微型脉冲供电式倒置接电开关可靠性试验装置

王 薇，张 瑜，祖 静

（1.中北大学电子测试技术重点实验室，山西 太原 030051；2.仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051）

0 引言

在火炮膛压测试中，放入式电子测压器作为存储测压装置要置于弹药筒中，并随弹药保温长达十余小时［1－2］，中途无法手动拨动开关，为了实现系统的低功耗，设计了倒置接电开关。在保温过程中弹药保持原姿态，此时倒置接电开关断开；入膛前通过旋转炮弹接通开关［3］，为测试系统上电。放入式电子测压器多次在火炮膛压测试中成功获取数据［4］，但在试验中仍然存在由于倒置接电开关不能正常对测试系统上电控制而使测试试验失败的例子。针对上述问题，设计了微型脉冲供电式倒置接电开关的试验装置。

1 微型脉冲供电式倒置接电开关

微型脉冲供电式倒置接电开关是放入式电子测压器实现低功耗的关键部件［5］，它是基于重力对物体的影响，在水银式、双球式、干簧管和电容式倒置开关的基础上设计的［6］。它由光电控制模块与CPLD控制模块组成。光电控制模块包括红外发光二极管和光敏三极管，它们固定在同一个对光基线的壳体上，壳体的内腔中装有小钢球，红外发光二级管与光敏三极管之间形成光通路，小钢球对光通路的打开与隔断，实现了开关导通或者断开［7］。为了降低倒置接电开关的功耗，红外发光二极管靠CPLD控制模块脉冲驱动。倒置接电开关的CPLD控制模块主要由受光电耦合电路控制的脉冲电压发生电路、延时上电控制信号发生电路、时钟电路和电源管理电路组成。

倒置接电开关的原理框图如图1所示。图中D1是红外发光二极管，Q1是光敏三极管，IR是脉冲电压信号，ID是光敏三极管的输出信号，PON是延时上电控制信号，TEST是光发射－接收检测信号。

图1 微型脉冲供电式倒置接电开关原理框图Fig.1 The theorical diagram of inversion connection switch

在测试试验中存在倒置接电开关无法正常对测压器进行上电的现象，因而需要对倒置接电开关进行大约17h近千次的模拟倒置开关试验，测试倒置接电开关的信号参数。倒置接电开关的信号包括延时上电控制信号PON、光发射－接收检测信号TEST和光敏三极管的输出信号ID。

2 微型脉冲供电式倒置接电开关的可靠性试验装置

2.1 倒置接电开关可靠性试验装置的总体结构

倒置接电开关可靠性试验装置由小功率调速电机带动安装多个倒置接电开关的转筒旋转模拟倒置接电开关的工作情况。它由小功率电机、转筒、倒置接电开关及电路模块组成，其中倒置接电开关安装在转筒上的固定孔上。装置的结构原理框图如图2所示。

图2 试验装置的结构原理框图Fig.2 The theorical diagram of the testing structure

2.2 倒置接电开关可靠性试验装置的电路模块

电路模块是倒置接电开关可靠性试验装置中的主体。它包括两套子系统，分别由单片机和CPLD进行采集，之后存储在外部闪存内，再传输到计算机进行分析处理。

2.2.1 开关延时上电控制信号PON测试电路和光发射－接收结构检测信号TEST测试电路

PON和TEST信号的测试电路主要由单片机组、电源管理电路和外部闪存等组成，其采样频率为5MHz。其原理框图如图3所示。

图3 PON和TEST信号测试电路原理框图Fig.3 The theorical diagram of PON and TEST signal circuitry

2.2.2 光电控制模块输出信号ID测试电路

ID信号的测试电路由模拟调理电路、A／D转换器、外部静态存储器、CPLD控制电路模块、电源控制管理模块组成，其采样频率为250MHz。其原理框图如图4所示。

图4 信号ID测试电路原理框图Fig.4 The theorical diagram of ID signal circuitry

3 实际测试

倒置接电开关的可靠性试验装置的测试通过数据分析软件对倒置接电开关信号进行分析，从而验证装置的可行性。本文将倒置接电开关置于高温（55℃）、常温（20℃）、低温（－40℃）环境下经过近千次倒置试验。

