王 薇，張 瑜，祖 靜

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

0 引言

在火炮膛壓測(cè)試中，放入式電子測(cè)壓器作為存儲(chǔ)測(cè)壓裝置要置于彈藥筒中，并隨彈藥保溫長達(dá)十余小時(shí)［1－2］，中途無法手動(dòng)撥動(dòng)開關(guān)，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗，設(shè)計(jì)了倒置接電開關(guān)。在保溫過程中彈藥保持原姿態(tài)，此時(shí)倒置接電開關(guān)斷開；入膛前通過旋轉(zhuǎn)炮彈接通開關(guān)［3］，為測(cè)試系統(tǒng)上電。放入式電子測(cè)壓器多次在火炮膛壓測(cè)試中成功獲取數(shù)據(jù)［4］，但在試驗(yàn)中仍然存在由于倒置接電開關(guān)不能正常對(duì)測(cè)試系統(tǒng)上電控制而使測(cè)試試驗(yàn)失敗的例子。針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了微型脈沖供電式倒置接電開關(guān)的試驗(yàn)裝置。

1 微型脈沖供電式倒置接電開關(guān)

微型脈沖供電式倒置接電開關(guān)是放入式電子測(cè)壓器實(shí)現(xiàn)低功耗的關(guān)鍵部件［5］，它是基于重力對(duì)物體的影響，在水銀式、雙球式、干簧管和電容式倒置開關(guān)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的［6］。它由光電控制模塊與CPLD控制模塊組成。光電控制模塊包括紅外發(fā)光二極管和光敏三極管，它們固定在同一個(gè)對(duì)光基線的殼體上，殼體的內(nèi)腔中裝有小鋼球，紅外發(fā)光二級(jí)管與光敏三極管之間形成光通路，小鋼球?qū)馔返拇蜷_與隔斷，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)導(dǎo)通或者斷開［7］。為了降低倒置接電開關(guān)的功耗，紅外發(fā)光二極管靠CPLD控制模塊脈沖驅(qū)動(dòng)。倒置接電開關(guān)的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、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。

倒置接電開關(guān)的原理框圖如圖1所示。圖中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)，TEST是光發(fā)射－接收檢測(cè)信號(hào)。

圖1 微型脈沖供電式倒置接電開關(guān)原理框圖Fig.1 The theorical diagram of inversion connection switch

在測(cè)試試驗(yàn)中存在倒置接電開關(guān)無法正常對(duì)測(cè)壓器進(jìn)行上電的現(xiàn)象，因而需要對(duì)倒置接電開關(guān)進(jìn)行大約17h近千次的模擬倒置開關(guān)試驗(yàn)，測(cè)試倒置接電開關(guān)的信號(hào)參數(shù)。倒置接電開關(guān)的信號(hào)包括延時(shí)上電控制信號(hào)PON、光發(fā)射－接收檢測(cè)信號(hào)TEST和光敏三極管的輸出信號(hào)ID。

2 微型脈沖供電式倒置接電開關(guān)的可靠性試驗(yàn)裝置

2.1 倒置接電開關(guān)可靠性試驗(yàn)裝置的總體結(jié)構(gòu)

倒置接電開關(guān)可靠性試驗(yàn)裝置由小功率調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)安裝多個(gè)倒置接電開關(guān)的轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)模擬倒置接電開關(guān)的工作情況。它由小功率電機(jī)、轉(zhuǎn)筒、倒置接電開關(guān)及電路模塊組成，其中倒置接電開關(guān)安裝在轉(zhuǎn)筒上的固定孔上。裝置的結(jié)構(gòu)原理框圖如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)原理框圖Fig.2 The theorical diagram of the testing structure

2.2 倒置接電開關(guān)可靠性試驗(yàn)裝置的電路模塊

電路模塊是倒置接電開關(guān)可靠性試驗(yàn)裝置中的主體。它包括兩套子系統(tǒng)，分別由單片機(jī)和CPLD進(jìn)行采集，之后存儲(chǔ)在外部閃存內(nèi)，再傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。

2.2.1 開關(guān)延時(shí)上電控制信號(hào)PON測(cè)試電路和光發(fā)射－接收結(jié)構(gòu)檢測(cè)信號(hào)TEST測(cè)試電路

PON和TEST信號(hào)的測(cè)試電路主要由單片機(jī)組、電源管理電路和外部閃存等組成，其采樣頻率為5MHz。其原理框圖如圖3所示。

圖3 PON和TEST信號(hào)測(cè)試電路原理框圖Fig.3 The theorical diagram of PON and TEST signal circuitry

2.2.2 光電控制模塊輸出信號(hào)ID測(cè)試電路

ID信號(hào)的測(cè)試電路由模擬調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換器、外部靜態(tài)存儲(chǔ)器、CPLD控制電路模塊、電源控制管理模塊組成，其采樣頻率為250MHz。其原理框圖如圖4所示。

