CN104181836A - 信号切换装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信息传输领域，尤其是信号切换装置。该信号切换装置，包括：输入调理单元、输出调理单元和FPGA单元；输入调理单元，用于将接收到的输入信号进行输入调理，以生成待选择信号，使待选择信号的电压处于预设的FPGA单元工作电压阈值范围内；FPGA单元，用于选择指定的待选择信号作为待输出信号；输出调理单元，用于将待输出信号进行信号调理，以生成输出信号，输出信号的电气特性与输入信号的电气特性相同。本发明提供的信号切换装置，在完成对输入信号的选择性输出功能的同时，由于FPGA结构特性，不会发生对被选择信号造成干扰的情况，动作时间比继电器要快，同时也不会发生由于继电器老化而造成的装置失灵问题。

Description

信号切换装置

技术领域

本发明涉及信息传输领域，具体而言，涉及信号切换装置。 

背景技术

在测量和自动化技术领域，常需要使用信号切换装置对RS422、RS232和ARINC429等类型的信号进行切换控制，从而实现从多路信号中有目的选择其中一路或多路信号。这些切换装置可归纳为如附图所示的三种开关，即图1a的“多选一开关”、图1b的“多路多选一开关”和图1c的“矩阵开关”。三种开关功能特性可以概括为：通过信号切换装置的控制，最终实现选择多路输入信号中的一路信号或多路信号输出。 

目前，为实现对输入信号进行选择输出的功能，通常的方法是使用继电器来构建信号切换装置。如型号为HWA-SW32SE-3U4TE的信号切换卡，提供16路“三选一”开关，使用了32个双刀装置继电器实现。然而，采用继电器作为信号切换装置的开关执行单元时，存在以下缺陷： 

开关执行单元的动作时间较长，受继电器特性的影响，继电器动作时间通常为10ms左右，也就导致整个信号切换装置的动作时间过长。 

由于采用继电器作为开关执行单元，受继电器特性的影响，继电器在切换时会发生触点抖动的现象，进而对被选择的信号造成干扰。 

继电器具有老化特性，随触点动作次数的增加，其使用时间、可靠性均降低，易带来切换装置自身故障、失灵，并降低包含该类切换装置之系统的稳定性。 

综上，在使用信号切换装置时，尤其针对RS422、RS232和ARINC429类型的信号进行切换时，使用继电器作为开关执行单元的传统信号切换装置会带来上述诸多问题。 

