CN202111685U

CN202111685U - 可扩展的开关矩阵板

Info

Publication number: CN202111685U
Application number: CN 201120170420
Authority: CN
Inventors: 王晔; 陈栋
Original assignee: Bosch Automotive Products Suzhou Co Ltd
Current assignee: Bosch Automotive Products Suzhou Co Ltd
Priority date: 2011-05-23
Filing date: 2011-05-23
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2021-05-23

Abstract

本实用新型涉及一种可扩展的开关矩阵板，与控制平台连接，该开关矩阵板包括：继电器矩阵，包括若干个继电器，以矩阵形式组成，并适于连接其它一个或多个可扩展的开关矩阵板；逻辑电平端口，连接控制平台；扩展控制端口，连接其它一个或多个可扩展的开关矩阵板的逻辑电平端口；以及控制电路，分别连接继电器矩阵、逻辑电平端口和扩展控制端口，用于接收来自控制平台的继电器控制信号，并向继电器提供控制信号，以控制继电器的开合。本实用新型易于扩展并构建任意形式的二维继电器矩阵，通用性好，而且可以降低硬件成本的浪费。

Description

可扩展的开关矩阵板

技术领域

本实用新型涉及一种可扩展的开关矩阵板。

背景技术

开关矩阵卡和开关矩阵板广泛应用于工业自动化设备或测试设备，其主要功能，是通过继电器的开合，实现不同信号的切换传输，以节约硬件成本。例如，美国国家仪器公司的产品NI-PXle-2529就是一种典型的开关矩阵卡。这种板卡包含有128个继电器开关，并可通过软件设置，配置成为4×32或8×16的二维开关矩阵。但是这种开关矩阵卡只能应用于拥有PXle插槽的接口，并且矩阵配置固定为两种类型。

现有技术的矩阵开关板卡在应用时，通常需要特定的PC(个人电脑)或IPC(工业电脑)的高级接口以及相对应的特殊驱动程序。而对于PLC(可编程逻辑控制器)等低端逻辑控制设备而言，通常并不具有PCI(外部设备组件互连标准)、PXI(面向仪器***的外部设备组件互连标准扩展)或PXIe(高速面向仪器***的外部设备组件互连标准扩展)等高级接口，因此，此类板卡在不同的工业控制平台之间的通用性受到了限制。

此外，制造商为了尽可能满足不同用户的需要，在设计继电器矩阵板卡时，所使用的继电器模块数量往往会大大高于正常的需求，并将矩阵的规模配置进行预设限制，如NI-PXle-2529板卡被限制为只能在4×32和8×16两种规模的矩阵之间进行选择切换。这就使得在使用时造成了硬件成本的极大浪费。例如，参见图1，在构造图中所示的“L”型矩阵时，实现功能所需要的继电器数量为48个，但对于大规模固化结构的板卡，如NI-PXle-2529，则需要将一块板卡配置为如图2所示的8×16的矩阵，而图2右边的虚线框内的无效继电器模块在实际使用中只能被废弃不用而造成浪费，最终共耗费128个继电器以及一些无用的信号输入/输出点才能实现设计要求的图1所示的L型继电器矩阵，即由图2左边所示的虚线框外的48个继电器所构成。

实用新型内容

本实用新型旨在克服现有技术的上述缺陷，提供一种可扩展的开关矩阵板，与控制平台连接，所述可扩展的开关矩阵板包括：

继电器矩阵，包括：若干个继电器，以矩阵形式组成，并适于连接其它一个或多个可扩展的开关矩阵板；

逻辑电平端口，连接所述控制平台；

扩展控制端口，连接所述其它一个或多个可扩展的开关矩阵板的逻辑电平端口；以及

控制电路，分别连接所述继电器矩阵、逻辑电平端口和扩展控制端口，用于接收来自所述控制平台的继电器控制信号，并向所述继电器提供所述控制信号，以控制所述继电器的开合。

根据本实用新型的实施例，所述逻辑电平端口包括至少两个逻辑电平端口，分别适于连接所述控制电路和至少两个具有不同输出逻辑电平的控制平台。

根据本实用新型的实施例，所述至少两个逻辑电平端口具有不同的输入逻辑电平；所述至少两个逻辑电平端口中的至少一个包括与所述控制电路相连的电平转换电路，用于将所述其输入逻辑电平转换成与所述控制电路的逻辑电平相一致。

