針對存儲測試技術(shù)對測試系統(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、低功率損耗,、微小體積、延時功能和適用于批量生產(chǎn)的微型器件,， 其工作時不需要人為接觸操作,， 只需要將開關(guān)倒置， 就能實現(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)， 也是實現(xiàn)存儲測試系統(tǒng)微功耗的關(guān)鍵部件,， 實驗已取得預期的效果,。
在應(yīng)用存儲測試技術(shù)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(guān)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(jié)束后測試系統(tǒng)又自動轉(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,， 這樣可實現(xiàn)測試系統(tǒng)的微功耗。電源控制技術(shù)是存儲測試系統(tǒng)微功耗的關(guān)鍵技術(shù),， 而微型倒置開關(guān)是實現(xiàn)測試系統(tǒng)微功耗的關(guān)鍵部件,。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計及實現(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,， 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(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)動方式,。CPLD 控制模塊產(chǎn)生驅(qū)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(shè)計
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,。
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(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為電信號。在本微型開光設(shè)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(guān)" title="光電開關(guān)">光電開關(guān)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(guān)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(qū)動發(fā)光二極管的脈沖電壓信號頻率相同,， 占空比相同,。3 CPLD 控制模塊設(shè)計
復雜可編程邏輯器件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)計中,。不僅簡化電路設(shè)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" title="發(fā)生電路">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(gòu)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(guān)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(nèi)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(nèi)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(gòu)成,。脈沖電壓發(fā)生電路產(chǎn)生驅(qū)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(qū)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(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， 其中正向工作電流是指采用直流恒定電流驅(qū)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(qū)動方式時的峰值驅(qū)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(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(yīng)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IFP ≈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(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,， 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(nèi)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(gòu)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(guān)工作原理及時序仿真
當光電開關(guān)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(qū)動發(fā)光二極管的脈沖電壓信號頻率相同,， 占空比相同， 內(nèi)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(guān)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(nèi)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(guān)從“關(guān)”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(guān)仍處于“關(guān)”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(nèi)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?/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的緩沖材料， 提高了抗沖擊與抗振動的能力,。該微型倒置開關(guān)能夠在- 40 ~55℃ 的溫度范圍內(nèi)正常工作,， 能滿足存儲測試系統(tǒng)對耐高低溫的需求。
本文所設(shè)計的微型脈沖供電式光電倒置開關(guān)是實現(xiàn)存儲測試系統(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、抗振動和可靠性高等優(yōu)點,， 該微型開關(guān)適用于各種存儲測試系統(tǒng),， 值得提倡、采用和推廣使用,。