与继电器驱动电路间的电气隔离，减少了***干扰，提高了***稳定性。
附图说明
图1为传统扫描开关中继电器控制电路结构示意图。
图2为本发明普通电磁继电器的线圈高、低端示意图。
图3为本发明磁保持式继电器的线圈高、低端示意图。
图4为本发明电路的连接结构示意图。
图5为本发明实施例继电器单元阵列结构示意图。
图6为本发明实施例驱动器连接结构示意图。
图中：1、控制器，2、隔离光耦，3、第一驱动器，4、行控制端，5、继电器阵列，6、二极管，7、列控制端，8、第二驱动器，9、继电器驱动电路电源，10、控制器电源，11、线圈高端，12、线圈低端，13、闭合控制线圈，14、断开控制线圈。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图4所示，本发明包括由继电器排布而成的继电器阵列5；位于同一行继电器中的所有线圈高端11连接在一起后作为行控制端4，位于同一列继电器中的所有线圈低端12连接在一起后作为列控制端7；控制器1产生的并行行控制信号经第一驱动器3输入连接到各个行控制端4，控制器1产生的并行列控制信号经第二驱动器8输入连接到各个列控制端7。
上述继电器阵列5中的继电器也可以是多个继电器并联组成的继电器单元，线圈高端11和线圈低端12是该多个逻辑动作相同的继电器的线圈端口并联得到的总端口，继电器单元中的各个继电器的线圈高端11或者线圈低端12串联有二极管6。
如图2所示，继电器为普通电磁继电器，具有一个线圈，阵列而成M行×N列的继电器阵列5：同一行继电器中所有线圈高端11串联连接后作为一行控制端4，M行×N列的继电器阵列5中的行控制端4共计有M个，通过M路第一驱动器3与控制器1连接；同一列继电器中的所有线圈低端12均串联连接后作为一列控制端7，列控制端7共计有N个，通过N路第二驱动器8与控制器1连接。
如图3所示，继电器为磁保持式继电器，具有一个闭合控制线圈13和一个断开控制线圈14，阵列而成M行×N列的继电器阵列5：同一行继电器中所有闭合控制线圈13的线圈高端11串联连接后作为一行控制端4，同一行继电器中所有断开控制线圈14的线圈高端11串联连接后作为另一行控制端4，行控制端4共计有2M个，通过2M路第一驱动器3与控制器1连接；同一列继电器中闭合控制线圈13和断开控制线圈14的所有线圈低端12均串联连接后作为一列控制端7，列控制端7共计有N个，通过N路第二驱动器8与控制器1连接。
继电器的各个线圈高端11与行控制端4之间均串联有二极管6。或者如图4所示，继电器的各个线圈低端12与列控制端7之间均串联有二极管6。
控制器1与第一驱动器3之间，控制器1与第二驱动器8之间串接有隔离光耦2，减少电气干扰，如图4所示。
第一驱动器3或者第二驱动器8为单个驱动器的集合或者是集成式驱动器。
控制器1与第一驱动器3采用不同电源进行供电，第一驱动器3和第二驱动器8采用相同电源进行供电。控制器电源10为控制器1供电，继电器驱动电路电源9为第一驱动器3和第二驱动器8供电，控制器电源10与继电器驱动电路电源9相互独立，继电器不动作时可单独关闭驱动电路电源9。
第一驱动器3是PNP型的达林顿管、PNP型的三极管或P型场效应管；第二驱动器8是NPN型的达林顿管、NPN型的三极管或N型场效应管。
继电器是常开型、常闭型或者转换型。
本发明根据继电器线圈端口高、低端，将继电器线圈高端分为M组，每一组的高端连接在一起构成M个行控制端；将继电器线圈端口的低端分为N组，每一组的低端连接在一起构成N个列控制端。分组后的控制端构成M行×N列的阵列，控制器产生的M路并行行控制信号通过M路驱动器与被控继电器的M个行控制端一一对应相连，控制器产生的N路并行列控制信号通过N路驱动器与被控继电器的N个列控制端一一对应相连。
本发明的工作原理如下：