根据本实用新型的实施例，所述继电器矩阵是4×4矩阵，包括16个继电器模块。

根据本实用新型的实施例，所述控制电路包括一个或多个晶体管-晶体管级(TTL)逻辑芯片。

根据本实用新型的实施例，所述不同的输入逻辑电平至少包括5V级逻辑电平和24V级逻辑电平。

根据本实用新型的实施例，所述逻辑电平端口和扩展控制端口中的每一个包括三个硬件引脚：锁定信号引脚、串行数据信号引脚和串行时钟信号引脚，分别用于传输锁定信号、串行数据信号和串行时钟信号。

根据本实用新型的实施例，所述锁定信号引脚的信号进入可扩展的开关矩阵板后，通过“与”门芯片与串行时钟信号引脚的信号进行逻辑“与”运算并作为读取串行数据信号引脚的信号的触发信号

根据本实用新型的实施例，所述继电器矩阵还包括：横轴输入/输出点，适于连接所述其它一个或多个可扩展的开关矩阵板的横轴输入/输出点；以及纵轴输入/输出点，适于连接所述其它一个或多个可扩展的开关矩阵板的纵轴输入/输出点。

根据本实用新型的实施例，所述控制电路包括：串行数据接收部分，适于通过所述逻辑电平端口以串行方式接收来自控制平台的继电器控制数据信息，并将其转换为并行输出的数字信号；继电器驱动电路，适于将所转换的数字信号转换为所述继电器的开合驱动信号。

本实用新型易于扩展并构建任意形式的二维继电器矩阵，通用性好，而且可以降低硬件成本的浪费。

附图说明

图1是一种L型继电器矩阵的构型示意图；

图2是现有技术中为实现图1的L型继电器矩阵而配置的继电器矩阵示意图；

图3是根据本实用新型的实施例的可扩展的开关矩阵板的结构框图；

图4是根据本实用新型的实施例的可扩展的开关矩阵板的控制电路结构框图，其中控制电路与扩展控制端口以及逻辑电平端口连接；

图5是图4所示的控制电路的串行数据接收部分的电路图；

图6是图4所示的控制电路的继电器驱动电路部分的示意图；

图7是本实用新型的实施例的可扩展的开关矩阵板的一路24V逻辑电平转换为5V逻辑电平的逻辑电平转换电路示意图。

具体实施方式

根据本实用新型的一个实施例，可扩展的开关矩阵板的电路结构如图3所示。其中采用4×4的继电器矩阵(见图3上部的矩阵，包括16个继电器模块)及其控制电路(其结构如图4所示)构成基本的矩阵单元板卡，也可以根据需要将继电器矩阵配置为其它尺寸作为单元矩阵。这样的设计规模可以在使用中易于扩展并构建任意形式的二维继电器矩阵，以及尽可能地减少无效的继电器的数量，降低硬件成本的浪费。

在继电器矩阵的***设有X轴(即横轴)信号输入端口、X轴信号输出端口、Y轴(即竖轴)信号输入端口和Y轴信号输出端口，分别可用于连接扩展继电器矩阵的X轴信号输入/输出端口和Y轴信号输入/输出端口。每个信号输入/输出端口包括4个信号输入/输出点。

控制电路向继电器矩阵提供继电器开合控制信号，以控制其中的各继电器的开合。控制电路还分别连接扩展控制端口、作为第一逻辑电平端口的5V逻辑电平端口和作为第二逻辑电平端口的24V逻辑电平端口。根据本实用新型的实施例，这两种逻辑电平端口使得开关矩阵板可以连接多种类型的工业控制平台(未图示)。第一逻辑电平端口和第二逻辑电平端口通常并不同时工作，工作时只有其中之一连接相对应的一种控制平台。

