一種切換開關(guān)性能快速檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

周 丹

（上海航鎧電子科技有限公司，上海 201514）

1 檢測(cè)原理

檢測(cè)原理如圖1 所示。該檢測(cè)系統(tǒng)通過功能切換可以實(shí)現(xiàn)阻抗測(cè)量及載流能力測(cè)試2 種功能。當(dāng)功能切換至阻抗測(cè)量時(shí)（微歐計(jì)R），檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)開關(guān)2、3 或2、1 觸點(diǎn)進(jìn)行阻抗檢測(cè)，同時(shí)可以監(jiān)測(cè)開關(guān)撥動(dòng)狀態(tài)的變化。當(dāng)功能切換至載流能力測(cè)試時(shí)（Power&負(fù)載），內(nèi)部負(fù)載將電流注入開關(guān)觸點(diǎn)兩端，對(duì)開關(guān)2、3 或2、1 觸點(diǎn)進(jìn)行載流能力檢測(cè)。由于該系統(tǒng)中使用的是電子負(fù)載，所以可以對(duì)不同特性和載流能力不同的多類型開關(guān)進(jìn)行自由配置，測(cè)試方便、快捷。

圖1 檢測(cè)原理框圖

2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)原理如圖2 所示。該系統(tǒng)由主控系統(tǒng)、采集模塊、電子負(fù)載模塊、阻抗測(cè)量模塊及繼電器切換模塊等組成。被測(cè)開關(guān)通過測(cè)試接口將開關(guān)觸點(diǎn)信號(hào)接入繼電器切換模塊，繼電器切換模塊將觸點(diǎn)信號(hào)接入電子負(fù)載模塊或阻抗測(cè)量模塊。采集模塊通過電子負(fù)載模塊或阻抗測(cè)量模塊采集測(cè)試數(shù)據(jù)，再將測(cè)試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換上報(bào)至主控系統(tǒng)。主控系統(tǒng)將數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)、轉(zhuǎn)換及計(jì)算后將最終結(jié)果通過人機(jī)交互系統(tǒng)展示。

圖2 系統(tǒng)原理框圖

主控系統(tǒng)用于采集數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，校準(zhǔn)，提供給上位機(jī)平臺(tái)將檢測(cè)界面于人機(jī)交互設(shè)備顯示。

采集模塊用于測(cè)量數(shù)據(jù)模擬量采集，采用高速ADC，將采集數(shù)據(jù)上報(bào)至主控系統(tǒng)。電子負(fù)載模塊用于替代傳統(tǒng)電子負(fù)載，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)觸點(diǎn)的帶載能力測(cè)試。阻抗測(cè)試模塊用于替代傳統(tǒng)微歐計(jì)，采用開爾文四線連接方式實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)觸點(diǎn)的接觸電阻的測(cè)量。繼電器切換模塊用于對(duì)載流測(cè)試及阻抗測(cè)試的切換。由于測(cè)試特性不同，不能對(duì)開關(guān)同時(shí)加注2 種不同的測(cè)量模式，因此需要通過繼電器模塊進(jìn)行測(cè)量模式切換。

3 模塊介紹

3.1 主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)用于安裝上位機(jī)軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，通過算法計(jì)算開關(guān)切換時(shí)間，同時(shí)給人機(jī)交互系統(tǒng)提供可視化界面。

采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)嵌入式3.5＂單板計(jì)算機(jī)，如研華MIO3.5寸系列單板等同類型產(chǎn)品。使用該類產(chǎn)品可以大大提高便攜性且體積小，能提供豐富I/O，支持寬溫寬壓，板載內(nèi)存，抗振強(qiáng)固，可以搭載目前主流的CPU 處理器以及操作系統(tǒng)。同時(shí)也具有性價(jià)比較好的產(chǎn)品方案，可應(yīng)對(duì)環(huán)境惡劣及工業(yè)級(jí)嚴(yán)苛應(yīng)用的需求，為軍工、交通和自動(dòng)化等應(yīng)用提供可靠保證。

3.2 電子負(fù)載模塊

3.2.1 負(fù)載原理框圖

負(fù)載原理如圖3 所示。電子負(fù)載模塊通過MCU 總線控制DAC 輸出芯片來控制恒流源驅(qū)動(dòng)輸出給開關(guān)觸點(diǎn)進(jìn)行載流測(cè)試，同時(shí)通過電流芯片將加載的實(shí)時(shí)電流參數(shù)上報(bào)至采集模塊進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖3 負(fù)載原理框圖