以图4中同时连接第1行控制端、第2行控制端、第1列控制端的继电器的控制为例：当控制器的行控制信号输出端口1与列控制信号输出端口1同时输出逻辑电平“0”，而其他2M-1路行控制信号输出口与N-1路列控制信号输出口同时输出逻辑电平“1”时，由于光耦对于逻辑信号的反向作用，且2M路驱动器与N路驱动器输入输出特性不同，导致被控M行×N列继电器阵列的第一行控制端输入逻辑电平“1”，其他2M-1路行控制端处于悬空状态，列控制端1输入逻辑电平“0”，其他N-1路列控制端处于悬空状态。短暂延时之后，控制器的所有控制信号输出端口均输出逻辑电平“1”，此时所有行控制端口与列控制端口均处于悬空状态，这样闭合控制线圈内产生一个正向脉冲，最终继电器闭合。同理，当控制器的行控制信号输出端口2与列控制信号输出端口1同时输出逻辑电平“0”，而其他2M-1路行控制信号输出口与N-1路列控制信号输出口同时输出逻辑电平“1”，短暂延时之后，控制器的所有控制信号输出端口均输出逻辑电平“1”，则断开控制线圈内产生一个正向脉冲，最终继电器断开。在该继电器动作时阵列中的其他继电器均不动作。
此外，控制器与驱动器之间有隔离光耦存在，使两者间信号互不干扰。控制器电源与继电器驱动电路电源相互独立，在继电器不动作时可关闭驱动电路电源，以减少能耗与干扰，提高***稳定性。
本发明的实施例及其具体实施工作过程：
以双通道16路四线扫描开关为例，该扫描开关包含控制器、隔离光耦、第一驱动器、第二驱动器、继电器阵列与电源管理模块。其中控制器选用STC公司生产的IAP15F2K61S2型单片机；继电器选用日本松下公司生产的TX2-L2-5V双线圈磁保持式继电器；第一驱动器选用Allegro Micro system公司生产的UDN2982LW-- PNP型集成式八达林顿晶体管阵列；第二驱动器选用安森美半导体公司生产的ULN2803LW--NPN型集成式八达林顿晶体管阵列；隔离光耦选用日本东芝公司生产的TLP521-4型四路独立光耦。控制器电源管理芯片选用TI公司生产的TPS7A4901线性稳压器，驱动电路电源管理芯片选用广州金升阳公司生产的WRB0509S-3WR2型DC-DC电源模块；扫描开关采用6V直流电压适配器供电。
扫描开关拥有两个输出通道分别为通道A与通道B，16个输入通道分别为通道1~通道16，每一个通道包含4条线程。以切换至A1通道为例，通过控制继电器通断，使得通道A与通道1的四条线程相互导通，而其他A路通道不导通。由于通道切换共有A1~A16，B1~B16共计32个选择，所以需要128个磁保持式继电器。其中，属于同一通道的四个继电器控制逻辑相同，所以将四个继电器并列组成一个继电器单元。其中所有继电器的闭合控制线圈高端串联后形成一个总的闭合控制线圈高端；所有继电器的断开控制线圈高端串联后形成一个总的断开控制线圈高端；所有继电器的线圈低端分别串接一个二极管后再串联形成一个总的线圈低端。以一个继电器单元为最小单位，按图5的方式排列成一个4行×8列的继电器单元阵列。该4行×8列的继电器单元阵列拥有8个行控制端口，8个列控制端口。
继电器具体控制方式如下：以切换至A1通道为例，A1通道对应的继电器单元分别连接至第1行控制端，第2行控制端，第1列控制端。当要闭合A1通道时，控制器输出8路并行行控制信号01111111、8路并行列控制信号01111111。由于光耦对于逻辑电平的反向作用，使得第一驱动器的输入信号为10000000，第二驱动器的输入信号为10000000。第一驱动器与第二驱动器的接线方式如图6所示。对于第一驱动器，当输入逻辑电平“1”时，其输出逻辑电平“1”；当输入逻辑电平“0”时，其无输出；对于第二驱动器，当输入逻辑电平“1”时，其输出逻辑电平“0”；当输入逻辑电平“0”时，其无输出。正是由于第一驱动器与第二驱动器不同的输入输出特性，使得第1行控制端上的信号为逻辑电平“1”，而其他行控制端均为悬空状态；第1列控制端上的信号为逻辑电平“0”，而其他列控制端均为悬空状态。此时A1通道对应的继电器单元的闭合控制线圈上有电流流过，该继电器单元的所有继电器闭合。由于选用的磁保持式继电器闭合只需要脉冲电流，所以在继电器闭合之后，控制器的所有控制信号输出口均输出逻辑电平“1”，这样，所有行控制端口与列控制端口均为悬空状态，此时该继电器单元的闭合控制线圈内没有电流产生。
