CN201608702U - 一种基于lxi总线的功率开关 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于LXI总线的功率开关，包括电源电路以及依次连接的C类LXI接口电路、功能电路和接口单元。本实用新型可以使得PC机通过LAN接口对开关实现实时快速的控制，用户通过浏览器，打开仪器Web页面，可以对仪器进行网络配置、仪器控制等相关操作；而且还具有使用简单、易于模块化、通用性和灵活性、开关切换能力强等的优点。

Description

一种基于LXI总线的功率开关

技术领域

本实用新型涉及一种功率开关，特别涉及一种基于LXI总线的功率开关。

背景技术

Agilent和VXIT于2004年提出了一种新的仪器总线-LXI(LAN eXtensionsfor Instrumentation)。LXI仪器无须专门的背板总线机箱和零槽控制器，直接利用通用PC的标准LAN接口，很大程度上降低了开发和应用成本。而LAN又是业界最稳定和生命周期最长并且还在不断发展的开放式工业标准，各厂商很容易将现有的仪器产品移植到LXI平台上来，这些都为组建更大范围的分布式自动测控系统提供了方便。同时LXI仪器总线标准定义了基于IEEE1588的高精度时间同步，很容易构建实时测试系统。由于现有的测试测量系统中使用的大多数基于VXI、PCI、PXI的功率开关受机箱体积本身限制，高于百瓦级的功率开关已无法做到，而LXI有很广阔的应用前景并且优势显著，因此研究开发基于LAN的开关仪器具有重要的意义。

实用新型内容

本实用新型目的是提供了一种基于LXI总线的功率开关，可以使得PC机通过LAN接口对开关实现实时快速的控制，用户通过浏览器，打开仪器Web页面，可以对仪器进行网络配置、仪器控制等相关操作。

本实用新型的技术解决方案：

一种基于LXI总线的功率开关，包括电源电路以及依次连接的C类LXI接口电路、功能电路和接口单元，其特殊之处在于：

所述电源电路向C类LXI接口电路以及功能电路提供双路隔离直流电源；

所述C类LXI接口电路包括LAN接口单元、总线隔离单元以及嵌入式系统处理单元；所述LAN接口单元通过网络接口实现远程控制计算机与功率开关通信，实现并行信号到串行差分信号以及串行差分信号到并行信号的协议转换；所述总线隔离单元实现LAN接口单元和嵌入式系统处理单元之间的数据隔离及增加信号的驱动；所述嵌入式系统处理单元用于运行嵌入式Linux操作系统，建立Web Server和Control Server文件系统，提供LAN接口以及与功能电路的通信端口；

所述功能电路包括通讯隔离单元、驱动单元以及功率继电器单元；所述通讯隔离单元可在继电器切换过程中防止线圈产生的翻转电流对嵌入式系统处理单元产生干扰，完成嵌入式系统处理单元与驱动单元的通信与隔离；所述功率继电器单元包括至少一个功率继电器组，所述每个功率继电器组包括至少一个强功率继电器，所述功率继电器单元可实现每个强功率继电器的独立通断；所述驱动单元可向每个强功率继电器提供驱动电流；

所述接口单元包括与功率继电器组连接的输入输出接口以及与嵌入式系统处理单元相连的LAN系统状态显示单元。

上述网络接口采用标准RJ45接插座；

所述LAN接口单元包括以太网控制器(U9)、LAN复位芯片(U13)，总线隔离单元包括三态缓冲芯片(U6)和总线隔离芯片(U8)；所述LAN复位芯片(U13)与处理芯片(U4)连接，所述以太控制器(U9)与网络接口连接，三态缓冲芯片(U6)用于实现以太控制器(U9)和处理芯片(U4)之间双向数据流的方向控制，所述总线隔离芯片(U8)实现以太控制器(U9)和处理芯片(U4)之间的数据隔离及增加信号的驱动；

