摘 要： 針對(duì)存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)低功耗的要求，研制了微型光電倒置開(kāi)關(guān)。與光電開(kāi)關(guān)相似，此種開(kāi)關(guān)具有低電壓驅(qū)動(dòng)、低功率損耗、微小體積、抗干擾，其工作時(shí)不需要人為接觸操作。在放入式電子測(cè)壓器實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，時(shí)常出現(xiàn)由于光電倒置開(kāi)關(guān)不能正常輸出上電信號(hào)而使測(cè)試系統(tǒng)無(wú)法工作的問(wèn)題，可見(jiàn)光電倒置開(kāi)關(guān)的可靠性直接決定了電子測(cè)壓器的可靠性。為了保證電子測(cè)壓器在高溫、高壓、高沖擊的實(shí)測(cè)環(huán)境中能夠正常上電，設(shè)計(jì)了一套開(kāi)關(guān)可靠性檢測(cè)系統(tǒng)，為放入式電子測(cè)壓器選擇光電倒置開(kāi)關(guān)提供了支持。

　　0 引言

　　存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的上電方式是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。許多測(cè)試都是在保溫一定時(shí)間后進(jìn)行的，而測(cè)試裝置都是在保溫前放到被測(cè)物體中，這就要求在保溫過(guò)程中使測(cè)試裝置的功耗降到，倒置開(kāi)關(guān)的作用就是在物體保溫的過(guò)程中測(cè)試系統(tǒng)不工作，而在測(cè)試前通過(guò)倒置開(kāi)關(guān)使測(cè)試系統(tǒng)上電工作，從而達(dá)到低功耗，使測(cè)試系統(tǒng)在工作時(shí)能正常運(yùn)行。

　　倒置開(kāi)關(guān)是存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它的可靠性決定了存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的可靠性，直接關(guān)系整個(gè)實(shí)驗(yàn)的成敗。

　　本文研究了一種光電倒置開(kāi)關(guān)，并設(shè)計(jì)一套完整的可靠性檢測(cè)系統(tǒng)，有效分析了光電倒置開(kāi)關(guān)的可靠性。

　　1 光電倒置開(kāi)關(guān)

　　1.1 光電倒置開(kāi)關(guān)的組成

　　光電倒置開(kāi)關(guān)是由一個(gè)發(fā)射管和一個(gè)接收管安裝固定在同一個(gè)對(duì)光基線的殼體上，在殼體的內(nèi)腔中裝有小鋼球，外部由電路模塊做出響應(yīng)，這3 部分被封裝在同一個(gè)小體積的機(jī)械筒體內(nèi)。光電倒置開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 光電倒置開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

　　紅外發(fā)光二極管具有能耗小，響應(yīng)速度快，抗干擾能力、可靠耐用等優(yōu)點(diǎn)。紅外發(fā)光二極管作為發(fā)射器把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為紅外光信號(hào)，光敏三極管作為接收器，接收紅外光信號(hào)再將紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在本微型開(kāi)光設(shè)計(jì)過(guò)程中選用與紅外發(fā)光二極管配套的光敏三極管。

　　1.2 光電倒置開(kāi)關(guān)的工作過(guò)程

　　當(dāng)光電倒置開(kāi)關(guān)接通電源后，發(fā)射二極管開(kāi)始發(fā)出紅外線，當(dāng)小鋼球沒(méi)有擋住發(fā)射管的光線，接收三極管接受到光，輸出有效信號(hào)。此信號(hào)通過(guò)電路轉(zhuǎn)換部分將電平拉高，從而使開(kāi)關(guān)導(dǎo)通；隨著倒置過(guò)程的開(kāi)始，小鋼球跌落，擋住發(fā)射二極管的光線，接收三極管接收不到光，從而開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。

　　1.3 光電倒置開(kāi)關(guān)的波形理論

　　機(jī)械殼體對(duì)于光電倒置開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)是為重要的部分，殼體的內(nèi)腔具有兩個(gè)錐度腔，根據(jù)機(jī)械殼體的結(jié)構(gòu)，光電倒置開(kāi)關(guān)倒置一周（旋轉(zhuǎn)360°）的工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換情況如圖2 所示。

圖2 中心線旋轉(zhuǎn)一周開(kāi)關(guān)狀態(tài)的角度圖

　　根據(jù)上述，可以得出在光電倒置開(kāi)關(guān)工作一個(gè)周期的波形圖。波形示意圖如圖3 所示。從光電倒置開(kāi)關(guān)工作的理論波形圖可以看出，一個(gè)開(kāi)關(guān)工作一個(gè)周期（旋轉(zhuǎn)倒置360°）的理想占空比是251.5/360，這就是光電倒置開(kāi)關(guān)檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試信號(hào)的特性，也為驗(yàn)證檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性提供了依據(jù)。

圖3 光電倒置開(kāi)關(guān)工作一個(gè)周期的波形圖

　　2 光電倒置開(kāi)關(guān)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 檢測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

　　光電倒置開(kāi)關(guān)的檢測(cè)系統(tǒng)是由小功率調(diào)速電機(jī)、固定光電倒置開(kāi)關(guān)和電路模塊的轉(zhuǎn)筒以及電路模塊所組成的。圖4 是檢測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖，該圖表明了各部分之間的關(guān)系。