发明内容

本发明的目的在于提供信号切换装置，以解决上述的问题。 

在本发明的实施例中提供了信号切换装置，包括：输入调理单元、输出调理单元和FPGA单元； 

输入调理单元，用于将接收到的输入信号进行输入调理，以生成待选择信号，使待选择信号的电压处于预设的FPGA单元工作电压阈值范围内； 

FPGA单元，用于选择指定的待选择信号作为待输出信号； 

输出调理单元，用于将待输出信号进行信号调理，以生成输出信号，输出信号的电气特性与输入信号的电气特性相同。 

优选的，FPGA单元包括控制模块和切换矩阵，切换矩阵包括输入信号端口和输出信号端口； 

控制模块，用于根据获取的选择指令信号，按照预设的方法调整输入信号端口与输出信号端口的映射关系，以选择指定的待选择信号作为待输出信号。 

优选的，切换矩阵的类型包括：多选一开关、多路多选一开关和矩阵开关中的一种或多种。 

优选的，预设的方法包括： 

若接收到选择指令信号，则将选择指令信号储存至FPGA单元的缓存二区； 

根据储存在缓存二区中的选择指令信号调整输入信号端口与输出信号端口的映射关系。 

优选的，在将选择指令信号储存至FPGA单元的缓存二区前还包括： 

若接收到选择指令信号，则将选择指令信号储存至FPGA单元的缓存一区； 

若缓存一区中的选择指令信号与缓存二区中的选择指令信号不同，则将缓存一区中的选择指令信号储存到缓存二区中。 

优选的，还包括：中央控制单元，中央控制单元包括设置模块； 

设置模块，用于根据上位机发出的设置信号生成选择指令信号。 

优选的，中央控制单元还包括： 

查询模块，用于根据接收到的查询信号查询输入信号端口和输出信号端口的映射关系，并生成查询反馈信号。 

优选的，输入调理单元包括：第一调理模块； 

第一调理模块，用于将输入信号调节为3.3V CMOS的电信号。 

优选的，输入调理单元包括：第二调理模块，第二调理模块包括一级调理模块和二级调理模块； 

一级调理模块，用于将输入信号调节为5V CMOS的一次调节输入信号； 

二级调理模块，用于将一次调节输入信号调节为3.3V CMOS的待选择信号。 

优选的，第一调理模块包括MAX3232芯片； 

一级调理模块包括AM26C31芯片和HI-8586芯片； 

二级调理模块包括SN74LVC4245A芯片。 

本发明实施例提供的信号切换装置，与现有技术中的由于信号切换装置中采用大量继电器来实现对输入信号的选择输出功能，因而导致信号切换状指整体的动作时间较长，由于触点抖动而造成的对被选择信号的干扰，继电器老化而造成的信号切换装置失灵相比，其通过设置了输入调理单元、FPGA单元和输出调理单元，对输入信号进行选择之前，先通过输入调理单元将输入信号的电压调整为FPGA的工作电压范围内，再由FPGA单元选择指定的经过电压调节的输入信号作为待输出信号，最后再经过输出调理单元将待输出信号的电压调整至于输入信号的电压相同，使接收输入信号的装置能够直接接收。在完成对输入信号的选择性输出功能的同时，由于FPGA结构特性，不会发生对被选择信号造成干扰的情况，动作时间比继电器要快，同时也不会发生由于继电器老化而造成的装置失灵问题，解决了现有技术中的不足。 

附图说明

图1a示出了现有技术中的信号切换装置的第一种基本结构图； 

图1b示出了现有技术中的信号切换装置的第二种基本结构图； 

图1c示出了现有技术中的信号切换装置的第三种基本结构图； 

图2示出了本发明实施例的信号切换装置的基本单元图； 

图3示出了本发明实施例的FPGA单元的内部模块图。 

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。 

本发明实施例1提供了信号切换装置的基本结构和功能，如图2和图3所示，包括：输入调理单元201、输出调理单元203和FPGA单元202； 

输入调理单元201，用于将接收到的输入信号进行输入调理，以生成待选择信号，使待选择信号的电压处于预设的FPGA单元202工作电压阈值范围内； 

FPGA单元202，用于选择指定的待选择信号作为待输出信号； 

输出调理单元203，用于将待输出信号进行信号调理，以生成输出信号，输出信号的电气特性与输入信号的电气特性相同。 

输入信号在由信号产生装置产生后，先发送到输入调理单元201，输入调理单元201将接收到的输入信号进行调理，以使输入信号的电压符合FPGA的工作电压，否则，如果输入信号直接接入FPGA内部，则可能由于输入信号的电压过高而导致FPGA单元202受损，也可能导致输入信号的电压过低而造成FPGA单元202无法正常读取输入信号，也就无法将输入信号有效的做出选择。在输入调理单元201将输入信号的电压进行调理，以生成待选择信号后，发送给FPGA单元202。 

FPGA单元202内部有设置好的内部规则，可以根据预先设置的方法选择一个待选择信号中的一个或多个作为待输出信号，待输出信号也就是要发送给我外部的信号接收装置，但考虑到待输出信号的电压与输入信号的电压不同，而一般信号接收装置是专门用于接收信号产生装置所产生的信号的，二者的工作电压应是相同的，所以还需要将待输出信号经过调理后，再发送给信号接收装置，以使信号接收装置不需要进行调整也能够接收经过选择的信号。如FPGA通过调整了FPGA内部的输入信号端口3021和输出信号端口3022的映射关系，使得FPGA能够将从输入信号端口3021进入的信号，选择其中的一部分从输出信号端口3022发射出去。从而实现了对输入信号选择性输出的功能。其中FPGA实现的信号切换功能 为多选一开关的功能，或多路多选一开关的功能，或矩阵开关的功能。 

输出调理单元203接收FPGA单元202输出的待输出信号，并且将这接收到的信号进行电压调理，以生成输出信号。如此，输出信号便能够直接被信号接收装置读取了。由于采用了FPGA作为切换单元，使信号切换装置整体的切换耗时是很短的。 