所述嵌入式系统处理单元包括处理芯片(U4)、总线驱动芯片(U3)、FLASH存储器(U5)以及SDRAM存储芯片(U10、U11)，所述处理芯片(U4)与FLASH存储器(U5)和SDRAM存储芯片(U10、U11)连接，所述FLASH存储器(U5)用于存储处理芯片(U4)的上电程序，所述SDRAM存储芯片(U10、U11)用于工作过程中临时数据和程序的存储，所述总线驱动芯片(U3)驱动处理芯片(U4)提供的多路控制信号，所述处理芯片(U4)通过总线驱动芯片(U3)与功能电路的通讯隔离单元接连；

所述通讯隔离单元包括多个光耦(U18)，所述光耦(U18)用于实现总线驱动芯片(U3)和驱动单元之间的信号隔离；

所述驱动单元包括多个驱动芯片(Q1)和二极管(D22)组成，所述驱动芯片(Q1)向相应强功率继电器控制线圈提供工作电流；所述二极管(D22)反向并接于相应强功率继电器控制线圈的两端，用于强功率继电器控制线圈断开后的续流；

所述输入输出接口采用孔式JXZ-2接线柱；

所述电源电路包括交流滤波器和两路独立的AC/DC转换电路。

上述接口单元还包括继电器工作状态显示单元；所述继电器工作状态显示单元用于显示继电器的导通或关闭状态，由相应多个并接于相应强功率继电器控制线圈两端的指示灯(D38)构成。

上述功率继电器单元包括8个1.12kW强功率继电器和8个7.2kW强功率继电器。

上述处理芯片(U4)为S3C2440A；所述以太控制器(U9)为DM9000。

上述双路隔离直流电源为+5V直流电源和+28V直流电源。

本实用新型所具有的优点：

1、本实用新型提供了一种基于LXI总线的功率开关，可以使得PC机通过LAN接口对开关实现实时快速的控制，用户通过浏览器，打开仪器Web页面，可以对仪器进行网络配置、仪器控制等相关操作。同时，可以查看仪器的各种信息和网路连接状态。

2、使用简单。本实用新型的网络接口采用标准RJ45接插座，用户只需用两头带RJ45插头的网线将功率开关与远程控制计算机连接即可，也可以通过10/100M路由器连接。利用基于IVI驱动的用户应用程序或WEB网页来控制LXI大功率功率开关，可对每个继电器进行单独的控制，也可以控制模块中多个继电器开关同时动作。还可以通过SCPI指令来同时控制开关通断。

3、易于模块化。现在大型测试系统主要由一个大型机柜组成，里面集成许多单台模块化的仪器，本实用新型采用标准2U高、全机架机箱，很方便放到机柜里，既可单台使用，又可上架组成系统。

4、通用性和灵活性。由于LAN接口具有即插即用的优点，因此使用此接口时无须打开计算机和重新启动系统。远程控制计算机软件采用IVI-COM技术，保证了符合该规范的测试系统在应用层软件不变的情况下，不同厂家、不同型号硬件之间的可互换性，从而提高了系统的通用性和灵活性。

