微型脉冲供电式光电倒置开关的检测系统

1.引言

存储测试系统是完成特殊环境下测试而设计的电子系统,它可在高温、高压、强冲击振动、高过载等恶劣环境下自动完成被测信息的实时采集与存储记忆。由于工作环境恶劣，要求测试系统具有微体积、微功耗、高可靠性等性能。例如在火炮膛压测试中，由中北大学研制的放入式电子测压器随弹药保高温（+55℃）或低温（-40℃）或常温（+20℃）达48小时，当弹药进行射击实验前将弹体向下姿态倒置，这时内部开关倒置使测压器上电工作，在火炮膛压测试结束后放入式电子测压器又自动转入数据保持状态维持低功耗，读出数据后自动断电，实现放入式电子测压器的微功耗。微型脉冲供电式光电倒置开关是放入式电子测压器实现低功耗的关键部件。但在试验中仍然存在由于倒置开关不能正常对放入式电子测压器上电控制而使火炮膛压测试试验失败的例子。针对上述问题，本文设计了微型脉冲供电式光电倒置开关信号的检测系统，通过倒置开关输出信号的特征分析，对倒置开关的可靠性进行考核。

2.微型脉冲供电式光电倒置开关

微型脉冲供电式光电倒置开关由光电控制模块和CPLD控制模块组成。光电控制模块包括红外发光二极管和光敏三极管，它们固定在同一个对光基线的壳体上，壳体的内腔中装有小钢球，红外发光二级管与光敏三极管之间形成光通路，小钢球对光通路的打开与隔断，实现了开关导通或者断开。

为了降低倒置接电开关的功耗，红外发光二极管靠CPLD控制模块脉冲驱动。倒置接电开关的CPLD控制模块主要由受光电耦合电路控制的脉冲电压发生电路、时钟电路和电源管理电路组成。

倒置开关的原理框图如图1所示。图中D1是红外发光二极管，Q1是光敏三极管，ID是微型脉冲供电式光电倒置开关信号。

3.微型脉冲供电式光电倒置开关信号的检测系统

3.1 ID信号的采样策略

微型脉冲供电式光电倒置开关正置时ID信号周期是250ms，高电平时间是122us，占空比为1∶2047；开关倒置时ID信号为0。开关正置时的输出信号ID波形示意图如图2所示。

想要完整准确的采样ID信号，需要很高的采样频率，才能保证不失真的获取窄脉冲的峰值，因而需要制定相应的采样策略。设定采样频率为250kHz，当信号ID的上升沿到来时，采样上升沿的前16个点及后48个点，将这64个点作为信号ID的一个完整的窄脉冲峰值信号存储在FIFO中。

3.2 ID信号检测系统组成

倒置开关输出的ID信号检测系统原理框图如图3所示，由AD转换器、FIFO1、FIFO2、外部静态存储器、高频晶振、CPLD控制电路模块、电源控制管理模块及串行通信接口组成，根据信号采集的需要，测试电路采用两片FIFO实现了双重负延迟功能。

等待外部光敏三极管对光信号触发，触发后系统开始循环采样光电控制模块输出信号ID，并将采集到的数据不断写入FIFO1中；当外部触发信号ID的上升沿到来时，将FIFO1中的数据导入FIFO2中，同时系统仍在不断采样信号ID；然后将FIFO2中的数据导入外部静态存储器，直到存储器设定容量存满，系统结束采集存储过程，等待数据从存储器中读出；系统接收到计算机读数命令时，开始发数，待数据传输完毕后，等待计算机再次发出读数命令；如果不需要再次读数，可以将系统复位或断电数据丢失。

4.CPLD控制电路设计

光电控制模块输出信号ID的测试电路以Altera公司低功耗、高性能的MAX7000B系列CPLD的EPM7128BTC100-4为核心控制部分，CPLD控制电路模块内部控制原理框图如图4所示。

当触发信号ID上升沿来之后，A/D进行采样，其采样的数据在FIFO1中不断循环的进行写入操作，之后让FIFO1和FIFO2推地址，再让FIFO1进行读操作且FIFO2进行写操作。之后FIFO2和静态存储器推地址，再让FIFO2进行读操作且静态存储器进行写操作，这样先将FIFO2中的数据导入存储器中，当存储器记满375K数据发出存储器计满信号，计算机发出读信号开始读取存储

5.实际测试

根据光电控制模块输出信号ID的采样策略，对于一个成功的倒置开关，ID有一个脉冲信号，下降沿后为低电平，直到上升沿来临后有两个脉冲信号。光电控制模块输出信号ID的波形图如图5所示。

从图5可以看出，当光路断开时倒置开关输出信号ID为零，小球能够很好的挡光。当倒置开关的光路导通时，信号ID为脉冲波形。

把图5中信号ID的脉冲峰值信号部分进行放大，得到如图6是倒置开关输出信号ID波形的高电平部分的双游标图及游标值。

从波形图和游标数值，可知光电控制模块输出信号ID波形高电平部分的时间Δx 是120us，与理论值122us相差无几，说明信号ID是满足设计要求的。

6.结论

本文根据微型脉冲供电式光电倒置开关的性能设计了倒置开关输出信号的检测系统。该检测系统由CPLD作为控制模块，控制A/D转换器的数据采集与存储器的存储。它可以在高温、常温和低温任意一个需要测试的环境中进行工作。检测系统还用到两片FIFO实现了双重负延迟功能，其设计思想也为窄脉冲信号的采集提供了参考。试验证明，该检测系统精确度高，能够满足倒置开关输出信号的采样频率，成功证明了倒置开关的微功耗和高可靠性。这也提出了可靠性试验考核的方法，但该检测系统只能实现一路信号的采集，可以进一步考虑用FPGA实现多个信号的采集工作。