一种旋转式多点开关切换装置、控制系统及控制方法与流程

本发明涉及自动测试技术领域，尤其涉及一种旋转式多点开关切换装置、控制系统及控制方法。

背景技术：

随着工业自动化的发展，自动测试系统凭借测试速度快，测试精度高，操作简单等特点成为产品质量检测的重要手段，并广泛的应用于工业自动化生产领域。其中，开关电路作为实现自动测试的接口，主要负责将电源，信号源等测试激励信号通过开关矩阵切换到被测对象的任意输入端口，同时将被测对象输出端口的信号自动切换到相应的测试仪器、仪表。因此高性能的开关矩阵成为实现自动测试系统通用性的关键部分。

现有的开关矩阵电路多采用控制单元+开关阵列的实现方案，其中控制单元由微控制器以及锁存驱动电路组成，开关阵列多采用继电器阵列。系统中采用了大量的继电器，因而使得整个切换控制系统成本高，体积庞大，控制电路复杂，响应时间长，功耗大，寿命短等特点。此外，该方法的通用性以及扩展性较差，不同的测试需求需对继电器阵列进行重新开发设计。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，得到一种结构简单、通用性能强的旋转式多点开关切换装置、控制系统及控制方法。

本发明是通过以下技术方案实现：

一种旋转式多点开关切换装置，包括外壳，所述外壳内设置有驱动装置、设置在驱动装置上方的电路板、设置在电路板上方的注塑盘、主开关、辅开关以及控制器，所述驱动装置的传动端连接设置有刷块，所述电路板的一侧电性连接有主开关，所述主开关的另一侧伸出至外壳外部，所述电路板的另一侧电性连接有辅开关，所述辅开关另一侧电性连接至控制器，所述控制器的通讯接口伸出至外壳外部；其中，

所述电路板与注塑盘之间设置有与注塑盘开孔同心的内导电环和套接在内导电环外圈的外导电环，所述外导电环内缘与内导电环外缘之间设置有间距，所述电路板上沿内导电环外缘均布设有主开关正极触点，所述电路板上沿外导电环外缘均布设置有辅助开关正极触点，所述刷块对应设置在内导电环和外导电环上并在驱动装置的控制下与对应触点接触或不接触以实现线路的切换，所述主开关与辅开关的工作状态相同。

本发明进一步改进在于，所述外壳包括由一个底板、一个盖板、一个左壁、一个右壁、一个前壁和一个后壁所包围的封闭容纳空间；所述驱动装置设置在底板上；所述注塑盘为中心开孔的板状结构，可拆卸设置在左壁与右壁之间；所述电路板可拆卸安装至注塑盘的下表面并与注塑盘形状相适配；所述主开关，具有接线端并伸出至前壁外部，另一侧与电路板电性连接；所述辅开关，连接至控制器的i/o接口，另一侧与电路板电性连接；所述控制器，与后壁相适配，具有通讯接口，所述通讯接口伸出后壁至外部。

本发明更进一步改进在于，所述左壁与右壁的下部分别往容纳空间内凹形成有阶梯部，所述注塑盘及电路板可拆卸安装至阶梯部上。

本发明更进一步改进在于，所述后壁包括框体和与框体可拆卸连接在一起的面板，所述面板上具有与通讯接口相适配的开口，所述面板形状与控制器形状相适配。

本发明更进一步改进在于，所述前壁、左壁和右壁上设置有通风孔或通风槽。

本发明更进一步改进在于，所述电路板具有延伸至前壁方向的第一安装部和延伸至后壁方向的第二安装部，所述主开关通过弯针插入至第一安装部与电路板电性连接，所述辅开关通过弯针插入至第二安装部与电路板电性连接。

本发明更进一步改进在于，所述驱动机构包括：

步进电机，设置于容纳空间内并可拆卸固定在底板上；

传动轴，连接至步进电机的输出端；

电刷架，具有一中心开孔的杆部以及非对称性安装在杆部两端的刷块安装部，卡接至在传动轴上部；以及

刷块，安装至刷块安装部内并具有伸出端。

本发明更进一步改进在于，所述传动轴上端设置有轴承，对应外壳的内壁上设置有与轴承相适配的固定部。

本发明另一个目的在于，提供一种旋转式多点开关切换控制系统，设置在上位机以及被测设备之间，该控制系统基于上述所述的一种旋转式多点开关切换控制装置，包括一个控制器、一个开关阵列和一个驱动装置；

所述控制器包括一处理单元、一与处理单元相互通讯的通信接口单元、一与处理单元通信的反馈电路单元、一与处理单元相互通信的脉冲发生电路单元以及一与处理单元通信的控制单元；

