引言

存儲測試系統(tǒng)的上電方式是一個非常重要的環(huán)節(jié)。許多測試都是在保溫一定時間后進行的，而測試裝置都是在保溫前放到被測物體中，這就要求在保溫過程中使測試裝置的功耗降到最低，倒置開關(guān)的作用就是在物體保溫的過程中測試系統(tǒng)不工作，而在測試前通過倒置開關(guān)使測試系統(tǒng)上電工作，從而達到低功耗，使測試系統(tǒng)在工作時能正常運行。

倒置開關(guān)是存儲測試系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它的可靠性決定了存儲測試系統(tǒng)的可靠性，直接關(guān)系整個實驗的成敗。

本文研究了一種光電倒置開關(guān)，并設(shè)計一套完整的可靠性檢測系統(tǒng)，有效分析了光電倒置開關(guān)的可靠性。

1 光電倒置開關(guān)

1.1 光電倒置開關(guān)的組成

光電倒置開關(guān)是由一個發(fā)射管和一個接收管安裝固定在同一個對光基線的殼體上，在殼體的內(nèi)腔中裝有小鋼球，外部由電路模塊做出響應(yīng)，這3 部分被封裝在同一個小體積的機械筒體內(nèi)。光電倒置開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 光電倒置開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

紅外發(fā)光二極管具有能耗小，響應(yīng)速度快，抗干擾能力、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。

1.2 光電倒置開關(guān)的工作過程

當光電倒置開關(guān)接通電源后，發(fā)射二極管開始發(fā)出紅外線，當小鋼球沒有擋住發(fā)射管的光線，接收三極管接受到光，輸出有效信號。此信號通過電路轉(zhuǎn)換部分將電平拉高，從而使開關(guān)導(dǎo)通；隨著倒置過程的開始，小鋼球跌落，擋住發(fā)射二極管的光線，接收三極管接收不到光，從而開關(guān)斷開。

1.3 光電倒置開關(guān)的波形理論

機械殼體對于光電倒置開關(guān)來說是最為重要的部分，殼體的內(nèi)腔具有兩個錐度腔，根據(jù)機械殼體的結(jié)構(gòu)，光電倒置開關(guān)倒置一周（旋轉(zhuǎn)360°）的工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換情況如圖2 所示。

圖2 中心線旋轉(zhuǎn)一周開關(guān)狀態(tài)的角度圖

根據(jù)上述，可以得出在光電倒置開關(guān)工作一個周期的波形圖。波形示意圖如圖3 所示。從光電倒置開關(guān)工作的理論波形圖可以看出，一個開關(guān)工作一個周期（旋轉(zhuǎn)倒置360°）的理想占空比是251.5/360，這就是光電倒置開關(guān)檢測系統(tǒng)的測試信號的特性，也為驗證檢測系統(tǒng)的準確性提供了依據(jù)。

圖3 光電倒置開關(guān)工作一個周期的波形圖

2 光電倒置開關(guān)檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

光電倒置開關(guān)的檢測系統(tǒng)是由小功率調(diào)速電機、固定光電倒置開關(guān)和電路模塊的轉(zhuǎn)筒以及電路模塊所組成的。圖4 是檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖，該圖表明了各部分之間的關(guān)系。

圖4 檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

當系統(tǒng)裝配好后，接上電源進入低功耗態(tài)；在小功率電機的旋轉(zhuǎn)過程中，當檢測系統(tǒng)的光敏三極管感應(yīng)到發(fā)光二極管發(fā)出的光時，檢測系統(tǒng)被觸發(fā)，系統(tǒng)開始循環(huán)采樣并把轉(zhuǎn)換的結(jié)果存儲到外部Flash中；當Flash 內(nèi)的數(shù)據(jù)達到設(shè)計的存儲容量時，系統(tǒng)停止采樣檢測系統(tǒng)進入等待讀出態(tài)。