3.2.2 工業(yè)應(yīng)用范例

恒流源電路如圖4 所示，負(fù)載電路中電流的調(diào)整使用大功率MOS 管。使用MOS 管更有利于電壓線性控制輸出電流，既可以使輸出電流滿足加載電流值的要求，也可以很好地實(shí)現(xiàn)電壓近似線性地控制輸出電流。因?yàn)楫?dāng)MOS 管工作于飽和區(qū)時(shí)，漏電流Id接近為電壓Ugs控制的電流。即Ud為常數(shù)時(shí)，滿足Id=f（Ugs），因?yàn)閁gs不變，所以Id就不變。因此在該電路中，RL為采樣電阻，采用康銅絲（使用康銅絲是因其溫度漂移量很?。＿\(yùn)放作為電壓跟隨器，UI=Up=Un，MOS 管Id=Is，因此Io=Is=Un/RL=UI/RL。正因?yàn)镮o=UI/RL，所以該電路中輸入電壓UI控制電流Io，即Io不隨被測(cè)電阻的變化而變化，實(shí)現(xiàn)了壓控恒流[1]。

圖4 中AO為單片機(jī)控制DAC 芯片輸出模擬量，用于控制加載電流大?。焕^電器用于加載控制；運(yùn)放以及MOS管組成恒流源電路；Rload 用于限流保護(hù)；B340AE-13 二極管用于防護(hù)短路；霍爾芯片用于將實(shí)際加載電流上報(bào)至采集模塊進(jìn)行監(jiān)控。

圖4 恒流源電路

MCU 選用常見的STM32 系列作為控制主單元與上位機(jī)進(jìn)行控制命令通信，并對(duì)恒流源進(jìn)行控制及加載。使用AD5676 數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC 作為模擬量控制芯片，該芯片輸出為16 位，輸出偏移量位±1.5mV，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換比例為1 ∶1。當(dāng)DAC 輸出1V 時(shí)，恒流源輸出電流即為1A，因此理論輸出加載電流誤差應(yīng)不超過1.5mA。

3.3 阻抗測(cè)試模塊

3.3.1 阻抗測(cè)量原理框圖

阻抗測(cè)量原理如圖5 所示。被測(cè)開關(guān)觸點(diǎn)通過阻抗測(cè)量電路將電阻值轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)，并通過采集模塊進(jìn)行采集。采集模塊將測(cè)量參數(shù)上報(bào)至主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)將模擬量參數(shù)進(jìn)行還原及校準(zhǔn)阻抗值。

圖5 阻抗測(cè)量原理

阻抗測(cè)量電路通過開爾文四線測(cè)量原理對(duì)開關(guān)觸點(diǎn)阻抗進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量值輸出值采集模塊上報(bào)至主控系統(tǒng)。主控系統(tǒng)通過上位機(jī)軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后得到實(shí)際阻抗值，同時(shí)可以利用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部阻抗進(jìn)行測(cè)量，使用上位機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部阻抗進(jìn)行校準(zhǔn)清零處理，進(jìn)而得到更準(zhǔn)確的阻抗數(shù)據(jù)。

3.3.2 工業(yè)應(yīng)用范例

開爾文四線測(cè)量原理如圖6 所示。需要測(cè)量電阻R 時(shí)，可通過單獨(dú)的電流源施加取樣電流，再通過另外的電壓測(cè)量單元進(jìn)行測(cè)試。

圖6 開爾文四線測(cè)量原理

對(duì)一個(gè)恒流源來說，Rl電阻與測(cè)量電阻是串聯(lián)的，互相不產(chǎn)生影響，所以可以保證通過電阻R 的電流為恒流源加載的電流。對(duì)測(cè)量電壓U來說，通常輸入端都是高阻抗輸入，一般為兆歐姆甚至更高。此時(shí)通過Rl的電流很小，即Rl兩端的電壓差很小，所以測(cè)量的電壓就接近或等于電阻兩端的實(shí)際電壓[2]。

應(yīng)用范例原理如圖7 所示。在該電路中，利用運(yùn)放ADA4665 與MOS 管STP140N8D7 形成1 個(gè)125mA 的恒流源。將恒流源注入被測(cè)電阻的Rload的RI端。由于注入電流不會(huì)發(fā)生變化，因此被測(cè)電阻的變化會(huì)改變RY端的電壓，對(duì)RY 端的電壓進(jìn)行采集就可以得到被測(cè)電阻的阻抗大小。

圖7 應(yīng)用范例原理圖

3.4 采集模塊

采集模塊用于對(duì)電子負(fù)載加載電流參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)阻抗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集以及上報(bào)數(shù)據(jù)給主控系統(tǒng)進(jìn)行切換時(shí)間的計(jì)算。

采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)AD 數(shù)字化儀，如NI、阿爾泰和凌華等廠家的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集卡。ADC 分辨率需要16 位（bit），采樣率須達(dá)到1MS/s 以上。