所述处理单元用于在上位机与被测设备之间的信息通讯，并对所述开关阵列中的开关进行配置；所述通信接口单元用于实现所述处理单元与上位机之间的通讯；所述反馈电路单元用于将开关阵列单元的动作反馈至处理单元；所述脉冲发生电路单元用于通过控制脉冲频率来对驱动单元进行调速和定位；所述控制单元包括一时钟电路、一系统复位电路以及一通讯显示电路，所述时钟电路用于为处理单元提供时钟信号，所述系统复位电路用于在系统运行异常时输入复位信号将系统复位到初始状态，所述通讯显示电路用于显示接收或者发送数据的状态；

所述开关阵列包括多个主开关和与主开关姿态一一对应的辅开关，其动作配置由处理单元通过驱动单元对每个主开关的开关触点的选择来实现，对应辅开关的开关触点的选择通过反馈电路向控制器单元反馈主开关闭合状态；

所述驱动装置包括一步进电机和一用于驱动步进电机的驱动电路，所述驱动电路用于接收并根据脉冲发生电路单元的控制信号控制步进电机的转动方向及距离。

本发明另一个目的在于，提供一种旋转式多点开关切换控制方法，该方法基于上述所述的一种旋转式多点开关切换控制系统，包括如下步骤：

s1、控制系统上电启动后，上位机控制程序进入初始化，并打开通讯端口；

s2、控制循环检测通讯接收端口是否有数据接收；

s3、接收到数据口，控制解析数据，得到需控制的开关及其目标状态；

s4、控制器根据解析到的指令，计算并输出闭合开关所需的信号状态；

s5、控制器发出对应开关闭合控制信号后，检测相应的反馈端口电平；

s6、根据电平判断开关闭合结果，若为低则闭合成功，反之则失败；

s7、控制器将该结果发送至上位机；

s8、控制器继续循环检测是否有新指令到达。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

1、相较于同样开关数量的系统，本发明提供的装置尺寸、体积小于现有方案，减小了成本；

2、本发明自带开关状态反馈检测，大大提高了自动测试安全性，可靠性；

3、本发明开关节点耐压性能好。现有方案中开关的耐压性能取决于所选继电器线圈性能，耐压性能越高，其成本和体积也越高。本方案所提供的开关两个触点一个为铜刷，一个为电路板上覆铜触点，开关耐压性好，可应用于0到上千伏电路回路中；

4、本发明采用技术非常成熟的步进电机作为执行单元，从而可以使对应的控制系统的设计简化。

附图说明

图1是本发明一个实施例的装置立体结构示意图；

图2为图1另一侧的立体结构示意图；

图3为图1中去除掉盖板、前壁、后壁、左壁和右壁后的立体结构示意图；

图4为图3另一侧的立体结构示意图；

图5为图3的俯视图；

图6为图3中去除掉底板和注塑盘的立体结构示意图；

图7为图6中去除掉控制器、主开关和辅开关的立体结构示意图；

图8为步进电机、传动轴和电刷架配合在一起的结构示意图；

图9为盖板的结构示意图；

图10为左壁、右壁和前壁连接在一起的结构示意图；

图11为本发明中控制系统的示意图；

图12为本发明一个实施例中控制器的外围电路示意图；

图13为本发明一个实施例中can接口电路示意图；

图14为本发明一个实施例中串口通讯接口电路示意图；

图15为本发明一个实施例中驱动电路示意图；

图16为本发明一个实施例中电路板18上触点示意图；

图17为本发明一个实施例中控制方法的流程图。

附图标记如下：

1、盖板，1-1、固定部，2、右壁，3、底板，4、前壁，5、主开关，6、后壁，7、通讯接口，8、左壁，9、控制器，10、步进电机，11、辅开关，12、注塑盘，13、轴承，14、传动轴，15、刷块安装部，16、电刷架，17、刷块，18、电路板，19、辅开关正极触点，20、主开关正极触点，21、内导电环，22、外导电环，23、阶梯部，a1、上位机，a21、通信接口单元，a22、反馈电路单元，a23、控制单元，a24、脉冲发生电路单元，a25、处理单元，a3、驱动电路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图10所示，一种旋转式多点开关切换装置，包括外壳，所述外壳内设置有驱动装置、设置在驱动装置上方的电路板18、设置在电路板18上方的注塑盘12、主开关5、辅开关11以及控制器9，所述驱动装置的传动端连接设置有刷块17，所述电路板18的一侧电性连接有主开关5，所述主开关5的另一侧伸出至外壳外部，所述电路板18的另一侧电性连接有辅开关11，所述辅开关11另一侧电性连接至控制器9，所述控制器9的通讯接口7伸出至外壳外部；其中，