5、开关切换能力强。本实用新型的前8个通道达28VDC/40A，后8个通道达120VDC/60A。

附图说明

图1是本实用新型基于LXI总线的功率开关的结构框图；

图2是本实用新型的嵌入式系统处理单元的电路框图；

图3是电源电路、复位电路及晶振电路的电路原理图；其中图3-1为晶振电路，图3-2、3-3为电源电路，图3-4、3-5为复位电路；

图4是功能电路及接口单元的其中一路通道(包括通讯隔离单元、驱动单元和继电器工作状态显示单元)的电路原理图；

图5是LAN接口单元的电路原理图；

其中：1-C类LXI接口电路，11-LAN接口单元，12-总线隔离单元，13-嵌入式系统处理单元，2-功能电路，21-通讯隔离单元，22-驱动单元，23-功率继电器单元，3-接口单元，31-输入输出接口，32-继电器工作状态显示单元，33-LAN系统状态显示单元，4-网络接口，5-电源电路，U1、U2-DC-DC转换芯片，U3-总线驱动芯片，U4-处理芯片，U5-FLASH存储器，U6-三态缓冲芯片，U7-与门，U8-总线隔离芯片，U9-以太控制器，U10、U11-SDRAM存储芯片，U12、U13-复位芯片，S1-复位开关，U18-光耦，CON1、CON4-插座，Q1-驱动芯片，LS1-继电器，J5-LAN复位插座，Y1、Y2、Y3-晶振。

具体实施方式

如图1所示，一种基于LXI总线的功率开关，包括电源电路以及依次连接的C类LXI接口电路、功能电路和接口单元，电源电路向C类LXI接口电路以及功能电路提供双路隔离直流电源，其包括交流滤波器以及+5V和+28V两路独立的AC/DC转换电路。

C类LXI接口电路包括LAN接口单元、总线隔离单元以及嵌入式系统处理单元；LAN接口单元通过网络接口实现远程控制计算机与功率开关通信，实现并行信号到串行差分信号以及串行差分信号到并行信号的协议转换；总线隔离单元实现LAN接口单元和嵌入式系统处理单元之间的数据隔离及增加信号的驱动；LAN接口单元包括以太网控制器U9(DM9000)、LAN复位芯片U13，总线隔离单元包括三态缓冲芯片U6和总线隔离芯片U8；LAN复位芯片U13与处理芯片U4连接，以太控制器U9与网络接口连接，三态缓冲芯片U6用于实现以太控制器U9和处理芯片U4之间双向数据流的方向控制，总线隔离芯片U8实现以太控制器U9和处理芯片U4之间的数据隔离及增加信号的驱动，网络接口采用标准RJ45接插座；

参见图5，用网线通过插座CON4将控制计算机与功率开关连接后，当远程控制计算机需要控制功率开关时，由C类LXI接口电路将差分信号ETH_TXN、ETH_TXP转换成通用的处理器接口信号B_D0～B_D15后，通过总线隔离芯片U8送到处理芯片U4进行相关处理，达到控制目的；当远程控制计算机需要读取继电器工作状态数据时，由处理芯片U4控制三态总线缓冲器U8的数据传输方向将并行信号B_D0～B_D15送到以太控制器U9，转换成差分信号ETH_RXN、ETH_RXP后通过插座CON4送入远程控制计算机。

嵌入式系统处理单元的原理框图见图2、图3，其用于运行嵌入式Linux操作系统，建立Web Server和Control Server文件系统，提供LAN接口以及与功能电路的通信端口；嵌入式系统处理单元包括处理芯片U4(S3C2440A)、总线驱动芯片U3、FLASH存储器U5以及SDRAM存储芯片U10、U11，处理芯片U4与FLASH存储器U5和SDRAM存储芯片U10、U11连接，FLASH存储器U5用于存储处理芯片U4的上电程序，SDRAM存储芯片U10、U11用于工作过程中临时数据和程序的存储，总线驱动芯片U3驱动处理芯片U4提供的多路控制信号，处理芯片U4通过总线驱动芯片U3与功能电路的通讯隔离单元接连；如图3-4、3-5所示，LAN复位芯片U13和LAN复位插座J5组成的外部LAN复位电路，嵌入式系统处理单元上电后首先由复位芯片对处理芯片U4内部寄存器初始化后，由处理芯片U4从FLASH存储器U5中读取数据进行程序加载，并复制到外部高速SDRAM(U10、U11)中运行，控制信号线通过总线驱动芯片U3后连接到插座CON1，以实现对16个继电器的控制。

