各種各樣的開關(guān)電器被應(yīng)用在航空、航天、交通及一般工業(yè)或民用領(lǐng)域，比如微動(dòng)開關(guān)、按鈕開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)、電源開關(guān)等。無論何種開關(guān)，都是常開觸頭和常閉觸頭的組合，這些觸頭被用來閉合或斷開電路。觸頭經(jīng)過一定時(shí)間的動(dòng)作以后，會(huì)逐漸喪失正常的開閉功能，比如接觸不良、觸頭不動(dòng)作等，因此任何開關(guān)都存在使用壽命。運(yùn)用在一般工業(yè)及民用領(lǐng)域的開關(guān)電器，對(duì)開關(guān)的壽命沒有嚴(yán)格的要求，但如果開關(guān)被應(yīng)用到航空、航天和交通等領(lǐng)域時(shí)，開關(guān)是否良好直接關(guān)系到飛機(jī)、輪船和汽車運(yùn)行時(shí)的安全，所以必須對(duì)開關(guān)的壽命提出嚴(yán)格的要求，要求開關(guān)制造商標(biāo)明開關(guān)的觸頭能正常開閉的次數(shù)，因此開關(guān)制造商在開關(guān)出廠前有必要對(duì)同一批號(hào)的產(chǎn)品進(jìn)行抽查測(cè)試，以掌握開關(guān)的確切壽命。

1 開關(guān)壽命的人工測(cè)試方法

如圖1所示，開關(guān)壽命的傳統(tǒng)測(cè)試方法是，測(cè)試人員通過觀察指示燈的亮或滅來判斷觸頭的好壞。指示燈應(yīng)有的亮或滅的狀態(tài)是：當(dāng)開關(guān)未動(dòng)作時(shí)，與常開觸頭相連的指示燈熄滅，與常閉觸頭相連的指示燈點(diǎn)亮；當(dāng)開關(guān)動(dòng)作時(shí)，與常開觸頭相連的指示燈點(diǎn)亮，與常閉觸頭相連的指示燈熄滅。如果某個(gè)指示燈的狀態(tài)未按要求變化，說明該指示燈對(duì)應(yīng)的觸頭已壞。測(cè)試人員在測(cè)試時(shí)對(duì)開關(guān)的動(dòng)作次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)檢查到某個(gè)觸頭損壞時(shí)開關(guān)動(dòng)作的次數(shù)就是開關(guān)的壽命。

開關(guān)的壽命一般要求能夠動(dòng)作上萬次，有的甚至幾十萬次，用傳統(tǒng)的測(cè)試方法完成開關(guān)的測(cè)試至少存在以下兩點(diǎn)不足：一是測(cè)試效率極低，因?yàn)橐箿y(cè)試人員能正確觀察到多個(gè)指示燈（開關(guān)的觸頭一般有多個(gè)）狀態(tài)的變化，開關(guān)動(dòng)作的速度就不能過快，測(cè)試壽命上萬次的開關(guān)需要的時(shí)間要幾個(gè)小時(shí)，測(cè)試壽命幾十萬次的開關(guān)需要的時(shí)間要以天來計(jì)算；二是多個(gè)指示燈長(zhǎng)時(shí)間的快速亮滅極易損傷測(cè)試人員的眼睛。由于這些不足，開關(guān)的生產(chǎn)廠迫切需要開關(guān)壽命的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)來取代傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)。

2 開關(guān)壽命的自動(dòng)測(cè)試原理

開關(guān)壽命自動(dòng)測(cè)試的原理圖如圖2所示。當(dāng)觸頭K1閉合時(shí)，A點(diǎn)的電位應(yīng)是高電位，當(dāng)K1斷開時(shí)，A點(diǎn)的電位應(yīng)是低電位，因此圖中A、B、C、D和E點(diǎn)的電位指示和對(duì)應(yīng)指示燈的作用一樣，可以用來指示觸頭的閉合或斷開。從電平的角度來看，當(dāng)A點(diǎn)是高電位時(shí)，A點(diǎn)輸出高電平，指示K1閉合；當(dāng)A點(diǎn)是低電位時(shí)，A點(diǎn)輸出低電平，指示K1斷開。因此，可以由數(shù)字量采集裝置采集A、B、C、D和E處的電平，將這些電平信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)中，由計(jì)算機(jī)中運(yùn)行的專門程序判斷各點(diǎn)的電平是否按要求改變，進(jìn)而判斷開關(guān)的觸頭是否正確斷開或閉合。

