一种单刀512掷的开关电路的制作方法

1.本实用新型涉及一种用于电子设备的单刀512掷的开关电路，尤其涉及一种可在一定功率范围内替代继电器、扩展数据采集i/o口的电路，属于集成电路应用领域。


背景技术：

2.随着社会生活和工业生产的飞速发展，各行各业、各个领域都广泛地使用着各类电子设备。尤其在工业自动控制系统、新风控制系统、工业废气处理系统、工业废水处理系统、土壤污染检测系统、计算机、通信、测量仪器等关联设备应用中。
3.在进行相关功能的电路设计时，经常需要对规模数量的数据进行采集。在某些情况下，还需要多组数据混合采集，此时便会时常遇到电路的数据采集i/o口不够的情况。例如，adc采集端口不足、按键采集端口不足、i/o输出端口数量不足、运放信号处理输入端口数量不足等。而传统对于扩展数据采集i/o口的常用方式是多组继电器并联的扩展操作，以实现电路对模拟信号或数字信号进行端口复用的目的。
4.然而，使用多组继电器并联进行扩展i/o口的操作，在继电器电生磁的过程中，需要消耗大量的电能产生磁场能才能使得衔铁吸合导通，以及在电流经过继电器线圈的内阻时产生大量热能。受限于继电器的工作原理，电路的电源功率通常需要足够大，另外电路pcb为了得到及时的散热，也需要进行相应的处理。例如：给电路配备散热片、散热风扇、甚至空调等。此外，继电器的体积相对于集成ic要大很多，当需要扩展大量i/o口时，就需要相应增加继电器的数量。无形中增大了pcb的能耗及面积需求或并联多块pcb，对系统散热也提出了更高的要求，否则难以保障电子设备的功能稳定性。