所述电路板18与注塑盘12之间设置有与注塑盘12开孔同心的内导电环21和套接在内导电环21外圈的外导电环22，所述外导电环22内缘与内导电环21外缘之间设置有间距，所述电路板18上沿内导电环21外缘均布设有主开关5正极触点，所述电路板18上沿外导电环22外缘均布设置有辅助开关正极触点，所述刷块17对应设置在内导电环21和外导电环22上并在驱动装置的控制下与对应触点接触或不接触以实现线路的切换，所述主开关5与辅开关11的工作状态相同。

具体实施时，所述外壳包括由一个底板3、一个盖板1、一个左壁8、一个右壁2、一个前壁4和一个后壁6所包围的封闭容纳空间；所述驱动装置设置在底板3上；所述注塑盘12为中心开孔的板状结构，可拆卸设置在左壁8与右壁2之间；所述电路板18可拆卸安装至注塑盘12的下表面并与注塑盘12形状相适配；所述主开关5，具有接线端并伸出至前壁4外部，另一侧与电路板18电性连接；所述辅开关11，连接至控制器9的i/o接口，另一侧与电路板18电性连接；所述控制器9，与后壁6相适配，具有通讯接口7，所述通讯接口7伸出后壁6至外部。

具体实施时，所述左壁8与右壁2的下部分别往容纳空间内凹形成有阶梯部23，所述注塑盘12及电路板18可拆卸安装至阶梯部23上。

具体实施时，所述后壁6包括框体和与框体可拆卸连接在一起的面板，所述面板上具有与通讯接口7相适配的开口，所述面板形状与控制器9形状相适配。

具体实施时所述前壁4、左壁8和右壁2上设置有通风孔或通风槽。

具体实施时，所述电路板18具有延伸至前壁4方向的第一安装部和延伸至后壁6方向的第二安装部，所述主开关5通过弯针插入至第一安装部与电路板18电性连接，所述辅开关11通过弯针插入至第二安装部与电路板18电性连接。

具体实施时，所述驱动机构包括：

步进电机10，设置于容纳空间内并可拆卸固定在底板3上；

传动轴14，连接至步进电机10的输出端；

电刷架16，具有一中心开孔的杆部以及非对称性安装在杆部两端的刷块17安装部15，卡接至在传动轴14上部；以及

刷块17，安装至刷块17安装部15内并具有伸出端。

具体实施时，所述传动轴14上端设置有轴承13，对应外壳的内壁上设置有与轴承13相适配的固定部1-1，更具体地，为外壳上的盖板1。

具体实施时，所述刷块17、内导电环21和外导电环22由铜制成，材质为具有强导电能力的铜，其硬度强，不易磨损。装置中有两个铜刷，一个作为主开关5负极触点，另一个作为辅助开关负极触点。且两个铜刷采用安装至电刷架16上，平衡性好。

具体实施时，所述控制器9为armcortex-m3处理器，主要负责与测试系统中的上位机a1通讯，接收开关控制指令，产生相应的电脉冲信号，通过直接控制步进电机10的运动，实现开关节点的控制，并反馈开关闭合状态。

在上述技术方案中，任意一组开关均由两个刷块17分别对应的触点组成，步进电机10负责将接收的电脉冲信号转化为角位移信号，带动刷块17在注塑盘12上移动，控制铜刷与注塑盘12上触点的接触。注塑盘12内环触点为主开关5正极触点，与相应铜刷一同组成一个主开关5的两个触点，该开关可接入自动测试系统，实现测试线路的切换。装置中所有主开关5共用一个负极触点。主开关5接线端侧共有一个负极接线端和多个正极接线端，其中负极接线端与作为主开关5负极的刷块17相连，正极接线端与注塑盘12内环触点相连。该接线端作为开关提供给用户接入测试线路中使用。注塑盘12外环触点为辅开关11的正极触点，与相应铜刷一同组成一个辅开关11的两个触点。该开关两端与控制器9的i/o口连接，当主开关5闭合时，必有一组副开关闭合，控制器9检测到相应i/o口有低电平信号输入。辅助开关主要负责向控制单元a23反馈主开关5闭合状态。

如图11所示，本发明还提供了一种旋转式多点开关切换控制系统，设置在上位机a1以及被测设备之间，该控制系统上述所述的一种旋转式多点开关切换控制装置，包括一个控制器9、一个开关阵列和一个驱动装置；

所述控制器9包括一处理单元a25、一与处理单元a25相互通讯的通信接口单元a21、一与处理单元a25通信的反馈电路单元a22、一与处理单元a25相互通信的脉冲发生电路单元a24以及一与处理单元a25通信的控制单元a23；

