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， 研制了微型脈沖供電式光電倒置開關(guān)。介紹了研制背景和意義， 闡述了設(shè)計(jì)過程及工作原理。此種開關(guān)是一種新型開關(guān)， 具有低電壓驅(qū)動(dòng)、低功率損耗、微小體積、延時(shí)功能和適用于批量生產(chǎn)的微型器件， 其工作時(shí)不需要人為接觸操作， 只需要將開關(guān)倒置， 就能實(shí)現(xiàn)關(guān)、開狀態(tài)的單向轉(zhuǎn)換。該微型開關(guān)是電源控制技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)， 也是實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)微功耗的關(guān)鍵部件， 實(shí)驗(yàn)已取得預(yù)期的效果。
在應(yīng)用存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)， 測(cè)試系統(tǒng)通常安裝在被測(cè)體上， 由于被測(cè)體所處的環(huán)境惡劣， 對(duì)測(cè)試系統(tǒng)提出了嚴(yán)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(dòng)等。微體積的要求使得存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)電源的體積要求極為苛刻， 為此要盡可能地降低整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的功耗。例如， 火炮膛壓測(cè)試是檢測(cè)火炮系統(tǒng)性能的重要手段， 中北大學(xué)研制的放入式電子測(cè)壓器在測(cè)量火炮膛壓時(shí)， 必須隨彈藥保高溫( + 55 ℃) 或低溫( - 40℃) 或常溫( + 20℃) 達(dá)48 h, 放入式電子測(cè)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(cè)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(shí)彈射擊試驗(yàn)前通過某種微型倒置開關(guān)使電子測(cè)壓器進(jìn)入全工作狀態(tài)( 電流小于6mA) , 在火炮膛壓測(cè)試結(jié)束后測(cè)試系統(tǒng)又自動(dòng)轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的微功耗。電源控制技術(shù)是存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)微功耗的關(guān)鍵技術(shù)， 而微型倒置開關(guān)是實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)微功耗的關(guān)鍵部件。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
微型脈沖供電式光電倒置開關(guān)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(hào)， ID 是光敏三極管的輸出信號(hào)， PON 是延時(shí)上電控制信號(hào)。為了降低光電倒置開關(guān)的功耗， 光電控制模塊的紅外發(fā)光二極管采用脈沖驅(qū)動(dòng)方式。CPLD 控制模塊產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管的脈沖電壓信號(hào)， 同時(shí)產(chǎn)生延時(shí)上電控制信號(hào)控制存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的工作狀態(tài)。
2 光電控制模塊設(shè)計(jì)
光電控制模塊主要由光電耦合電路及光發(fā)射-接收結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)內(nèi)部是錐體結(jié)構(gòu)， 外部是T 型結(jié)構(gòu)， 小鋼球置于光發(fā)射-接收結(jié)構(gòu)的內(nèi)部， 小鋼球在其內(nèi)部能自由活動(dòng)。
光發(fā)射-接收結(jié)構(gòu)的外壁上設(shè)置有透光孔， 紅外發(fā)光二極管和光電三極管光路" title="光路">光路對(duì)準(zhǔn)相對(duì)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(yīng)速度快、抗干擾能力和可靠耐用等優(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， 接收到紅外光信號(hào)再將紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在本微型開光設(shè)計(jì)過程中選用與紅外發(fā)光二極管配套的光敏三極管。
當(dāng)光電開關(guān)" title="光電開關(guān)">光電開關(guān)處于倒置狀態(tài)時(shí)， 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(dāng)光電開關(guān)處于正置狀態(tài)時(shí)， 如圖2( a) 所示，小鋼球不會(huì)擋光， 紅外光路導(dǎo)通， 光電三極管的發(fā)射極輸出脈沖信號(hào)， 此脈沖信號(hào)與驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管的脈沖電壓信號(hào)頻率相同， 占空比相同。3 CPLD 控制模塊設(shè)計(jì)
復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD 是從PAL、GAL基礎(chǔ)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(shè)計(jì)中。不僅簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)， 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" title="發(fā)生電路">發(fā)生電路、延時(shí)上電控制信號(hào)發(fā)生電路、時(shí)鐘電路和電源管理電路組成。
脈沖電壓發(fā)生電路和延時(shí)上電控制信號(hào)發(fā)生電路由CPLD 為主構(gòu)成， CPLD 選用的是萊迪斯公司的型號(hào)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(shí)鐘電路為CPLD 提供時(shí)鐘信號(hào)， 采用EpsonToy ocom 公司型號(hào)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(hào)為MAX6138 的集成電路芯片， 輸出1. 8 V 電壓， 給復(fù)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(guān)連接的存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)提供。時(shí)鐘電路及電源管理電路原理圖如圖3 示， CPLD 內(nèi)部邏輯電路原理圖如圖4 示。