根据本实用新型的实施例，图3和图4所示的24V逻辑电平端口、5V逻辑电平端口和扩展控制端口中的每一个包括三个硬件引脚：锁定信号引脚、串行数据信号引脚和串行时钟信号引脚，从而提供一种以三位数字逻辑信号构成的通用串行通讯控制接口，即锁定信号(EN)、串行数据信号(DATA)和串行时钟信号(CLK)。此外，通过相应的硬件设计，该实施例的可扩展的开关矩阵板上的两个逻辑端口分别可适用于“24V电平逻辑”(即24V定义为逻辑1，0V定义为逻辑0。常见于各种可编程逻辑控制器的逻辑输入输出端口)以及“5V电平逻辑”(即5V定义为逻辑1，0V定义为逻辑0。常见于各种类型的PC/IPC的数字板卡)。现有的可编程逻辑控制器(PLC)多采用24V逻辑电平，也有一部分是采用5V逻辑电平。

在本实施例中，图3的结构中的所有控制信号端口(即“24V逻辑电平端口”、“5V逻辑电平端口”以及“扩展控制端口”)的硬件引脚定义是完全相同的，包括锁定信号引脚、串行数据信号引脚和串行时钟信号引脚，其引脚分布如表1所示：

表1

控制电路包括一个或多个晶体管-晶体管级(TTL)逻辑芯片。在本实施例中，作为开关矩阵单元板卡的可扩展的开关矩阵板的控制电路可使用成熟稳定且价格低廉的74系列基本逻辑门电路芯片构成。例如，请参照图5，控制电路的核心为2片74F164芯片(8位串行输入并行输出移位寄存器)组成的串行数据接收部分，用于接收来自于控制平台中的控制器(如PC，IPC，PLC中的数字逻辑板卡，未图示)的继电器开合数据信息，并将之转化为16位数字信号后并行输出(即图5中虚线框部分)。

表1中的锁定信号(EN)进入可扩展的开关矩阵板后，通过“与”门芯片与串行时钟信号(CLK)进行逻辑“与”运算并作为读取串行数据信号(DATA)的触发信号(如图5所示)，这样在锁定信号(EN)为逻辑0时，屏蔽串行时钟信号(CLK)，进而锁定74F164芯片的输入的串行数据信号(DATA)；只有在锁定信号(EN)为逻辑1时，74F164芯片才能接收到串行数据信号。同时，锁定信号(EN)在通过图6所示的“与”门之前，先要通过一个“非”门芯片(图6中未示出)进行逻辑“非”运算后，将作为图6中的“继电器锁定信号”使用(容后详述)。

结合参照图4和图7，由于可扩展的开关矩阵板的控制电路所使用的门电路芯片均为5V逻辑电平(5V为逻辑1，0V为逻辑0)的74系列芯片组成，因此，为与图3中的24V逻辑电平端口的24V逻辑电平(24V为逻辑1，0V为逻辑0)的输入相匹配，24V逻辑电平端口与逻辑电平转换电路(24V至5V)相接。端口包含三路信号，每一路信号的24V至5V逻辑电平转换电路如图7所示，该24V逻辑电平端口的硬件上使用电阻1(190欧姆)和电阻2(50欧姆)构成的分压电路作为电平转换电路，将24V逻辑电平信号的电压降低到5V逻辑电平加以使用，即输出5V逻辑电平。

结合参照图4和图6，图6是控制电路的继电器驱动电路部分的示意图。该16位数字信号的每一位在与“继电器锁定信号”进行逻辑“与”运算后，将作为该实施例的可扩展的开关矩阵板上的继电器矩阵中相对应的继电器的控制信号，通过一个非门，用于控制继电器的开合。由于继电器驱动电路采用了非门加上拉电阻的硬件设计，所以当“继电器锁定信号”为1时，16位数字信号中每一位数字信号的逻辑“0”和“1”的变化控制了相应继电器的“断开”与“闭合”；而当“继电器锁定信号”为0时，16位数字信号的每一位无论为逻辑0还是为逻辑1，继电器都将处于断开状态。

例如，在“继电器锁定信号”为1时，若16位的继电器矩阵开合数字信号为“0000000000000001”，由于最低一位的数字信号为“1”，那么与这一位相对应的继电器将闭合，而其他位的数字信号由于均为“0”，所对应的其余15个继电器将会处于断开状态。