如图3-1所示，两脚晶振Y1及电容C8、C9、四脚晶振Y2及电容C17、C18组成晶振电路、两脚晶振Y3及电容C19、C20为系统提供精准的参考；

如图3-2、3-3所示，C类LXI接口电路的电源电路包括3.3V开关电源和1.3V开关电源两部分。由DC-DC转换芯片U1组成的开关电源将5V稳压到3.3V为SDRAM存储芯片、LAN接口单元及处理单元U4、以太控制器U9等相关电路提供工作电压；由DC-DC转换芯片U2组成的开关电源将3.3V稳压到1.3V为处理单元U4提供内核工作电压。

功能电路包括通讯隔离单元、驱动单元以及功率继电器单元；通讯隔离单元可在继电器切换过程中防止线圈产生的翻转电流对嵌入式系统处理单元产生干扰，完成嵌入式系统处理单元与驱动单元的通信，其包括多个光耦U18，光耦U18用于实现总线驱动芯片U3和驱动单元之间的信号隔离；功率继电器单元包括两个功率继电器组，第一个功率继电器组包括8个1.12kW强功率继电器，第二个功率继电器组包括8个7.2kW强功率继电器，功率继电器单元可实现每个强功率继电器的独立通断；驱动单元可增强处理芯片U4的通用输入输出GPIO接口(General Purpose Input/Output)的驱动能力以便提供16个继电器的驱动电流，其包括16个驱动芯片IRFL014和16个二极管组成，驱动芯片向相应强功率继电器控制线圈提供工作电流；二极管反向并接于相应强功率继电器控制线圈的两端，用于强功率继电器控制线圈断开后的续流；图5是功能电路的其中一路通道(包括通讯隔离单元和驱动单元)的电路原理图；光耦U18和电阻R34、R39组成隔离单元，驱动芯片Q1和二极管D22组成驱动电路，为继电器LS1控制线圈提供工作电流。

接口单元包括与功率继电器组连接的输入输出接口、与嵌入式系统处理单元相连的LAN系统状态显示单元、与驱动单元连接的继电器工作状态显示单元；输入输出接口采用耐压大电流的孔式JXZ-2接线柱，便于和仪器直接相连，方便用户操作。LAN系统状态显示单元包括LAN状态指示灯、出错状态指示灯、运行状态指示灯、准备状态指示灯和电源指示灯。继电器工作状态显示单元用于显示继电器的导通或关闭状态，由16个并接于相应强功率继电器控制线圈两端的指示灯构成。图4是接口单元的继电器工作状态显示单元的其中一路通道的电路原理图；光电二极管D38和电阻R33组成继电器工作状态显示电路。

功率开关工作过程如下：

1、WEB页面的配置：用户通过浏览器打开主页面，对仪器的网络功能进行配置，包括主机名、域名、仪器描述、IP地址等。其中仪器的网络配置可由用户任意选择Static IP、Auto IP和DHCP三种方式中的一种。

2、仪器控制：进入仪器控制界面，进行开关模式、开关控制、刷新视图、SCPI指令历史记录、SCPI指令输入框、用户控制开关拓扑图等设置后，即可通过控制界面的软面板去控制每个通道开关的通断。由于LAN接口具有即插即用的优点，因此使用此接口时无须打开计算机和重新启动系统。

当用户按下软面板上的开关按钮时，计算机就通过网线将控制开关通断的命令从插座CON4发送到以太控制器U9将差分变成单端处理后，经三态总线缓冲器U8送到处理芯片U4进行译码处理，使处理芯片U4的管脚(GPD0～GPD15)输出高或低电平，再经过通讯隔离单元和驱动单元，送到继电器的控制线圈端，控制每个继电器导通或关闭，从而实现每个通道的闭合与断开切换，达到控制目的。

Claims (6)