3 開關(guān)壽命測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)試儀的硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試儀的硬件原理圖如圖3所示，包括開關(guān)負(fù)載箱、LPC2138CPU和TG12864液晶顯示模塊。

開關(guān)負(fù)載箱的功能是，模擬開關(guān)的工作環(huán)境，輸出能反映觸頭開閉狀態(tài)并能被LPC2138CPU芯片采集的開關(guān)量。由于不同類型的開關(guān)使用的環(huán)境不同，有的使用在直流環(huán)境中，有的使用在交流環(huán)境中，甚至有的開關(guān)使用在大電流環(huán)境中，因此為了真實(shí)反映開關(guān)的工作情況，不同的開關(guān)應(yīng)使用不同的負(fù)載箱，但各種負(fù)載箱的電路原理都與圖2中虛線框部分相同。為減小干擾，在每個(gè)開關(guān)量信號(hào)的輸出端并聯(lián)一只104電容。

LPC2138CPU芯片是基于ARM的32位處理器，在本測(cè)試儀中處于核心地位，用于采集開關(guān)量數(shù)據(jù)、運(yùn)用特定的算法判斷開關(guān)觸頭的好壞以及將測(cè)試結(jié)果輸出到液晶顯示模塊。由于開關(guān)的觸頭數(shù)一般不會(huì)超過32個(gè)，因此只將P0口配置成GPIO輸入口，用于采集32位開關(guān)量數(shù)據(jù)，而P1口被配置成GPIO輸出口，用于向液晶顯示模塊輸出控制信息和數(shù)據(jù)信息。

TG12864是128×64的液晶顯示模塊，該模塊與LPC2138CPU芯片的P1口接口，用于顯示開關(guān)的測(cè)試次數(shù)，當(dāng)有觸點(diǎn)損壞時(shí)，還要顯示壞觸頭的序號(hào)及開關(guān)的壽命。

3.2 測(cè)試儀的軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試儀軟件的關(guān)鍵技術(shù)是，在采集開關(guān)量數(shù)據(jù)后正確判斷開關(guān)的好壞和觸頭的好壞，因此設(shè)計(jì)測(cè)試儀軟件關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)如何判斷開關(guān)好壞和觸頭好壞的算法以及如何實(shí)現(xiàn)算法。

（1）判斷開關(guān)好壞的算法

CPU的采集頻率要高于開關(guān)的動(dòng)作頻率，前后兩次采集到的32位數(shù)據(jù)D0和D1可能是開關(guān)保持一個(gè)狀態(tài)時(shí)采集到的兩個(gè)數(shù)據(jù)，也可能是開關(guān)動(dòng)作前后采集到的兩個(gè)數(shù)據(jù)。在開關(guān)完好的情況下，如果D0和D1是在開關(guān)保持一個(gè)狀態(tài)時(shí)采集到的，這兩個(gè)數(shù)據(jù)應(yīng)該完全相等，它們異或的結(jié)果是0。如果D0和D1是在開關(guān)動(dòng)作前后采集到的，這兩個(gè)數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)位應(yīng)該相反，它們異或的結(jié)果是ffffffff。因此，開關(guān)完好時(shí)，D0和D1異或的結(jié)果只能是0和ffffffffh。如果結(jié)果不為0和ffffffffh，則表明開關(guān)已壞，但具體是哪些觸頭損壞，還需進(jìn)一步判斷。

