在應用存儲測試技術進行現(xiàn)場測試時， 測試系統(tǒng)通常安裝在被測體上， 由于被測體所處的環(huán)境惡劣， 對測試系統(tǒng)提出了嚴格要求： 微體積、微功耗、高可靠性、耐高低溫、抗高沖擊和抗振動等。微體積的要求使得存儲測試系統(tǒng)對電源的體積要求極為苛刻， 為此要盡可能地降低整個測試系統(tǒng)的功耗。例如， 火炮膛壓測試是檢測火炮系統(tǒng)性能的重要手段， 中北大學研制的放入式電子測壓器在測量火炮膛壓時， 必須隨彈藥保高溫（ + 55 ℃） 或低溫（ - 40℃） 或常溫（ + 20℃） 達48 h, 放入式電子測壓器必須在彈藥保溫前放入藥筒中， 因此， 在保溫前把電子測壓器接通電源， 但是只維持等待工作狀態(tài)（ 電流小于60uA ） , 在實彈射擊試驗前通過某種微型倒置開關使電子測壓器進入全工作狀態(tài)（ 電流小于6mA） , 在火炮膛壓測試結束后測試系統(tǒng)又自動轉入數(shù)據(jù)保持狀態(tài)， 維持低功耗， 讀出數(shù)據(jù)后立刻斷電， 這樣可實現(xiàn)測試系統(tǒng)的微功耗。電源控制技術是存儲測試系統(tǒng)微功耗的關鍵技術， 而微型倒置開關是實現(xiàn)測試系統(tǒng)微功耗的關鍵部件。

　　本文設計了一種基于CPLD 的脈沖驅動、光電控制和在倒置時自動延時輸出上電控制信號的微型開關， 該技術已應用于放入式電子測壓器， 已在國家靶場的火炮膛壓測試中成功應用。

　　1  系統(tǒng)總體設計及實現(xiàn)

　　微型脈沖供電式光電倒置開關由光電控制模塊和CPLD 控制模塊組成， 原理框圖如圖1 所示。

　　圖1 中D1 是紅外發(fā)光二極管， Q1 是光敏三極管， IR 是脈沖電壓信號， ID 是光敏三極管的輸出信號， PON 是延時上電控制信號。為了降低光電倒置開關的功耗， 光電控制模塊的紅外發(fā)光二極管采用脈沖驅動方式。CPLD 控制模塊產(chǎn)生驅動紅外發(fā)光二極管的脈沖電壓信號， 同時產(chǎn)生延時上電控制信號控制存儲測試系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

　　2  光電控制模塊設計

　　光電控制模塊主要由光電耦合電路及光發(fā)射-接收結構組成。光電耦合電路由紅外發(fā)光二極管、光敏三極管及限流電阻組成。光發(fā)射-接收結構內部是錐體結構， 外部是T 型結構， 小鋼球置于光發(fā)射-接收結構的內部， 小鋼球在其內部能自由活動。

　　光發(fā)射-接收結構的外壁上設置有透光孔， 紅外發(fā)光二極管和光電三極管光路對準相對安裝在透光孔位置， 紅外光發(fā)射與接收的方式采用直射式， 如圖2所示。

　　紅外發(fā)光二極管具有能耗小、響應速度快、抗干擾能力和可靠耐用等優(yōu)點。紅外發(fā)光二極管作為發(fā)射器把電信號轉換為紅外光信號， 光敏三極管作為接收器， 接收到紅外光信號再將紅外光信號轉換為電信號。在本微型開光設計過程中選用與紅外發(fā)光二極管配套的光敏三極管。

　　當光電開關處于倒置狀態(tài)時， 如圖2（ b） 所示，小鋼球擋住透光孔， 隔斷光路， 光敏三極管輸出低電平； 當光電開關處于正置狀態(tài)時， 如圖2（ a） 所示，小鋼球不會擋光， 紅外光路導通， 光電三極管的發(fā)射極輸出脈沖信號， 此脈沖信號與驅動發(fā)光二極管的脈沖電壓信號頻率相同， 占空比相同。

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　　3  CPLD 控制模塊設計

　　復雜可編程邏輯器件CPLD 是從PAL、GAL基礎上發(fā)展起來的高密度PLD 器件， 它規(guī)模較大，可以代替幾十甚至上百通用IC 接口芯片。CPLD用于系統(tǒng)硬件設計中。不僅簡化電路設計， 而且可以節(jié)省電路開銷。

　　CPLD 控制模塊主要由受光電耦合電路控制的脈沖電壓發(fā)生電路、延時上電控制信號發(fā)生電路、時鐘電路和電源管理電路組成。

　　脈沖電壓發(fā)生電路和延時上電控制信號發(fā)生電路由CPLD 為主構成， CPLD 選用的是萊迪斯公司的型號為ispMA CH 4032ZE, ispMACH 4032ZE是1. 8 V 供電的低功耗器件， 采用球柵陣列封裝。

　　時鐘電路為CPLD 提供時鐘信號， 采用EpsonToy ocom 公司型號為SG3030LC 的晶體振蕩器， 輸出頻率是32 768Hz。

　　電源管理電路采用MAXIM 公司的型號為MAX6138 的集成電路芯片， 輸出1. 8 V 電壓， 給復雜可編程邏輯器件ispMACH 4032ZE 供電，MAX6138 集成電路芯片以及晶體振蕩器SG3030LC 的供電電源由與微型開關連接的存儲測試系統(tǒng)提供。時鐘電路及電源管理電路原理圖如圖3 示， CPLD 內部邏輯電路原理圖如圖4 示。