技术实现要素：

5.鉴于上述现有技术的不足，本实用新型的目的旨在提出一种单刀512掷的开关电路，以解决电气系统对数据采集i/o口扩展需求的问题。
6.本实用新型实现上述目的的技术解决方案是，一种单刀512掷的开关电路，其特征在于由数据处理模块、开关指令中转模块和模拟开关模块构成，其中所述数据处理模块内置用于发出开关指令和串行数据的mcu；所述开关指令中转模块设有三态输出八路收发器74hc245、8个移位寄存器74hc595、8个3线
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8线译码器74hc138；所述模拟开关模块设有8个成一组共64个单刀八掷模拟开关cd4051，所述mcu输出的开关指令经信号增强与串行数据一并输入移位寄存器74hc595，每个所述移位寄存器74hc595并行输出中的3个信号接入一组单刀八掷模拟开关cd4051相并联的地址选择端，且并行输出中的5个信号接入3线
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8线译码器74hc138得到8个并行的i/o信号，并接入对应一组各单刀八掷模拟开关cd4051的使能端，所有移位寄存器74hc595串联组合参与得到512个开关通道。
7.上述单刀512掷的开关电路，进一步地，每个所述单刀八掷模拟开关cd4051中各开关通道的一端均与数据处理模块信号总线相连。
8.上述单刀512掷的开关电路，进一步地，所述三态输出八路收发器74hc245集成有
双p沟道增强型mos管，用于对开关指令增强带载能力。
9.应用本实用新型单刀512掷的开关电路的技术解决方案，具备实质性特点和进步性：该电路利用mcu的3个i/o口的控制信号，通过信号增强、移位寄存、译码扩充相结合的方式能够扩展出多达512个用于数据采集的开关通道，采用低功耗、低成本的集成ic替代继电器组件成为控制开关功能的扩展核心部件，有利于降低电路功耗，减少电路对pcb尺寸及数量要求，也有利于降低电路为散热所增加的不必要成本。
附图说明
10.图1是本实用新型单刀512掷的开关电路简化的功能原理框图。
11.图2是本实用新型单刀512掷的开关电路优选实施例的细化工作电路示意图。
12.图3是图2中矩形框a所示范围中一条支路的管脚接线示意图。
具体实施方式
13.以下便结合实施例附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步的详述，以使本实用新型技术方案更易于理解、掌握，从而对本实用新型的保护范围做出更为清晰的界定。
14.本实用新型设计者在长期从事新风控制系统、工业废气废水处理系统、土壤污染检测系统等方面电子设备的研究中，针对其中电子设备常需要大量扩展数据采集通道，而现有对此主要使用多组继电器并联的扩展操作存在客观的技术不足，通过对集成ic应用功能的开发，创新提出了一种单刀512掷的开关电路，以寻求扩展并行、互不干扰、不同信号采集通道的同时，降低能耗及空间占用，节省散热成本。
15.为理解本实用新型技术方案的创新实质，以下从单刀512掷的开关电路的架构组成和控制方法的不同层面细节分别说明如下。
16.如图1简化的功能原理框图所示，该单刀512掷的开关电路主要由数据处理模块、开关指令中转模块和模拟开关模块三部分构成，其中开关指令中转模块从功能上可以等效理解为控制信号增强及扩展模块，主要起到将mcu输出的开关指令信号带载能力强化，并转化输出多路并行的模拟开关驱动信号（包括地址选择端和使能端）。而对于模拟开关模块而言，其实为若干并列的模拟开关，一方面接收开关控制信号切换通断，另一方面与数据处理模块交互模拟或数字信号。
17.如图2所示优选实施例的细化工作电路示意图和图3所示针对图2中局部框选支路a的管脚接线图可见：上述数据处理模块内置用于发出开关指令和串行数据的mcu，作为数字化运算处理的核心，单片机（即mcu）是广泛应用于各类电气产品、电子设备的微型主控单元，其技术成熟度和规格分类已十分完善成熟。对于本实用新型技术方案实施，mcu具有较宽的器件选择范围，故省略详述其规格、性能参数。上述开关指令中转模块设有用于增强开关指令带载能力的三态输出八路收发器74hc245和用于数字信号识别并扩展的多个移位寄存器74hc595和3线
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8线译码器74hc138。图示实施例中具体设有8组一一成对的移位寄存器74hc595和3线
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8线译码器74hc138，只为扩展得到512个模拟开关通道；而图示为适应幅面的省略画法。与此同时，具体到本实施例中，上述模拟开关模块设有8个成一组共64个单刀八掷模拟开关cd4051，用于扩展开关通道，而每个单刀八掷模拟开关cd4051中各开关通道的一端均与数据处理模块信号总线相连。
18.结合图示从该单刀512掷的开关电路的信号流向来看，该mcu的一个i/o口输出开关控制的指令信号，其为标准spi信号。由于该信号需要驱动多组移位寄存器74hc595，故需要提高信号的带载能力。通过在mcu与移位寄存器74hc595之间增设三态输出八路收发器74hc245得以解决，由于其中集成双p沟道增强型mos管，故可大大增强信号的带载能力。而增强后的spi信号与串行数据一并输入移位寄存器74hc595处理，且每个移位寄存器74hc595为8位数据串行输入并行输出的位移缓存器。因此mcu的一个i/o口发出的串行数据被扩展得到8个并行输出分别向后接入3线
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8线译码器74hc138和各单刀八掷模拟开关cd4051。图示中靠上一条带箭头直线表示并行输出中的3个信号，在一组8个单刀八掷模拟开关cd4051的地址选择端预先并联在一起的基础上，用于控制该地址选择端，实现对单刀八掷模拟开关cd4051端口的开关控制。而图示中靠下一条带箭头直线表示并行输出中的5个信号，通过译码输出得到8个新的、并行输出的i/o口信号，用以控制一组8个单刀八掷模拟开关cd4051的使能端，从而得到64个相互独立的开关通道。
19.由于移位寄存器74hc595和3线
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8线译码器74hc138需要对一组8个单刀八掷模拟开关cd4051进行控制，为提高单刀八掷模拟开关cd4051的控制能力以及信号的隔离能力，在对应每个移位寄存器74hc595的每一支路的信号传输过程中，还增设了高压输出缓冲器7407和上拉电阻。这样当单刀八掷模拟开关cd4051的开关通道的电压需要增加超过系统芯片的承受范围时，高压输出缓冲器7407也能有效将后端电路工作电压和前端高电压隔离开来，从而实现对后端电路的保护。
20.而且，上述开关指令中转模块设有8个移位寄存器74hc595，且相邻移位寄存器74hc595通过串行输出q7’对接串行移位输入ds进行串联；由此，mcu的串行数据输入并移位遍历所有移位寄存器74hc595，实现对开关控制指令信号数据进行进一步扩展。本实施例图示中，采用省略画法的8个移位寄存器自上而下依次串联，且每个增强后的spi信号均同步接入各个移位寄存器74hc595，以此实现上述对扩展通道的控制功能，并能扩展得到总计64
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8=512个开关通道。
21.除此之外，上述数据处理模块内至少集成有用于adc转换、按键扫描检测、运算放大、比较的功能器件，以满足电子设备各项功能所需。由于各种电子设备随预设功能存在显著的区别特性，因此各处理数据模块自mcu周边配套的部件也存在客观差异，而且实际情况下所含功能器件不限于上述举例范围。
22.再结合上述优选实施例的细化工作电路示意图，来理解该单刀512掷的开关电路的控制方法，其各部分主要构件的功能包括：利用数据处理模块内置mcu的三个i/o口分别输出开关指令、串行数据和作为与扩展所得各开关通道相连的信号总线，其中开关指令为标准spi信号；在开关指令中转模块中，利用三态输出八路收发器74hc245对标准spi信号增强带载能力，通过串行输出q7’对接串行移位输入ds的方式逐一将8个移位寄存器74hc595相串联，且其中每个所述移位寄存器74hc595具有并行输出的8个信号，利用其中3个信号接入一组单刀八掷模拟开关cd4051相并联的地址选择端，用以片内端口的开关控制，并利用其中5个信号接入3线
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8线译码器74hc138得到8个并行的i/o信号，再接入对应一组各单刀八掷模拟开关cd4051的使能端，扩展得到单个移位寄存器74hc595关联驱动下的64个开关通道；通过mcu的串行数据输入并移位遍历所有移位寄存器74hc595，扩展得到全部512个开关通道。
23.如图3所示，在移位寄存器74hc595和3线
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8线译码器74hc138的各自输出端与对应单刀八掷模拟开关cd4051的地址选择端、使能端之间依次接入高压输出缓冲器7407和上拉电阻，利用高压输出缓冲器7407隔离前后两端的过量压差。
24.综上结合图示的实施例详述可见，本实用新型该单刀512掷的开关电路的技术解决方案具备突出的实质性特点。且应用实施后体现了显著的进步性：该电路利用mcu的3个i/o口的控制信号，通过信号增强、移位寄存、译码扩充相结合的方式能够扩展出多达512个用于数据采集的开关通道，采用低功耗、低成本的集成ic替代继电器组件成为控制开关功能的扩展核心部件，有利于降低电路功耗，减少电路对pcb尺寸及数量要求，也有利于降低电路为散热所增加的不必要成本。
25.除上述实施例外，本实用新型还可以有其它实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型所要求保护的范围之内。