引言

存儲測試系統的上電方式是一個非常重要的環節。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，倒置開關的作用就是在物體保溫的過程中測試系統不工作，而在測試前通過倒置開關使測試系統上電工作，從而達到低功耗，使測試系統在工作時能正常運行。

倒置開關是存儲測試系統的關鍵部件，它的可靠性決定了存儲測試系統的可靠性，直接關系整個實驗的成敗。

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

1 光電倒置開關

1.1 光電倒置開關的組成

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

圖1 光電倒置開關結構圖

紅外發光二極管具有能耗小，響應速度快，抗干擾能力、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。

1.2 光電倒置開關的工作過程

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

1.3 光電倒置開關的波形理論

機械殼體對于光電倒置開關來說是最為重要的部分，殼體的內腔具有兩個錐度腔，根據機械殼體的結構，光電倒置開關倒置一周（旋轉360°）的工作狀態的轉換情況如圖2 所示。

圖2 中心線旋轉一周開關狀態的角度圖

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

圖3 光電倒置開關工作一個周期的波形圖

2 光電倒置開關檢測系統設計

2.1 檢測系統的總體結構

光電倒置開關的檢測系統是由小功率調速電機、固定光電倒置開關和電路模塊的轉筒以及電路模塊所組成的。圖4 是檢測系統的總體結構框圖，該圖表明了各部分之間的關系。

圖4 檢測系統的總體結構框圖

當系統裝配好后，接上電源進入低功耗態；在小功率電機的旋轉過程中，當檢測系統的光敏三極管感應到發光二極管發出的光時，檢測系統被觸發，系統開始循環采樣并把轉換的結果存儲到外部Flash中；當Flash 內的數據達到設計的存儲容量時，系統停止采樣檢測系統進入等待讀出態。

2.2 波形分析程序設計

從檢測系統Flash 中讀出的數據可以在上位機中，由VB 6.0 設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，波形單調升或者單調降各一次。

由于一個周期內只有一次單調升，于是可以得到這樣一個算法：

假設正弦波由n 個點組成，每一個點都有對應正弦波上的一個值發f（n）。在（-1,1）之間隨意取一個值A，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，這個算法也可以應用到檢測系統采集到的數據分析的軟件設計上。由前述的波形理論可知，光電倒置開關工作一個周期的波形，單調升或者單調降只有一次，完全符合上述算法。

波形分析程序設計流程圖如圖6 所示。

圖6 波形分析程序設計流程圖

3 光電倒置開關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，不論是在常溫、高溫環境下，還是低溫環境下，所采集的波形應是已知的，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TI 公司提供的ADC12 內核的轉換公式：

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

在實際的開關檢測系統所得大量實驗數據中，不可能每一個開關的波形都和理想的波形一致，總會出現異常的數據，引起這些異常數據的原因也是多樣的。

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）開關的輸出信號一直為0，無輸出。

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

3.3 成功比率分析

檢測系統的軟件部分波形判斷窗口如圖10 所示。

依據成功比率，可以選出可靠性較高的光電倒置開關用于存儲測試裝置。

圖10 檢測系統波形判斷窗口

4 結束語

光電倒置開關是新概念動態測試技術的基礎上的一種低電壓驅動、低功率損耗、微小體積開關器件，其中光電部分利用紅外系統，具有抗干擾性強，響應速度快等特點。根據實際應用中的倒置開關的可靠性的要求，通過檢測系統對開關的檢測，分析其可靠性，可靠性越高，開關工作的越穩定，從而使應用開關的系統或者設備性能更加穩定。