圖4 信號(hào)ID測(cè)試電路原理框圖Fig.4 The theorical diagram of ID signal circuitry

3 實(shí)際測(cè)試

倒置接電開關(guān)的可靠性試驗(yàn)裝置的測(cè)試通過數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)倒置接電開關(guān)信號(hào)進(jìn)行分析，從而驗(yàn)證裝置的可行性。本文將倒置接電開關(guān)置于高溫（55℃）、常溫（20℃）、低溫（－40℃）環(huán)境下經(jīng)過近千次倒置試驗(yàn)。

3.1 開關(guān)延時(shí)上電控制信號(hào)PON測(cè)試

對(duì)于一個(gè)成功的倒置接電開關(guān)，信號(hào)PON波形占空比應(yīng)是212.5／360，延時(shí)上電控制信號(hào)PON波形的雙游標(biāo)圖及游標(biāo)值的局部放大圖如圖5所示。

圖5 PON波形的雙游標(biāo)圖及游標(biāo)值Fig.5 Double cursor diagram and coordinate values of PON

在游標(biāo)的數(shù)值中，X代表采樣的時(shí)間，Y代表A／D采樣轉(zhuǎn)換的電壓值，ΔX表示雙游標(biāo)的橫坐標(biāo)差值，ΔY表示雙游標(biāo)的縱坐標(biāo)差值。由圖5可知開關(guān)工作一周整個(gè)延時(shí)上電控制信號(hào)PON波形的時(shí)間Δx1是62.0s，高電平部分的時(shí)間 Δx2是36.4s點(diǎn)，占空比是 Δx2／Δx1＝0.587 1，和理論上的占空比0.590 3是相差很小，基本是一致的。

3.2 光發(fā)射－接收結(jié)構(gòu)檢測(cè)信號(hào)TEST測(cè)試

對(duì)于一個(gè)成功的倒置接電開關(guān)，TEST信號(hào)波形的占空比都應(yīng)是251.5／360。TEST波形的雙游標(biāo)圖及游標(biāo)值的局部放大圖如圖6所示。

圖6 TEST波形的雙游標(biāo)圖及游標(biāo)值Fig.6 Double cursor diagram and coordinate values of TEST

由圖6可知開關(guān)工作一周整個(gè)光發(fā)射－接收結(jié)構(gòu)檢測(cè)信號(hào)TEST波形的時(shí)間Δx1是61s，信號(hào)TEST高電平部分的時(shí)間Δx2是43.2s，占空比是Δx2／Δx1＝0.708 2，和理論上的占空比0.698 6相差很小，基本是一致的。

3.3 光電控制模塊輸出信號(hào)ID測(cè)試

對(duì)于一個(gè)成功的倒置接電開關(guān)，光電控制模塊輸出信號(hào)ID高電平部分為122μs，其波形圖局部放大圖如圖7所示。

由圖7可以看出，信號(hào)ID波形高電平部分的時(shí)間是120μs，與理論值122μs相差無幾。

倒置接電開關(guān)試驗(yàn)裝置一次可以測(cè)試7個(gè)倒置接電開關(guān)，經(jīng)過984次的倒置試驗(yàn)，測(cè)試信號(hào)數(shù)據(jù)綜合分析成功比率判斷如圖8所示。

通過對(duì)裝置的各個(gè)通道采集的檢測(cè)信號(hào)，綜合分析來看其成功率在95%以上，可以認(rèn)為該裝置可以用于對(duì)倒置接電開關(guān)的檢測(cè)。但在測(cè)試過程中仍有約5%不成功，經(jīng)分析，主要是由倒置接電開關(guān)與檢測(cè)系統(tǒng)未連接造成的。

圖7 ID的波形圖Fig.7 Oscillogram of PON

圖8 數(shù)據(jù)綜合分析成功比率判斷窗口Fig.8 Success rate window of analyzing and judging datas

4 結(jié)論

本文根據(jù)倒置接電開關(guān)的性能設(shè)計(jì)了倒置接電開關(guān)的可靠性試驗(yàn)裝置。該裝置由小功率調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)多個(gè)倒置接電開關(guān)旋轉(zhuǎn)，測(cè)試電路包括兩套子系統(tǒng)，分別由單片機(jī)和CPLD進(jìn)行采集，之后存儲(chǔ)在外部閃存內(nèi)，再傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。測(cè)試與試驗(yàn)表明：該裝置在高溫、常溫和低溫任意一個(gè)需要測(cè)試的環(huán)境中連續(xù)工作17h，滿足倒置接電開關(guān)各信號(hào)不同的采樣頻率，測(cè)試信號(hào)的參數(shù)與理論相符，驗(yàn)證了倒置接電開關(guān)的可靠性，同時(shí)檢測(cè)倒置接電開關(guān)延時(shí)上電功能和紅外耦件耦合功能。但在該裝置中存在開關(guān)與檢測(cè)系統(tǒng)有未連接的情況而導(dǎo)致測(cè)試失敗，因而需要進(jìn)一步改進(jìn)。

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