2.2 波形分析程序設(shè)計

從檢測系統(tǒng)Flash 中讀出的數(shù)據(jù)可以在上位機中，由VB 6.0 設(shè)計的軟面板顯示成波形圖，同時對波形做更進一步的處理，判斷每個光電倒置開關(guān)的成功比率，以此檢測其可靠性。

由圖5 的正弦波形圖可以看出，在一個周期（-π ，π ）內(nèi)，波形單調(diào)升或者單調(diào)降各一次。

由于一個周期內(nèi)只有一次單調(diào)升，于是可以得到這樣一個算法：

假設(shè)正弦波由n 個點組成，每一個點都有對應(yīng)正弦波上的一個值發(fā)f（n）。在（-1,1）之間隨意取一個值A(chǔ)，當且僅當f（n）A 時，認為此時的波形處于上升階段，算作一個周期，其他的情況全部忽略。這樣，可以判斷在一組正弦波中有多少個周期。

圖5 正弦波形圖

同理，這個算法也可以應(yīng)用到檢測系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)分析的軟件設(shè)計上。由前述的波形理論可知，光電倒置開關(guān)工作一個周期的波形，單調(diào)升或者單調(diào)降只有一次，完全符合上述算法。

波形分析程序設(shè)計流程圖如圖6 所示。

圖6 波形分析程序設(shè)計流程圖

3 光電倒置開關(guān)的性能檢測及可靠性分析

3.1 正常波形分析

對于一個完好的光電倒置開關(guān)，不論是在常溫、高溫環(huán)境下，還是低溫環(huán)境下，所采集的波形應(yīng)是已知的，都是占空比是251.5/360 的波形，正常波形如圖7 所示。

圖7 正常波形圖

分析波形圖可以得出：

占空比是Δx2/ Δx1 ＝ 0.6961，和理論上的占空比251.5/360 ＝ 0.6986 是相差很小，基本一致的。

根據(jù)TI 公司提供的ADC12 內(nèi)核的轉(zhuǎn)換公式：

可得，電壓約為1.92V，和實際的2V 相差0.08V。

3.2 異常波形分析

在實際的開關(guān)檢測系統(tǒng)所得大量實驗數(shù)據(jù)中，不可能每一個開關(guān)的波形都和理想的波形一致，總會出現(xiàn)異常的數(shù)據(jù)，引起這些異常數(shù)據(jù)的原因也是多樣的。

1）異常波形如圖8，9 所示。

圖8 異常波形1

圖9 異常波形2

出現(xiàn)這種情況的原因可能是：對光孔和小錐度腔相貫處有毛刺。在相貫處有毛刺，就會在倒置過程中，對小鋼球有阻擋或者粘滯的影響。

2）開關(guān)的輸出信號一直為0，無輸出。

出現(xiàn)這種情況的原因可能是：（a）光電倒置開關(guān)和檢測系統(tǒng)未連接；（b）在長時間的低溫保持環(huán)境下，開關(guān)內(nèi)腔內(nèi)可能存在的水氣凝固在開關(guān)內(nèi)腔壁上，形成霜，在低溫下，把小鋼球和機械殼體粘結(jié)在一起，擋住了對光孔。

3.3 成功比率分析

檢測系統(tǒng)的軟件部分波形判斷窗口如圖10 所示。

依據(jù)成功比率，可以選出可靠性較高的光電倒置開關(guān)用于存儲測試裝置。

圖10 檢測系統(tǒng)波形判斷窗口

4 結(jié)束語

光電倒置開關(guān)是新概念動態(tài)測試技術(shù)的基礎(chǔ)上的一種低電壓驅(qū)動、低功率損耗、微小體積開關(guān)器件，其中光電部分利用紅外系統(tǒng)，具有抗干擾性強，響應(yīng)速度快等特點。根據(jù)實際應(yīng)用中的倒置開關(guān)的可靠性的要求，通過檢測系統(tǒng)對開關(guān)的檢測，分析其可靠性，可靠性越高，開關(guān)工作的越穩(wěn)定，從而使應(yīng)用開關(guān)的系統(tǒng)或者設(shè)備性能更加穩(wěn)定。