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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410704290.8 (22)申请日 2014.11.30 G05B 19/042(2006.01) (71)申请人 中国计量学院 地址 310018 浙江省杭州市江干经济开发区 学源街 258 号 (72)发明人 钱璐帅 陈乐 李正坤 富雅琼 (74)专利代理机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 代理人 林超 (54) 发明名称 适用于扫描开关内部继电器的阵列式控制装 置 (57) 摘要 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 。
2、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， 且系统抗干扰能力强、 稳定性高。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 (10)申请公布号 CN 104483876 A (43)申请公布日 2015.04.01 CN 1。
3、04483876 A 1/1 页 2 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 ：。
4、 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。
5、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。
6、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 。
7、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。 权 利 要 求 书 CN 104483876 A 2 1/5 页 3 适用于扫描开关内部继电器的阵列式控制装置 技术领域 0001 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 0002 扫描开关在计量测试行业应用广泛， 尤其适用于多。
8、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。
9、 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。 0003 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， 给测试系 统引入不可控的干扰， 会在精密测试场合中引入较大误差。 0004 所以以图 1 所示的现有方式来控制继电器会造成系统功耗偏高， 易受扰动， 连线 复杂， 控制器 。
10、IO 口大量使用， 器件成本高等缺点。 发明内容 0005 为解决上述系统系统功耗偏高， 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。 0006 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。
11、， 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。 0007 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。 0008 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 ： 说 明 书 CN 104483876 A 3 2/5 页 4 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。 。
12、0009 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。 0010 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。 0011 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。 0012 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。 0013 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。 0014 所述的继电器。
13、是常开型、 常闭型或者转换型。 0015 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。 0016 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。 0017 本发明通过光耦实现 MCU 与继电器驱动电路间的电气隔离， 减少了系统干扰， 提 高了系统稳定性。 附图说明 0018 图 1 为传统扫描开关中继电器控制电路结构示意图。 0019 图 2 为本发明普通电磁继电器的线圈高、 低端示意图。 0020 图 3 为本发明磁保持式继电器的线圈高、 低端示意图。 0021 图 4。
14、 为本发明电路的连接结构示意图。 0022 图 5 为本发明实施例继电器单元阵列结构示意图。 0023 图 6 为本发明实施例驱动器连接结构示意图。 0024 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 0025 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 0026 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 ； 。
15、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。 0027 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 说 明 书 CN 104483876 A 4 3/5 页 5 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。
16、有二极管 6。 0028 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。 0029 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。
17、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。 0030 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。
18、圈低端 12 与列控制端 7 之间均串联有二极管 6。 0031 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。 0032 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。 0033 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。
19、电源 9。 0034 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。 0035 继电器是常开型、 常闭型或者转换型。 0036 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。
20、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。 0037 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。
21、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 说 明 书 CN 104483876 A 5 4/5 页 6 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。
22、 “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。 0038 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， 提高系统稳定性。 0039 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 。
23、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。 0040 扫描开关拥有两个输出通道分。
24、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 A1A16， B1B16 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。
25、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。 0041 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 100000。
26、00。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。
27、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。 说 明 书 CN 104483876 A 6 5/5 页 7 0042 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。
28、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。 0043 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。 。
29、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。 0044 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。 0045 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。 说 明 书 CN 104483876 A 7 1/3 页 8 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 104483876 A 8 2/3 页 9 图 4 说 明 书 附 图 CN 104483876 A 9 3/3 页 10 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 104483876 A 10 。