3.1 开关延时上电控制信号PON测试

对于一个成功的倒置接电开关，信号PON波形占空比应是212.5／360，延时上电控制信号PON波形的双游标图及游标值的局部放大图如图5所示。

图5 PON波形的双游标图及游标值Fig.5 Double cursor diagram and coordinate values of PON

在游标的数值中，X代表采样的时间，Y代表A／D采样转换的电压值，ΔX表示双游标的横坐标差值，ΔY表示双游标的纵坐标差值。由图5可知开关工作一周整个延时上电控制信号PON波形的时间Δx1是62.0s，高电平部分的时间 Δx2是36.4s点，占空比是 Δx2／Δx1＝0.587 1，和理论上的占空比0.590 3是相差很小，基本是一致的。

3.2 光发射－接收结构检测信号TEST测试

对于一个成功的倒置接电开关，TEST信号波形的占空比都应是251.5／360。TEST波形的双游标图及游标值的局部放大图如图6所示。

图6 TEST波形的双游标图及游标值Fig.6 Double cursor diagram and coordinate values of TEST

由图6可知开关工作一周整个光发射－接收结构检测信号TEST波形的时间Δx1是61s，信号TEST高电平部分的时间Δx2是43.2s，占空比是Δx2／Δx1＝0.708 2，和理论上的占空比0.698 6相差很小，基本是一致的。

3.3 光电控制模块输出信号ID测试

对于一个成功的倒置接电开关，光电控制模块输出信号ID高电平部分为122μs，其波形图局部放大图如图7所示。

由图7可以看出，信号ID波形高电平部分的时间是120μs，与理论值122μs相差无几。

倒置接电开关试验装置一次可以测试7个倒置接电开关，经过984次的倒置试验，测试信号数据综合分析成功比率判断如图8所示。

通过对装置的各个通道采集的检测信号，综合分析来看其成功率在95%以上，可以认为该装置可以用于对倒置接电开关的检测。但在测试过程中仍有约5%不成功，经分析，主要是由倒置接电开关与检测系统未连接造成的。

图7 ID的波形图Fig.7 Oscillogram of PON

图8 数据综合分析成功比率判断窗口Fig.8 Success rate window of analyzing and judging datas

4 结论

本文根据倒置接电开关的性能设计了倒置接电开关的可靠性试验装置。该装置由小功率调速电机带动多个倒置接电开关旋转，测试电路包括两套子系统，分别由单片机和CPLD进行采集，之后存储在外部闪存内，再传输到计算机进行分析处理。测试与试验表明：该装置在高温、常温和低温任意一个需要测试的环境中连续工作17h，满足倒置接电开关各信号不同的采样频率，测试信号的参数与理论相符，验证了倒置接电开关的可靠性，同时检测倒置接电开关延时上电功能和红外耦件耦合功能。但在该装置中存在开关与检测系统有未连接的情况而导致测试失败，因而需要进一步改进。

［1］祖静，张志杰，裴东兴，等.新概念动态测试［J］.测试技术学报，2004（18）：52－53.ZU Jing，ZHANG Zhijie，PEI Dongxing，et al.New concept dynamic test［J］.Journal of test and Measurement Technology，2004（18）：52－53.

［2］张文栋.存储测试系统的设计理论及其在导弹动态数据测试中的实现［D］.北京：北京理工大学，1995.

［3］祖静，张文栋.电子测压蛋［J］.兵工学报，1991（1）：65－69.ZU Jing，ZHANG Wendong.Electronic crusher gauge［J］.ACTA Armamentarii，1991（1）：65－69.

［4］张文栋.存储测试系统的设计理论及其应用［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［5］常宽.倒置开关的研究［D］.太原：中北大学，2009.

［6］李新娥，原彦飞.一种重力开关的设计［J］.华北工学院测试技术学报，2001，15（2）：33－35.LI Xin＇e，YUAN Yanfei.The design of the gravity sensing switch［J］.Journal of Test and Measurement Technology in North China Polytechnic Institute，2001，15（2）：33－35.

［7］张小敏.放入式电子测压器的调试、校准及可靠性设计［D］.太原：中北大学，2008.