当要断开A1通道时，控制器输出8路并行行控制信号10111111、8路并行列控制信号01111111。经过光耦与第二驱动器之后，第2行控制端上的信号为逻辑电平“1”，而其他行控制端均为悬空状态；第1列控制端上的信号为逻辑电平“0”，而其他列控制端均为悬空状态。此时A1通道对应的继电器单元的断开控制线圈上有电流流过，该继电器单元的所有继电器断开。同样，为了减小线圈发热量，在继电器断开之后，控制器的所有控制信号输出口均输出逻辑电平“1”，这样，所有行控制端口与列控制端口均为悬空状态，此时该继电器单元的闭合控制线圈内没有电流产生。
在通道A1对应的继电器单元动作时，其他继电器单元均不动作。若需要从通道A1切换至其他通道如A2通道时，将首先断开A1通道的继电器单元，再闭合A2通道对应的继电器单元。当所有需要动作的继电器单元执行完毕后，关闭驱动电路电源，以减少能耗与干扰。实际测试得，双通道16路四线扫描开关的最大瞬时电流为0.5A，最大瞬时功率为3.5W，通道切换完毕后，仪器进入待机模式，待机功耗为0.4W。
由此，本发明实现了双通道16路四线扫描开关内部128个继电器的控制只需要2片集成式达林顿晶体管阵列以及16个IO口，大大减少器件成本与布线难度，并可将继电器驱动电路的电源关闭，减少功耗与干扰，具有突出显著的技术效果。
上述具体实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1. 一种适用于扫描开关内部继电器的阵列式控制装置，其特征在于：包括由继电器排布而成的继电器阵列（5）；位于同一行继电器中的所有线圈高端（11）连接在一起后作为行控制端（4），位于同一列继电器中的所有线圈低端（12）连接在一起后作为列控制端（7）；控制器（1）的并行行控制信号经第一驱动器（3）输入连接到各个行控制端（4），控制器（1）的并行列控制信号经第二驱动器（8）输入连接到各个列控制端（7）。
2. 根据权利要求1所述的一种适用于扫描开关内部继电器的阵列式控制装置，其特征在于：所述的继电器为普通电磁继电器，具有一个闭合控制线圈（13）：同一行继电器中所有线圈高端（11）串联连接后作为一行控制端（4）；同一列继电器中的所有线圈低端（12）均串联连接后作为一列控制端（7）。
3. 根据权利要求1所述的一种适用于扫描开关内部继电器的阵列式控制装置，其特征在于：所述的继电器为磁保持式继电器，具有一个闭合控制线圈（13）和一个断开控制线圈（14）：同一行继电器中所有闭合控制线圈（13）的线圈高端（11）串联连接后作为一行控制端（4），同一行继电器中所有断开控制线圈（14）的线圈高端（11）串联连接后作为另一行控制端（4）；同一列继电器中所有线圈低端（12）均串联连接后作为一列控制端（7）。
4. 根据权利要求1～3任一所述的一种适用于扫描开关内部继电器的阵列式控制装置，其特征在于：所述的继电器的各个线圈高端（11）与行控制端（4）之间均串联有二极管（6）或者所述的继电器的各个线圈低端（12）与列控制端（7）之间均串联有二极管（6）。
5. 根据权利要求1所述的一种适用于扫描开关内部继电器的阵列式控制装置，其特征在于：所述的控制器（1）与第一驱动器（3）之间，控制器（1）与第二驱动器（8）之间串接有隔离光耦（2）。
6. 根据权利要求1所述的一种适用于扫描开关内部继电器的阵列式控制装置，其特征在于：所述的第一驱动器（3）或者第二驱动器（8）为单个驱动器的集合或者是集成式驱动器。
7. 根据权利要求1、5或6任一所述的一种适用于扫描开关内部继电器的阵列式控制装置，其特征在于：所述的控制器（1）与第一驱动器（3）采用不同电源进行供电，第一驱动器（3）和第二驱动器（8）采用相同电源进行供电。
8. 根据权利要求1、5或6任一所述的一种适用于扫描开关内部继电器的阵列式控制装置，其特征在于：所述的第一驱动器（3）是PNP型的达林顿管、PNP型的三极管或P型场效应管；所述的第二驱动器（8）是NPN型的达林顿管、NPN型的三极管或N型场效应管。
9. 根据权利要求1～3任一所述的一种适用于扫描开关内部继电器的阵列式控制装置，其特征在于：所述的继电器是常开型、常闭型或者转换型。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
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