在实际应用本实用新型的可扩展的开关矩阵板作为单块矩阵单元板卡构建一个4×4的继电器矩阵时，用户可以根据控制平台中的控制器(如PC、IPC或PLC中的数字逻辑板卡)的数字板卡的逻辑电平的不同，将数字板卡的任意三位逻辑信号接入第一块可扩展的开关矩阵板的“24V逻辑电平端口”或“5V逻辑电平端口”，并将这三位逻辑信号分别定义为表1中的“EN”、“DATA”和“CLK”。在配置继电器矩阵的开合时，先将EN信号设置为逻辑“1”，此时该开关矩阵板上的所有的继电器将处于断开状态，而74F164芯片则处于工作状态，控制平台中的控制器将16位继电器矩阵开合配置数据由低位到高位，依次通过DATA信号线发出，并对应的在CLK信号上产生上升沿，从而实现串行数据的传输。在完成所有16位配置数据的传输后，将EN信号设置为0，此时继电器矩阵中的16个继电器将根据16位配置数据实现断开和闭合，同时串行数据的输入将被屏蔽。

在实施例中，可扩展的开关矩阵板中的“扩展控制端口”所采用的也为5V逻辑电平，它的引脚分布同样符合表1的定义。当用户需要构造大于4×4的继电器矩阵，假设为4N×4N的矩阵(N为大于1的正整数)，用户需要首先准备N块可扩展的开关矩阵板，之后按照使用单块可扩展的开关矩阵板的要求，将控制平台中的控制器与第1块可扩展的开关矩阵板相连接，并将第1块可扩展的开关矩阵板的“扩展控制端口”与第2块可扩展的开关矩阵板的“5V逻辑电平端口”连接，之后依次重复这样的连接，即，前一块可扩展的开关矩阵板的“扩展控制端口”与后一块可扩展的开关矩阵板的“5V逻辑电平端口”相连接，直到将第N-1块可扩展的开关矩阵板的“扩展控制端口”与第N块可扩展的开关矩阵板的“5V逻辑电平端口”相连接，构成所需要的继电器矩阵，这样就完成了控制电路的扩展。再将继电器矩阵的信号传输线按照需求通过输入/输出点连接，即可实现开关矩阵板卡的扩展。在使用过程中，对于控制平台中的控制器来说，其控制信号发送顺序与之前所述单块可扩展的开关矩阵板的顺序完全相同，即，先设置EN信号为“1”，通过DATA发送对应所有继电器开合的串行数据，完成发送后再将EN信号置为“0”。唯一的不同在于，单块可扩展的开关矩阵板所控制的是16个继电器，而N可扩展的开关矩阵板所要控制是16N个继电器，因此，在DATA上发送的串行数据的量也要比单块可扩展的开关矩阵板的数据量大N倍。但是，由于各个可扩展的开关矩阵板的控制是相对独立的，因此，在准备串行数据时，用户应以可扩展的开关矩阵板为单位进行准备，即为N块可扩展的开关矩阵板准备N份串行数据。在发送时，按照递减顺序，从第N块可扩展的开关矩阵板的串行数据开始发送，之后紧接着发送第N-1块可扩展的开关矩阵板的数据，以此类推，直到第1块可扩展的开关矩阵板为止，这样就完成了扩展状态下通过DATA发送对应所有继电器开合的串行数据的过程。

根据本实用新型的实施例，例如，为了实现图1中所示的L型矩阵，将第1块可扩展的开关矩阵板的一组4个纵轴信号输入/输出点与第2块可扩展的开关矩阵板的一组4个纵轴信号输入/输出点相接，再将第2块可扩展的开关矩阵板的一组4个横轴信号输入/输出点与第3块可扩展的开关矩阵板的一组4个横轴信号输入/输出点相连，即完成了整个继电器矩阵的连接，构成“L”型继电器矩阵。控制端口上，依次将第1、第2和第3块可扩展的开关矩阵板的“扩展控制端口”与下一块的“5V逻辑电平端口”相互串联，即完成了控制信号的扩展。使用时，工业可编程控制器仍按照单块板卡的使用相同的方式，先将EN信号设为0，再按照“第3块、第2块、第1块”的顺序依次发出48位(16位×3)继电器矩阵开合控制信号，即可实现整个扩展的继电器矩阵的控制。