本发明实施例提供的信号切换装置，通过设置了输入调理单元201、FPGA单元202和输出调理单元203，对输入信号进行选择之前，先通过输入调理单元201将输入信号的电压调整为FPGA的工作电压范围内，再由FPGA单元202选择指定的经过电压调节的输入信号作为待输出信号，最后再经过输出调理单元203将待输出信号的电压调整至于输入信号的电压相同，使外部的信号接收装置能够直接接收。在完成对输入信号的选择性输出功能的同时，由于FPGA结构特性，不会发生对被选择信号造成干扰的情况，动作时间比继电器要快，同时也不会发生由于继电器老化而造成的装置失灵问题，解决了现有技术中的不足。 

本发明实施例2提供了信号切换装置的细节连接结构，在实施例1的基础上，如图2和图3所示，为了使信号切换装置能够实时的根据使用者的需求而改变FPGA的功能，还应设置用于接收控制信号的控制模块301， 

如图2所示，FPGA单元202包括控制模块301和切换矩阵302，切换矩阵302包括输入信号端口3021和输出信号端口3022； 

控制模块301，用于根据获取的选择指令信号，按照预设的方法调整输入信号端口3021与输出信号端口3022的映射关系，以选择指定的待选择信号作为待输出信号。 

其中，选择指令信号中携带有输入端口和输出端口的映射关系。 

具体的，切换矩阵302的类型包括：多选一开关、多路多选一开关和矩阵开关中的一种或多种，也就是一个切换矩阵中可能包括多种同类型，或者包括多种不同类型的开关、符合类型的开关。使用者可以根据具体情况的需求通过改变输入信号端口3021和输出信号端口3022的映射关系来调整切换矩阵302的功能。具体的，预设的方法包括： 

若接收到选择指令信号，则将选择指令信号储存至FPGA单元202的缓存二区； 

根据储存在缓存二区中的选择指令信号调整输入信号端口3021与输出信号端口3022的映射关系。 

通过将接收到的选择指令信号先储存值缓存二区，控制模块301再根据缓存二区中的选择指令信号对输入信号端口3021和输出信号端口3022的映射关系进行调整，使得控制模块301所执行的切换动作不会发生混乱。 

进一步的，在将选择指令信号储存至FPGA单元202的缓存二区前还包括： 

若接收到选择指令信号，则将选择指令信号储存至FPGA单元202的缓存一区； 

若缓存一区中的选择指令信号与缓存二区中的选择指令信号不同，则将缓存一区中的选择指令信号储存到缓存二区中。 

需要说明的是，每次FPGA单元202通过用于接收选择指令信号的端口接收到选择指令信号的时候，均先将选择指令信号储存到缓存一区中。受FPGA内部工作原理的影响，其内部每次在循环的时候，如果缓存一区和缓存二区的内容不相同，则将缓存一区中的内容复制到缓存二区，然后在根据缓存二区的指令，控制模块301再去调整输入信号端口3021和输出信号端口3022的映射关系。如果此前已经接收到选择指令信号，当顺序执行到“将缓存一区中的选择指令信号储存到缓存二区中”时，则说明已经根据前一次接收到的选择指令信号做出了相应的输入信号端口3021和输出信号端口3022映射关系的调整。通过设置了缓存一区，并且将选择指令信号先储存至缓存一区再复制到缓存二区，使控制模块301在根据缓存二区中的选择指令信号做相应的映射关系的调整的时候不会由于发送来的信号过多而产生内部混乱和系统错误。 

通过使用FPGA内部的控制模块301进行输入信号端口3021和输出信号端口3022的映射关系的调节，具有如下优点： 

1，切换耗时短：本发明采用FPGA内部的逻辑单元实切换。开关执行单元通常切换动作时间不超过4个FPGA工作时钟周期。若采用40MHz时钟作为FPGA工作时钟，切换动作耗时在100nS以内(而现有的信号切换装置，受其所使用的继电器的影响。继电器动作时间通常为10ms左右，而导致信号切换装置整体的反应时间过长)。 

2，无触点抖动：本发明采用FPGA内部的逻辑单元实切换，无抖动现象(而现有的信号切换装置，其内部的继电器闭合或断开时，伴随触点抖动。对测量系统易产生干扰、错码)。 