由上述方法，設(shè)計(jì)出以下判斷開關(guān)好壞的算法：

a.采集一個(gè)32位的開關(guān)量數(shù)據(jù)D0；

b.采集另一個(gè)32位的開關(guān)量數(shù)據(jù)D1；

c.求D0和D1的異或運(yùn)算結(jié)果D2；

d.如果D2等于0，則各觸頭正常；

e.如果D2等于ffffffff，則各觸頭正常，開關(guān)的狀態(tài)已經(jīng)轉(zhuǎn)換，開關(guān)動(dòng)作的次數(shù)增加1；

f.如果D2等于0到ffffffff之間的任何數(shù)，表示有觸頭損壞，開關(guān)的壽命等于到此時(shí)開關(guān)動(dòng)作的次數(shù)。

（2）判斷觸頭損壞的算法

為了幫助工程技術(shù)人員查找問題，測(cè)試儀在測(cè)量出開關(guān)壽命的同時(shí)，還要能夠判斷出是哪些觸頭損壞，因此有必要設(shè)計(jì)一個(gè)判斷觸頭損壞的算法進(jìn)一步判斷哪些觸頭損壞。方法如下，當(dāng)異或運(yùn)算結(jié)果不為0及ffffffffh時(shí)，必然某些二進(jìn)制位為0，而另一些二進(jìn)制位為1。從生產(chǎn)實(shí)踐得知，開關(guān)的觸頭很少一起損壞，一般是較少的幾個(gè)觸頭先損壞，這樣就可以通過比較為0的二進(jìn)制位數(shù)與為1的二進(jìn)制位數(shù)來決定哪些位對(duì)應(yīng)的觸點(diǎn)損壞，比如，如果異或運(yùn)算結(jié)果D2為“10000000011000000000000010000000”，則為0的位有28位，為1的位有4位，因此可以判定，為1的位對(duì)應(yīng)的觸頭是壞觸頭，共有4個(gè)。由以上的方法得到下面判斷觸頭損壞的算法：

a.計(jì)算D2中為0的二進(jìn)制位的位數(shù)N0；

b.計(jì)算D2中為1的二進(jìn)制位的位數(shù)N1；

c.如果N0》N1，則為1的二進(jìn)制位對(duì)應(yīng)的觸頭是壞觸頭，共有N1個(gè)，否則為0的二進(jìn)制位對(duì)應(yīng)的觸頭是壞觸頭，共有N0個(gè)。

（3）軟件流程圖

根據(jù)以上的測(cè)試算法，可以設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)開關(guān)壽命測(cè)試及觸點(diǎn)好壞判斷的軟件流程圖，如圖4所示。count是開關(guān)壽命計(jì)數(shù)器變量，開關(guān)每正確動(dòng)作一次，count增加1，開關(guān)損壞時(shí)count值就是開關(guān)的實(shí)際壽命。D0和D1是連續(xù)兩次采集的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

在本項(xiàng)目中，基于嵌入式技術(shù)來設(shè)計(jì)開關(guān)壽命測(cè)試儀的硬件，比采用工控機(jī)＋采集卡的方案節(jié)約成本，而且攜帶方便。通過使用專門的算法來實(shí)現(xiàn)開關(guān)壽命的測(cè)試，提高了測(cè)試效率和測(cè)試精度。在某航空集團(tuán)的應(yīng)用表明，該測(cè)試儀工作可靠、容易使用，適合在開關(guān)生產(chǎn)行業(yè)推廣應(yīng)用。

創(chuàng)新觀點(diǎn)：本項(xiàng)目有兩點(diǎn)創(chuàng)新，一是基于嵌入式技術(shù)來設(shè)計(jì)開關(guān)壽命測(cè)試儀的硬件，比采用工控機(jī)＋采集卡的方案節(jié)約成本，而且便于攜帶；二是設(shè)計(jì)了專門的算法來判斷開關(guān)的好壞和識(shí)別壞觸頭，具有一定的獨(dú)到之處。