根据本实用新型的实施例，提供一种利用矩阵开关板上的扩展控制端口来扩展继电器矩阵的扩展方案，即，将第一级单元板卡(例如前述第1块可扩展的开关矩阵板)的“5V逻辑电平端口”与控制平台中的控制器相连接，而之后的各级单元板卡的“5V扩展控制端口”与下一级单元板卡的“5V逻辑电平端口”相互串行连接，同时通过继电器矩阵上的信号输入/输出端口连接各级单元板卡上的继电器矩阵，从而实现了扩展。这种设计使得用户可以将作为基本的矩阵单元板卡的可扩展的开关矩阵板扩展为任意尺寸的二维继电器开关矩阵，而不必对控制设备做任何硬件上修改或增加。因此，这也使得本实用新型更具有通用性和经济性。在本实施例中，第一级单元板卡的“5V逻辑电平端口”与控制平台中的控制器相连接，之后的各级单元板卡的“5V扩展控制端口”与下一级单元板卡的“5V逻辑电平端口”相互串行连接，显然，在另一实施例中，可将第一级单元板卡的“24V逻辑电平端口”与控制平台中的控制器相连接，之后的各级单元板卡的“24V扩展控制端口”与下一级单元板卡的“24V逻辑电平端口”相互串行连接。

此外，在实际应用中，程序员只需构建一个字节数组并依次发送该数组。控制电路中的74F164寄存器所要求的最低脉冲宽度是20ns，而大多数工业可编程控制器的周期时间是毫秒级(ms)，其时间长度远高于芯片的最低要求。在此情况下，程序员不必花更多的时间进行延时代码的编写，从而简化了可编程控制器的软件编程和设备调试的过程。

Claims

1.一种可扩展的开关矩阵板，与控制平台连接，其特征在于包括：

逻辑电平端口，连接所述控制平台；

2.根据权利要求1所述的可扩展的开关矩阵板，其特征在于，

所述逻辑电平端口包括至少两个逻辑电平端口，分别适于连接所述控制电路和至少两个具有不同输出逻辑电平的控制平台。

3.根据权利要求2所述的可扩展的开关矩阵板，其特征在于，所述至少两个逻辑电平端口具有不同的输入逻辑电平；所述至少两个逻辑电平端口中的至少一个包括与所述控制电路相连的电平转换电路，用于将所述其输入逻辑电平转换成与所述控制电路的逻辑电平相一致。

4.根据权利要求1所述的可扩展的开关矩阵板，其特征在于，所述继电器矩阵是4×4矩阵，包括16个继电器模块。

5.根据权利要求1所述的可扩展的开关矩阵板，其特征在于，所述控制电路包括一个或多个晶体管-晶体管级(TTL)逻辑芯片。

6.根据权利要求3所述的可扩展的开关矩阵板，其特征在于，所述不同的输入逻辑电平至少包括5V级逻辑电平和24V级逻辑电平。

7.根据权利要求1所述的可扩展的开关矩阵板，其特征在于，所述逻辑电平端口和扩展控制端口中的每一个包括三个硬件引脚：锁定信号引脚、串行数据信号引脚和串行时钟信号引脚。

8.根据权利要求7所述的可扩展的开关矩阵板，其特征在于，所述锁定信号引脚的信号进入可扩展的开关矩阵板后，通过“与”门芯片与串行时钟信号引脚的信号进行逻辑“与”运算并作为读取串行数据信号引脚的信号的触发信号。

9.根据权利要求1所述的可扩展的开关矩阵板，其特征在于，

所述继电器矩阵还包括：

横轴信号输入/输出点，适于连接所述其它一个或多个可扩展的开关矩阵板的横轴信号输入/输出点；以及纵轴信号输入/输出点，适于连接所述其它一个或多个可扩展的开关矩阵板的纵轴信号输入/输出点。

10.根据权利要求1或5所述的可扩展的开关矩阵板，其特征在于，所述控制电路包括：

串行数据接收部分，适于通过所述逻辑电平端口以串行方式接收来自控制平台的继电器控制数据信息，并将其转换为并行输出的数字信号；

继电器驱动电路，适于将所转换的数字信号转换为所述继电器的开合驱动信号。