3，灵活性强：“多选一开关”、“多路多选一开关”和“矩阵开关”虽拓扑结构不同，但可以通过不同的FPGA代码可将上述功能中的一种或多种在同一硬件(FPGA内部的切换矩阵)上实现(而现有的信号切换装置，其硬件一旦完成设计，其功能涵盖范围即确定，不能更改。)。 

4，扩展性强：当输入信号和输出信号的数量需要增加时，则对应着增加一定数量的输入调理单元201和输出调理单元203即可(而现有的信号切换装置，当输入信号或输出信号增多时，需变更设计。如由128x64的矩阵开关变更为128x128的矩阵开关时，继电器数量由8192个变为16384个，导致硬件规模、复杂度变大)。 

5，寿命较长：FPGA内部逻辑单元寿命较长，且寿命与切换动作关联较小(而现有的信号切换装置，其内部的继电器具有老化特性，随触点动作次数的增加，其使用时间、可靠性均降低，易带来切换装置自身故障，并降低包含该类切换装置系统的稳定性)。 

6，不断电切换，切换动作是通过FPGA内部逻辑单元实现，因此切换时，其不会损坏采集设备输入端口和被测设备的输出端口。因此采用FPGA作为开关执行单元的切换装置满足该需求(而现有的信号切换装置，RS422信号不支持热切换。因此采用继电器作为开关执行单元的切换装置不满足该需求)。 

7，无触点噪声，切换动作是通过FPGA内部逻辑单元实现切换，不产生噪声。因此采用FPGA作为开关执行单元的切换装置满足该需求(而继电器触点闭合或断开时易产生抖动，使得采集设备易采集到误码。因此采用继电器作为开关执行单元的切换装置不满足该需求)。 

8，安全切换，采集设备始终连接输出调理单元203的输出口，信号生成装置的输出口始终连接输入调理单元201的输入口，物理连接未发生变化，因此不会因切换装置内部程序或控制切换装动作的上位机程序运行异常、错误操作导致矩阵开关配置错误，进而对采集设备和被测设备造成损坏。因此采用FPGA作为开关执行单元的切换装置满足该需求(而现有的信号切换装置，因切换装置内部程序或控制切换装动作的上位机程序运行异常、错误操作，有可能导致继电器构成的矩阵切换箱开关配置错误，进而导致2路或2路以上被测设备输出的RS422信号短接在一起，造成被测设备输出端口损坏。因此采用继电器作为开关执行单元的切换装置不满足该需求)。 

FPGA单元202无法直接读取到上位机所发出的选择指令信号，还需要通过中央控制单元将接收到的信号进行解读。也就是，本发明所提供的信号切换装置还包括：中央控制单元，中央控制单元包括设置模块； 

设置模块，用于根据上位机发出的设置信号生成选择指令信号。 

为了便于使用者或者自动机能够了解到当前FPGA内部的输入信号端口3021和输出信号端口3022的映射关系，中央控制单元还包括： 

查询模块，用于根据接收到的查询信号查询输入信号端口3021和输出信号端口3022的映射关系，并生成查询反馈信号。 

生成的查询反馈信号可以直接发送给使用者或者自动机，以便其了解当前FPGA内部的映射关系。并且可以根据查询反馈信号所携带的信息和之前发送给信号切换装置的设置信号来判断，FPGA内部是否已经按照设置信号所携带的指令，进行了相应的输入信号 端口3021和输出信号端口3022映射关系的调整。如果出现FPGA未按照设置信号所携带的指令进行映射关系调整的情况，则可以及时的对FPGA单元202进行修复。中央控制单元可以采用CPU实现，如NXP公司的LPC2378。上位机(如使用者、自动机或嵌入式控制器等)与中央控制单元通讯；可以采用CAN或以太网等接口方式实现，并制定通讯协议。 

控制单元与中央控制单元通讯；可采用FPGA连接中央控制单元的本地总线(Local Bus)方式实现，并制定通讯协议(该通讯协议制定查询、设置功能的指令、数据格式信息)。 

具体的，输入调理单元201包括：第一调理模块； 

第一调理模块，用于将输入信号调节为3.3V CMOS的电信号。受FPGA工作电压的影响，需要将输入信号的电压调整至3.3V才能够使FPGA模块正常接收该信号，并且不会损坏FPGA模块。 