1.一种基于LXI总线的功率开关，包括电源电路以及依次连接的C类LXI接口电路、功能电路和接口单元，其特征在于：

所述电源电路向C类LXI接口电路以及功能电路提供双路隔离直流电源；

所述C类LXI接口电路包括LAN接口单元、总线隔离单元以及嵌入式系统处理单元；所述LAN接口单元通过网络接口实现远程控制计算机与功率开关通信，实现并行信号到串行差分信号以及串行差分信号到并行信号的协议转换；所述总线隔离单元实现LAN接口单元和嵌入式系统处理单元之间的数据隔离及增加信号的驱动；所述嵌入式系统处理单元用于运行嵌入式Linux操作系统，建立Web Server和Control Server文件系统，提供LAN接口以及与功能电路的通信端口；

所述功能电路包括通讯隔离单元、驱动单元以及功率继电器单元；所述通讯隔离单元可在继电器切换过程中防止线圈产生的翻转电流对嵌入式系统处理单元产生干扰，完成嵌入式系统处理单元与驱动单元的通信与隔离；所述功率继电器单元包括至少一个功率继电器组，所述每个功率继电器组包括至少一个强功率继电器，所述功率继电器单元可实现每个强功率继电器的独立通断；所述驱动单元可向每个强功率继电器提供驱动电流；

所述接口单元包括与功率继电器组连接的输入输出接口以及与嵌入式系统处理单元相连的LAN系统状态显示单元。

2.根据权利要求1所述的基于LXI总线的功率开关，其特征在于：

所述网络接口采用标准RJ45接插座；

所述LAN接口单元包括以太网控制器(U9)、LAN复位芯片(U13)，总线隔离单元包括三态缓冲芯片(U6)和总线隔离芯片(U8)；所述LAN复位芯片(U13)与处理芯片(U4)连接，所述以太控制器(U9)与网络接口连接，三态缓冲芯片(U6)用于实现以太控制器(U9)和处理芯片(U4)之间双向数据流的方向控制，所述总线隔离芯片(U8)实现以太控制器(U9)和处理芯片(U4)之间的数据隔离及增加信号的驱动；

所述嵌入式系统处理单元包括处理芯片(U4)、总线驱动芯片(U3)、FLASH存储器(U5)以及SDRAM存储芯片(U10、U11)，所述处理芯片(U4)与FLASH存储器(U5)和SDRAM存储芯片(U10、U11)连接，所述FLASH存储器(U5)用于存储处理芯片(U4)的上电程序，所述SDRAM存储芯片(U10、U11)用于工作过程中临时数据和程序的存储，所述总线驱动芯片(U3)驱动处理芯片(U4)提供的多路控制信号，所述处理芯片(U4)通过总线驱动芯片(U3)与功能电路的通讯隔离单元接连；

所述通讯隔离单元包括多个光耦(U18)，所述光耦(U18)用于实现总线驱动芯片(U3)和驱动单元之间的信号隔离；

所述驱动单元包括多个驱动芯片(Q1)和二极管(D22)组成，所述驱动芯片(Q1)向相应强功率继电器控制线圈提供工作电流；所述二极管(D22)反向并接于相应强功率继电器控制线圈的两端，用于强功率继电器控制线圈断开后的续流；

所述输入输出接口采用孔式JXZ-2接线柱；

所述电源电路包括交流滤波器和两路独立的AC/DC转换电路。

3.根据权利要求1或2所述的基于LXI总线的功率开关，其特征在于：所述接口单元还包括继电器工作状态显示单元；所述继电器工作状态显示单元用于显示继电器的导通或关闭状态，由相应多个并接于相应强功率继电器控制线圈两端的指示灯(D38)构成。

4.根据权利要求3所述的基于LXI总线的功率开关，其特征在于：所述功率继电器单元包括8个1.12kW强功率继电器和8个7.2kW强功率继电器。

5.根据权利要求3所述的基于LXI总线的功率开关，其特征在于：所述处理芯片(U4)为S3C2440A；所述以太控制器(U9)为DM9000。

6.根据权利要求3所述的基于LXI总线的功率开关，其特征在于：所述双路隔离直流电源为+5V直流电源和+28V直流电源。

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