切換時(shí)間計(jì)算如下：

采集模塊可以同時(shí)多個(gè)通道的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)通道上的數(shù)據(jù)變化。當(dāng)切換開關(guān)在檔位切換時(shí)，采集的數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生瞬間變化。上位機(jī)可以使用采集模塊上的數(shù)據(jù)變化對(duì)開關(guān)的切換時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算。

如采樣率1MS/s 的ADC 通道，1s 中可以采集100000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的間隔為1μs，則理論上切換時(shí)間的采集精度就可達(dá)±1μs。具體原理如圖8 所示。

圖8 切換時(shí)間測(cè)量原理示例

上位機(jī)得到實(shí)時(shí)檢測(cè)CH0及CH1兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)情況，當(dāng)開關(guān)從CH0 通道切換至CH1 時(shí)，CH0 通道的數(shù)據(jù)會(huì)從高電平轉(zhuǎn)換為低電平，CH1 通道的數(shù)據(jù)會(huì)從低電平轉(zhuǎn)換為高電平。當(dāng)按下按鈕或撥動(dòng)開關(guān)時(shí)，2 個(gè)金屬部件會(huì)接觸以短路電源。但它們不會(huì)立即連接，金屬部件在實(shí)際穩(wěn)定連接之前會(huì)連接和斷開幾次。釋放按鈕或開關(guān)時(shí)也會(huì)發(fā)生同樣的事情。這會(huì)導(dǎo)致誤觸發(fā)或多次觸發(fā)，例如多次按下按鈕。這就像一個(gè)彈跳的球從高處落下，它一直在表面彈跳，直到它靜止，這就形成了T2、T3的波形抖動(dòng)。

在該系統(tǒng)中不對(duì)該抖動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行硬件處理，保留T2、T3的抖動(dòng)時(shí)間記錄，作為對(duì)開關(guān)性能測(cè)試的一部分參考參數(shù)。但是判斷切換時(shí)間T1 時(shí)，需要在軟件中針對(duì)不同種類的開關(guān)設(shè)置固定延時(shí)，做消抖處理。

3.5 繼電器切換模塊

3.5.1 繼電器模塊原理框圖

繼電器模塊原理如圖9 所示。繼電器模塊通過主控系統(tǒng)發(fā)送控制命令給模塊單片機(jī)MCU，MCU 接收控制命令后通過I/O 接口輸入驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)繼電器進(jìn)行切換。

圖9 繼電器模塊原理框圖

3.5.2 工業(yè)應(yīng)用范例

該模塊的繼電器控制電路及單板程序均可以借鑒3.2 節(jié)電子負(fù)載模塊中的控制加載電路應(yīng)用。使用相同的主控芯片及驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)模式切換時(shí)也可以使用相同的通信協(xié)議，只是操作模式切換時(shí)，主控系統(tǒng)控制繼電器模塊的所有繼電器同時(shí)動(dòng)作即可。

模式切換原理如圖10 所示。繼電器在常閉觸點(diǎn)時(shí)為載流測(cè)試模式，當(dāng)繼電器接收到切換命令后切換至常開觸點(diǎn)，則進(jìn)入阻抗測(cè)量模式。

圖10 模式切換原理

該設(shè)備各模塊均為標(biāo)準(zhǔn)3U 插槽式板卡設(shè)計(jì)，可以通過增加或減少阻抗測(cè)量模塊、電子負(fù)載模塊及繼電器切換模塊的數(shù)量來決定設(shè)備的測(cè)量規(guī)模。同時(shí)設(shè)備充分考慮了環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、維修性、安全性和運(yùn)輸性等要求，采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、小型化和輕量化等先進(jìn)設(shè)計(jì)理念。使用人機(jī)交互一體式便攜式設(shè)計(jì)，可適用于如產(chǎn)品生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、環(huán)境試驗(yàn)中心、外場(chǎng)試驗(yàn)以及維修、維護(hù)現(xiàn)場(chǎng)等各類應(yīng)用場(chǎng)景。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)可以快速并同時(shí)檢測(cè)開關(guān)的切換狀態(tài)、觸點(diǎn)阻抗、觸點(diǎn)載流能力及檔位切換時(shí)間，大大簡(jiǎn)化了操作步驟，有效提高了檢測(cè)效率。該系統(tǒng)可以運(yùn)行于更廣泛的領(lǐng)域，如工業(yè)設(shè)備、航空、航天和地鐵交通等。

該設(shè)備已交付多個(gè)飛機(jī)維修廠，對(duì)機(jī)載燈具控制盒類產(chǎn)品進(jìn)行維修檢測(cè)。在便捷性方面的改進(jìn)可以讓該設(shè)備更快更及時(shí)地對(duì)開關(guān)類產(chǎn)品進(jìn)行快速檢測(cè)，在開關(guān)性能測(cè)試上達(dá)到了業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平。