除了使用第一调理模块调节输入信号的电压，还可以使用第二调理模块对输入信号的电压进行调节，第二调理模块包括一级调理模块和二级调理模块； 

一级调理模块，用于将输入信号调节为5V CMOS的一次调节输入信号； 

二级调理模块，用于将一次调节输入信号调节为3.3V CMOS的待选择信号。 

第一调理模块包括MAX3232芯片； 

一级调理模块包括AM26C31芯片和HI-8586芯片； 

二级调理模块包括SN74LVC4245A芯片。 

相应的，输出调理单元203同样可以使用第一调理模块或者第二调理模块，以使输出信号的电压符合信号接收装置的要求。 

具体使用第一调理模块还是第二调理模块，需要视具体情况来定。输入调理单元201中，AM26C32、HI-8444芯片输出的电平为5V CMOS，还应使用电平变换芯片(如SN74LVC4245A)将其转换为3.3V CMOS信号，最终将3.3V CMOS信号输入至FPGA。 

相应的，输出调理单元203中，AM26C31、HI-8586的输入信号为5V CMOS，不能直接接收FPGA输出的3.3V CMOS信号。因此，在进行上述调理前还需增加电平调理，可以使用电平转换芯片(如SN74LVC4245A)将3.3V CMOS转换为5V CMOS信号。 

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。 

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (10)

1.信号切换装置，其特征在于，包括：输入调理单元、输出调理单元和FPGA单元；

输入调理单元，用于将接收到的输入信号进行输入调理，以生成待选择信号，使所述待选择信号的电压处于预设的FPGA单元工作电压阈值范围内；

FPGA单元，用于选择指定的所述待选择信号作为待输出信号；

输出调理单元，用于将所述待输出信号进行信号调理，以生成输出信号，所述输出信号的电气特性与所述输入信号的电气特性相同。

2.根据权利要求1所述的信号切换装置，其特征在于，所述FPGA单元包括控制模块和切换矩阵，所述切换矩阵包括输入信号端口和输出信号端口；

控制模块，用于根据获取的选择指令信号，按照预设的方法调整输入信号端口与输出信号端口的映射关系，以选择指定的所述待选择信号作为待输出信号。

3.根据权利要求2所述的信号切换装置，其特征在于，所述切换矩阵的类型包括：多选一开关、多路多选一开关和矩阵开关中的一种或多种。

4.根据权利要求2所述的信号切换装置，其特征在于，所述预设的方法包括：

若接收到所述选择指令信号，则将所述选择指令信号储存至FPGA单元的缓存二区；

根据储存在缓存二区中的所述选择指令信号调整输入信号端口与输出信号端口的映射关系。

5.根据权利要求4所述的信号切换装置，其特征在于，在所述将所述选择指令信号储存至FPGA单元的缓存二区前还包括：

若接收到所述选择指令信号，则将所述选择指令信号储存至FPGA单元的缓存一区；

若所述缓存一区中的选择指令信号与所述缓存二区中的选择指令信号不同，则将所述缓存一区中的选择指令信号储存到缓存二区中。

6.根据权利要求1所述的信号切换装置，其特征在于，还包括：中央控制单元，所述中央控制单元包括设置模块；

设置模块，用于根据上位机发出的设置信号生成所述选择指令信号。

7.根据权利要求6所述的信号切换装置，其特征在于，中央控制单元还包括：

查询模块，用于根据接收到的查询信号查询所述输入信号端口和所述输出信号端口的映射关系，并生成查询反馈信号。

8.根据权利要求1所述的信号切换装置，其特征在于，所述输入调理单元包括：第一调理模块；

第一调理模块，用于将所述输入信号调节为3.3V CMOS的电信号。

9.根据权利要求1所述的信号切换装置，其特征在于，所述输入调理单元包括：第二调理模块，所述第二调理模块包括一级调理模块和二级调理模块；

一级调理模块，用于将所述输入信号调节为5V CMOS的一次调节输入信号；

二级调理模块，用于将所述一次调节输入信号调节为3.3VCMOS的待选择信号。

10.根据权利要求9所述的信号切换装置，其特征在于，所述第一调理模块包括MAX3232芯片；

所述一级调理模块包括AM26C31芯片和HI-8586芯片；

所述二级调理模块包括SN74LVC4245A芯片。