圖4 檢測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

　　當(dāng)系統(tǒng)裝配好后，接上電源進(jìn)入低功耗態(tài)；在小功率電機(jī)的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)的光敏三極管感應(yīng)到發(fā)光二極管發(fā)出的光時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)被觸發(fā)，系統(tǒng)開(kāi)始循環(huán)采樣并把轉(zhuǎn)換的結(jié)果存儲(chǔ)到外部Flash中；當(dāng)Flash 內(nèi)的數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)容量時(shí)，系統(tǒng)停止采樣檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)入等待讀出態(tài)。

　　2.2 波形分析程序設(shè)計(jì)

　　從檢測(cè)系統(tǒng)Flash 中讀出的數(shù)據(jù)可以在上位機(jī)中，由VB 6.0 設(shè)計(jì)的軟面板顯示成波形圖，同時(shí)對(duì)波形做更進(jìn)一步的處理，判斷每個(gè)光電倒置開(kāi)關(guān)的成功比率，以此檢測(cè)其可靠性。

　　由圖5 的正弦波形圖可以看出，在一個(gè)周期（-π ，π ）內(nèi)，波形單調(diào)升或者單調(diào)降各。

　　由于一個(gè)周期內(nèi)只有單調(diào)升，于是可以得到這樣一個(gè)算法：

　　假設(shè)正弦波由n 個(gè)點(diǎn)組成，每一個(gè)點(diǎn)都有對(duì)應(yīng)正弦波上的一個(gè)值發(fā)f（n）。在（-1,1）之間隨意取一個(gè)值A(chǔ)，當(dāng)且僅當(dāng)f（n）<A、f（n+1）>A 時(shí)，認(rèn)為此時(shí)的波形處于上升階段，算作一個(gè)周期，其他的情況全部忽略。這樣，可以判斷在一組正弦波中有多少個(gè)周期。

圖5 正弦波形圖

　　同理，這個(gè)算法也可以應(yīng)用到檢測(cè)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)分析的軟件設(shè)計(jì)上。由前述的波形理論可知，光電倒置開(kāi)關(guān)工作一個(gè)周期的波形，單調(diào)升或者單調(diào)降只有，完全符合上述算法。

　　波形分析程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6 所示。

圖6 波形分析程序設(shè)計(jì)流程圖

　　3 光電倒置開(kāi)關(guān)的性能檢測(cè)及可靠性分析

　　3.1 正常波形分析

　　對(duì)于一個(gè)完好的光電倒置開(kāi)關(guān)，不論是在常溫、高溫環(huán)境下，還是低溫環(huán)境下，所采集的波形應(yīng)是已知的，都是占空比是251.5/360 的波形，正常波形如圖7 所示。

圖7 正常波形圖

　　分析波形圖可以得出：

　　占空比是Δx2/ Δx1 ＝ 0.6961，和理論上的占空比251.5/360 ＝ 0.6986 是相差很小，基本一致的。

　　根據(jù)TI 公司提供的ADC12 內(nèi)核的轉(zhuǎn)換公式：

　　可得，電壓約為1.92V，和實(shí)際的2V 相差0.08V。

　　3.2 異常波形分析

　　在實(shí)際的開(kāi)關(guān)檢測(cè)系統(tǒng)所得大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，不可能每一個(gè)開(kāi)關(guān)的波形都和理想的波形一致，總會(huì)出現(xiàn)異常的數(shù)據(jù)，引起這些異常數(shù)據(jù)的原因也是多樣的。

　　1）異常波形如圖8，9 所示。

圖8 異常波形1

圖9 異常波形2

　　出現(xiàn)這種情況的原因可能是：對(duì)光孔和小錐度腔相貫處有毛刺。在相貫處有毛刺，就會(huì)在倒置過(guò)程中，對(duì)小鋼球有阻擋或者粘滯的影響。

　　2）開(kāi)關(guān)的輸出信號(hào)一直為0，無(wú)輸出。

　　出現(xiàn)這種情況的原因可能是：（a）光電倒置開(kāi)關(guān)和檢測(cè)系統(tǒng)未連接；（b）在長(zhǎng)時(shí)間的低溫保持環(huán)境下，開(kāi)關(guān)內(nèi)腔內(nèi)可能存在的水氣凝固在開(kāi)關(guān)內(nèi)腔壁上，形成霜，在低溫下，把小鋼球和機(jī)械殼體粘結(jié)在一起，擋住了對(duì)光孔。

　　3.3 成功比率分析

　　檢測(cè)系統(tǒng)的軟件部分波形判斷窗口如圖10 所示。

　　依據(jù)成功比率，可以選出可靠性較高的光電倒置開(kāi)關(guān)用于存儲(chǔ)測(cè)試裝置。

圖10 檢測(cè)系統(tǒng)波形判斷窗口

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　光電倒置開(kāi)關(guān)是新概念動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)的基礎(chǔ)上的一種低電壓驅(qū)動(dòng)、低功率損耗、微小體積開(kāi)關(guān)器件，其中光電部分利用紅外系統(tǒng)，具有抗干擾性強(qiáng)，響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的倒置開(kāi)關(guān)的可靠性的要求，通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)開(kāi)關(guān)的檢測(cè)，分析其可靠性，可靠性越高，開(kāi)關(guān)工作的越穩(wěn)定，從而使應(yīng)用開(kāi)關(guān)的系統(tǒng)或者設(shè)備性能更加穩(wěn)定。