針對存儲測試技術對測試系統低功耗的要求， 研制了微型脈沖供電式光電倒置開關。介紹了研制背景和意義， 闡述了設計過程及工作原理。此種開關是一種新型開關， 具有低電壓驅動、低功率損耗、微小體積、延時功能和適用于批量生產的微型器件， 其工作時不需要人為接觸操作， 只需要將開關倒置， 就能實現關、開狀態的單向轉換。該微型開關是電源控制技術的關鍵技術， 也是實現存儲測試系統微功耗的關鍵部件， 實驗已取得預期的效果。
在應用存儲測試技術進行現場測試時， 測試系統通常安裝在被測體上， 由于被測體所處的環境惡劣， 對測試系統提出了嚴格要求： 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的功耗。例如， 火炮膛壓測試是檢測火炮系統性能的重要手段， 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( 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( 電流小于6mA) , 在火炮膛壓測試結束后測試系統又自動轉入數據保持狀態， 維持低功耗， 讀出數據后立刻斷電， 這樣可實現測試系統的微功耗。電源控制技術是存儲測試系統微功耗的關鍵技術， 而微型倒置開關是實現測試系統微功耗的關鍵部件。
1 系統總體設計及實現
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光二極管采用脈沖驅動方式。CPLD 控制模塊產生驅動紅外發光二極管的脈沖電壓信號， 同時產生延時上電控制信號控制存儲測試系統的工作狀態。
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射-接收結構組成。光電耦合電路由紅外發光二極管、光敏三極管及限流電阻組成。光發射-接收結構內部是錐體結構， 外部是T 型結構， 小鋼球置于光發射-接收結構的內部， 小鋼球在其內部能自由活動。
光發射-接收結構的外壁上設置有透光孔， 紅外發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， 紅外光發射與接收的方式采用直射式， 如圖2所示。
紅外發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點。紅外發光二極管作為發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光二極管配套的光敏三極管。
當光電開關" title="光電開關">光電開關處于倒置狀態時， 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， 光電三極管的發射極輸出脈沖信號， 此脈沖信號與驅動發光二極管的脈沖電壓信號頻率相同， 占空比相同。3 CPLD 控制模塊設計
復雜可編程邏輯器件CPLD 是從PAL、GAL基礎上發展起來的高密度PLD 器件， 它規模較大，可以代替幾十甚至上百通用IC 接口芯片。CPLD用于系統硬件設計中。不僅簡化電路設計， 而且可以節省電路開銷。
CPLD 控制模塊主要由受光電耦合電路控制的脈沖電壓發生電路" title="發生電路">發生電路、延時上電控制信號發生電路、時鐘電路和電源管理電路組成。
脈沖電壓發生電路和延時上電控制信號發生電路由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。脈沖電壓發生電路由CPLD 的內部邏輯電路的12 位二進制異步計數器U 4、7 位二進制異步計數器U5、D 觸發器U7和非門U9 構成。脈沖電壓發生電路產生驅動紅外發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， 增加紅外發光二極管發射的紅外光的強度， 這就增加了該微型開關開/ 關狀態的穩定性和可靠性并且降低功耗。
紅外發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：
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， 紅外發光二極管應工作于脈沖狀態。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IFP ≈92 uA, 因為空度比
計算紅外發光二極管工作于脈沖狀態時的峰值電流
。
從計算結果可以看出， 脈沖峰值電流較大， 從而使得發射率提高很多， 這樣就增加了該微型開關開/ 關狀態的穩定性和可靠性。同時， 可以根據具體需要， 在保證可靠性的前提下， 設置較低點的峰值電流， 實現降低功耗的目的。
延時上電控制信號發生電路由CPLD 的內部邏輯電路的12 位二進制異步計數器U4、7 位二進制異步計數器U5~ U6、D 觸發器U 8 和與門U10構成。延時上電控制信號發生電路產生延時上電控制信號PON 給存儲測試系統， 利用延時上電控制信號的電平變化來控制測試系統從等待工作狀態進入全工作狀態。
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時， 小鋼球不會擋光， 紅外光路導通， 光電三極管的發射極輸出脈沖信號， 此脈沖信號與驅動發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生電路開始計時， 連續計時滿16 s 后延時上電控制信號PON 變為高電平， 該微型開關從“關”狀態進入“開”狀態， 利用延時上電控制信號的電平變化來控制測試系統從等待工作狀態進入全工作狀態。若小鋼球隔斷光路不能持續16 s 以上， 延時上電控制信號發生電路自動復位PON 輸出低電平， 該微型開關仍處于“關”狀態。
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 變為高電平。
5 結束語
該微型倒置開關的殼體與開關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。該微型倒置開關能夠在- 40 ~55℃ 的溫度范圍內正常工作， 能滿足存儲測試系統對耐高低溫的需求。
本文所設計的微型脈沖供電式光電倒置開關是實現存儲測試系統微功耗的關鍵部件， 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點， 該微型開關適用于各種存儲測試系統， 值得提倡、采用和推廣使用。