所述处理单元a25用于在上位机a1与被测设备之间的信息通讯，并对所述开关阵列中的开关进行配置；所述通信接口单元a21用于实现所述处理单元a25与上位机a1之间的通讯；所述反馈电路单元a22用于将开关阵列单元的动作反馈至处理单元a25；所述脉冲发生电路单元a24用于通过控制脉冲频率来对驱动单元进行调速和定位；所述控制单元a23包括一时钟电路、一系统复位电路以及一通讯显示电路，所述时钟电路用于为处理单元a25提供时钟信号，所述系统复位电路用于在系统运行异常时输入复位信号将系统复位到初始状态，所述通讯显示电路用于显示接收或者发送数据的状态；

所述开关阵列包括多个主开关5和与主开关5姿态一一对应的辅开关11，其动作配置由处理单元a25通过驱动单元对每个主开关5的开关触点的选择来实现，对应辅开关11的开关触点的选择通过反馈电路向控制器9单元反馈主开关5闭合状态；

所述驱动装置包括一步进电机10和一用于驱动步进电机10的驱动电路a3，所述驱动电路a3用于接收并根据脉冲发生电路单元a24的控制信号控制步进电机10的转动方向及距离。

如图17所示，本发明还提供了一种旋转式多点开关切换控制方法，该方法基于上述所述的一种旋转式多点开关切换控制系统，包括如下步骤：

s1、控制系统上电启动后，上位机a1控制程序进入初始化，并打开通讯端口；

s2、控制循环检测通讯接收端口是否有数据接收；

s3、接收到数据口，控制解析数据，得到需控制的开关及其目标状态；

s4、控制器9根据解析到的指令，计算并输出闭合开关所需的信号状态；

s5、控制器9发出对应开关闭合控制信号后，检测相应的反馈端口电平；

s6、根据电平判断开关闭合结果，若为低则闭合成功，反之则失败；

s7、控制器9将该结果发送至上位机a1；

s8、控制器9继续循环检测是否有新指令到达。

本发明在使用时，更具体的可以如下实施：

系统电气接线要包括：控制单元a23外围电路、通讯接口7电路、步进电机10驱动电路a3、步进电机10以及注塑盘12组成。

控制器9外围电路如图12所示，主要包括为时钟电路，系统复位电路，通讯显示电路。其中时钟电路为控制器9提供基本的时钟信号；复位电路为当系统运行异常时，用户可通过复位按钮向控制器9reset引脚输入复位信号，系统将复位到初始状态；通讯显示电路包括can和串口通讯的收发引脚都配有相应的led显示，当任一引脚有信号传输时，其对于的led灯亮起，提醒用户系统当前在接收或者发送数据。

此外，控制器9的i/o口配置了多项功能，其中g0-g29即为系统30个辅助开关中的正极相连接，任一辅开关11闭合时，其正极将会拉至低电平，控制器9在其对应i/o口检测到低电压信号，即可确定该辅开关11已闭合，从而判断出相应的主开关5已闭合；l0/l1/l2分别为控制步进电机10位移的脉冲信号，方向信号以及使能信号。

系统支持串口和can两种通讯方式，通讯接口7设置有串口接口和can接口，can接口电路如图13所示，其中can1rx、can1tx为一对ttl电平的收发信号。canh、canl为can总线上的差分信号，系统采用一款带隔离功能的can接口芯片，可实现can1rx、can1tx与canh、canl信号的转换。串口通讯接口7电路如图14所示，控制通过控制串口使能信号485-en来控制串口通讯的连接或中断，uart1为控制器9接收信号引脚，uart2为控制器9发送信号引脚，485-b和485-a分别为通讯对象的发送端和接收端。

步进电机10的驱动电路a3，如图15所示，控制器9输出的l0/l1/l2信号经放大后分别作为步进电机10驱动的使能信号en，脉冲信号clk以及位移方向dir(顺转/反转)。三路信号经过光耦u1/u3/u4隔离后与步进电机10驱动模块u2的控制引脚en/clk/dir分别相连。本设计采用自带pwm斩波功能的双极步进电机10驱动模块，该模块根据输入的控制信号即可产生两极步进电机10驱动信号a+/a-，b+/b-，直接控制步进电机10转动方向以及距离。同时采用绕组利用更高的四线双极性驱动的步进电机10，通过控制其移动的方向和距离来实现主/辅开关11负极点的移动，当步进电机10带动铜刷移动至与某一圆盘触点接触时，即可该组开关的正负极点相接触，开关闭合。

本设计中的电路板18为印制电路板，如图16所示，表面有内外两圈触点，其中内圈触点对应主开关5正极，外圈触点对应主开关负极。当铜刷移至与某一主开关m正极接触时，主开关m闭合，测试回路接通，与此同时另一对称铜刷与辅开关m正极接触，该辅开关闭合，控制器9读取相应i/o口数据即可判断开关闭合状态。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。