圖4 中CLK 是時(shí)鐘信號(hào)， CLRIN 是復(fù)位信號(hào)，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(nèi)部邏輯電路的12 位二進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器U 4、7 位二進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器U5、D 觸發(fā)器U7和非門U9 構(gòu)成。脈沖電壓發(fā)生電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管的脈沖信號(hào)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(shí)的1/ 2 047。利用脈沖電壓驅(qū)動(dòng)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(qiáng)度， 這就增加了該微型開關(guān)開/ 關(guān)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(xiàng)， 其中正向工作電流是指采用直流恒定電流驅(qū)動(dòng)方式時(shí)的平均工作電流， 峰值電流是指采用直流脈沖電流驅(qū)動(dòng)方式時(shí)的峰值驅(qū)動(dòng)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(guān)系是：
式中T 0 / T d 為脈沖電流的空度比?？斩缺仍酱?， 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(yīng)工作于脈沖狀態(tài)。而脈動(dòng)光( 調(diào)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?yàn)榭斩缺冗^大時(shí)， 脈沖的寬度T d 太窄， 紅外發(fā)光二極管還沒來得及響應(yīng)脈沖電流就消失了， 不能保證控制的有效性。
實(shí)驗(yàn)測(cè)得： 在供電電壓1. 8V 的條件下， 正向工作電流IFP ≈92 uA, 因?yàn)榭斩缺?/p>
計(jì)算紅外發(fā)光二極管工作于脈沖狀態(tài)時(shí)的峰值電流
。
從計(jì)算結(jié)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(guān)開/ 關(guān)狀態(tài)的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)， 可以根據(jù)具體需要， 在保證可靠性的前提下， 設(shè)置較低點(diǎn)的峰值電流， 實(shí)現(xiàn)降低功耗的目的。
延時(shí)上電控制信號(hào)發(fā)生電路由CPLD 的內(nèi)部邏輯電路的12 位二進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器U4、7 位二進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器U5~ U6、D 觸發(fā)器U 8 和與門U10構(gòu)成。延時(shí)上電控制信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生延時(shí)上電控制信號(hào)PON 給存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)， 利用延時(shí)上電控制信號(hào)的電平變化來控制測(cè)試系統(tǒng)從等待工作狀態(tài)進(jìn)入全工作狀態(tài)。
4 倒置開關(guān)工作原理及時(shí)序仿真
當(dāng)光電開關(guān)處于正置狀態(tài)時(shí)， 小鋼球不會(huì)擋光， 紅外光路導(dǎo)通， 光電三極管的發(fā)射極輸出脈沖信號(hào)， 此脈沖信號(hào)與驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管的脈沖電壓信號(hào)頻率相同， 占空比相同， 內(nèi)部信號(hào)CLR 一直給7位二進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器U6 清零， U 6 的輸出Q 為低電平， 延時(shí)上電控制信號(hào)PON 為低電平。
當(dāng)光電開關(guān)處于倒置狀態(tài)時(shí)， 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(nèi)部信號(hào)CLR 為低電平， 清零作用無效， 延時(shí)上電控制信號(hào)發(fā)生電路開始計(jì)時(shí)， 連續(xù)計(jì)時(shí)滿16 s 后延時(shí)上電控制信號(hào)PON 變?yōu)楦唠娖剑?該微型開關(guān)從“關(guān)”狀態(tài)進(jìn)入“開”狀態(tài)， 利用延時(shí)上電控制信號(hào)的電平變化來控制測(cè)試系統(tǒng)從等待工作狀態(tài)進(jìn)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(shí)上電控制信號(hào)發(fā)生電路自動(dòng)復(fù)位PON 輸出低電平， 該微型開關(guān)仍處于“關(guān)”狀態(tài)。
圖5 是光路導(dǎo)通時(shí)電路可編程邏輯器件ispMA CH 4032ZE 的內(nèi)部邏輯電路圖的時(shí)序仿真圖， 圖6 和圖7 是圖5 中一個(gè)周期的局部放大圖， CLK 頻率是32 768 Hz, IR 信號(hào)周期是250 ms, 高電平時(shí)間是122us, 占空比1：2 047。圖8 是光路隔斷時(shí)的電路時(shí)序仿真圖， 光路隔斷后ID 為低電平， 16 s后信號(hào)PON 變?yōu)楦唠娖健?/p>
5 結(jié)束語
該微型倒置開關(guān)的殼體與開關(guān)各模塊之間填充有抗沖擊與振動(dòng)的緩沖材料， 提高了抗沖擊與抗振動(dòng)的能力。該微型倒置開關(guān)能夠在- 40 ~55℃ 的溫度范圍內(nèi)正常工作， 能滿足存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)耐高低溫的需求。
本文所設(shè)計(jì)的微型脈沖供電式光電倒置開關(guān)是實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)微功耗的關(guān)鍵部件， 具有微體積、微功耗、耐高低溫、抗高沖擊、抗振動(dòng)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)， 該微型開關(guān)適用于各種存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)， 值得提倡、采用和推廣使用。