　　圖4 中CLK 是時鐘信號， CLRIN 是復位信號，U4~ U 8 均為硬件描述語言VHDL （ Very Highspeed Integr ated Circuit Hardw are DescriptionLanguage） 編寫的集成電路芯片。脈沖電壓發(fā)生電路由CPLD 的內部邏輯電路的12 位二進制異步計數(shù)器U 4、7 位二進制異步計數(shù)器U5、D 觸發(fā)器U7和非門U9 構成。脈沖電壓發(fā)生電路產(chǎn)生驅動紅外發(fā)光二極管的脈沖信號IR, 脈沖電壓的頻率是4Hz, 占空比為1：2 047, 將發(fā)光二極管的功耗減小到恒壓供電時的1/ 2 047。利用脈沖電壓驅動方式能夠降低紅外發(fā)光二極管的平均電流， 容許較大的峰值電流流過， 增加紅外發(fā)光二極管發(fā)射的紅外光的強度， 這就增加了該微型開關開/ 關狀態(tài)的穩(wěn)定性和可靠性并且降低功耗。

　　紅外發(fā)光二極管的工作電流有正向工作電流和峰值電流兩項， 其中正向工作電流是指采用直流恒定電流驅動方式時的平均工作電流， 峰值電流是指采用直流脈沖電流驅動方式時的峰值驅動電流。

　　紅外發(fā)光二極管的正向工作電流I _FP 與峰值電流I _P之間的關系是：

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　　式中T ₀ / T _d 為脈沖電流的空度比。空度比越大， 允許的峰值電流越大。為了增加紅外線的控制距離， 紅外發(fā)光二極管應工作于脈沖狀態(tài)。而脈動光（ 調制光） 的有效傳送距離與脈沖的峰值電流成正比， 因此只要盡量提高峰值電流I _P, 就能增加紅外光的發(fā)射距離。提高I _P 的方法， 是減小脈沖占空比， 即壓縮脈沖的寬度τ。但脈沖電流的空度比不能無限加大， 因為空度比過大時， 脈沖的寬度T _d 太窄， 紅外發(fā)光二極管還沒來得及響應脈沖電流就消失了， 不能保證控制的有效性。

　　實驗測得： 在供電電壓1. 8V 的條件下， 正向工作電流I_FP ≈92 uA, 因為空度比計算紅外發(fā)光二極管工作于脈沖狀態(tài)時的峰值電流。

　　從計算結果可以看出， 脈沖峰值電流較大， 從而使得發(fā)射率提高很多， 這樣就增加了該微型開關開/ 關狀態(tài)的穩(wěn)定性和可靠性。同時， 可以根據(jù)具體需要， 在保證可靠性的前提下， 設置較低點的峰值電流， 實現(xiàn)降低功耗的目的。

　　延時上電控制信號發(fā)生電路由CPLD 的內部邏輯電路的12 位二進制異步計數(shù)器U4、7 位二進制異步計數(shù)器U5~ U6、D 觸發(fā)器U 8 和與門U10構成。延時上電控制信號發(fā)生電路產(chǎn)生延時上電控制信號PON 給存儲測試系統(tǒng)， 利用延時上電控制信號的電平變化來控制測試系統(tǒng)從等待工作狀態(tài)進入全工作狀態(tài)。

　　4  倒置開關工作原理及時序仿真

　　當光電開關處于正置狀態(tài)時， 小鋼球不會擋光， 紅外光路導通， 光電三極管的發(fā)射極輸出脈沖信號， 此脈沖信號與驅動發(fā)光二極管的脈沖電壓信號頻率相同， 占空比相同， 內部信號CLR 一直給7位二進制異步計數(shù)器U6 清零， U 6 的輸出Q 為低電平， 延時上電控制信號PON 為低電平。

　　當光電開關處于倒置狀態(tài)時， 小鋼球擋住透光孔， 紅外光路被隔斷， 光敏三極管輸出低電平， 內部信號CLR 為低電平， 清零作用無效， 延時上電控制信號發(fā)生電路開始計時， 連續(xù)計時滿16 s 后延時上電控制信號PON 變?yōu)楦唠娖剑?該微型開關從“關”狀態(tài)進入“開”狀態(tài)， 利用延時上電控制信號的電平變化來控制測試系統(tǒng)從等待工作狀態(tài)進入全工作狀態(tài)。若小鋼球隔斷光路不能持續(xù)16 s 以上， 延時上電控制信號發(fā)生電路自動復位PON 輸出低電平， 該微型開關仍處于“關”狀態(tài)。

　　圖5 是光路導通時電路可編程邏輯器件ispMA CH 4032ZE 的內部邏輯電路圖的時序仿真圖， 圖6 和圖7 是圖5 中一個周期的局部放大圖， CLK 頻率是32 768 Hz, IR 信號周期是250 ms, 高電平時間是122us, 占空比1：2 047。圖8 是光路隔斷時的電路時序仿真圖， 光路隔斷后ID 為低電平， 16 s后信號PON 變?yōu)楦唠娖健?/font>