一種切換開關性能快速檢測系統的設計與研究

周 丹

（上海航鎧電子科技有限公司，上海 201514）

1 檢測原理

檢測原理如圖1 所示。該檢測系統通過功能切換可以實現阻抗測量及載流能力測試2 種功能。當功能切換至阻抗測量時（微歐計R），檢測系統對開關2、3 或2、1 觸點進行阻抗檢測，同時可以監測開關撥動狀態的變化。當功能切換至載流能力測試時（Power&負載），內部負載將電流注入開關觸點兩端，對開關2、3 或2、1 觸點進行載流能力檢測。由于該系統中使用的是電子負載，所以可以對不同特性和載流能力不同的多類型開關進行自由配置，測試方便、快捷。

圖1 檢測原理框圖

2 系統架構

系統原理如圖2 所示。該系統由主控系統、采集模塊、電子負載模塊、阻抗測量模塊及繼電器切換模塊等組成。被測開關通過測試接口將開關觸點信號接入繼電器切換模塊，繼電器切換模塊將觸點信號接入電子負載模塊或阻抗測量模塊。采集模塊通過電子負載模塊或阻抗測量模塊采集測試數據，再將測試數據轉換上報至主控系統。主控系統將數據進行校準、轉換及計算后將最終結果通過人機交互系統展示。

圖2 系統原理框圖

主控系統用于采集數據處理，進行數據計算，校準，提供給上位機平臺將檢測界面于人機交互設備顯示。

采集模塊用于測量數據模擬量采集，采用高速ADC，將采集數據上報至主控系統。電子負載模塊用于替代傳統電子負載，實現對開關觸點的帶載能力測試。阻抗測試模塊用于替代傳統微歐計，采用開爾文四線連接方式實現對開關觸點的接觸電阻的測量。繼電器切換模塊用于對載流測試及阻抗測試的切換。由于測試特性不同，不能對開關同時加注2 種不同的測量模式，因此需要通過繼電器模塊進行測量模式切換。

3 模塊介紹

3.1 主控系統

主控系統用于安裝上位機軟件對采集數據進行校準，通過算法計算開關切換時間，同時給人機交互系統提供可視化界面。

采用標準工業嵌入式3.5＂單板計算機，如研華MIO3.5寸系列單板等同類型產品。使用該類產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，板載內存，抗振強固，可以搭載目前主流的CPU 處理器以及操作系統。同時也具有性價比較好的產品方案，可應對環境惡劣及工業級嚴苛應用的需求，為軍工、交通和自動化等應用提供可靠保證。

3.2 電子負載模塊

3.2.1 負載原理框圖

負載原理如圖3 所示。電子負載模塊通過MCU 總線控制DAC 輸出芯片來控制恒流源驅動輸出給開關觸點進行載流測試，同時通過電流芯片將加載的實時電流參數上報至采集模塊進行監測。

圖3 負載原理框圖

3.2.2 工業應用范例

恒流源電路如圖4 所示，負載電路中電流的調整使用大功率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，也可以很好地實現電壓近似線性地控制輸出電流。因為當MOS 管工作于飽和區時，漏電流Id接近為電壓Ugs控制的電流。即Ud為常數時，滿足Id=f（Ugs），因為Ugs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小）。運放作為電壓跟隨器，UI=Up=Un，MOS 管Id=Is，因此Io=Is=Un/RL=UI/RL。正因為Io=UI/RL，所以該電路中輸入電壓UI控制電流Io，即Io不隨被測電阻的變化而變化，實現了壓控恒流[1]。

圖4 中AO為單片機控制DAC 芯片輸出模擬量，用于控制加載電流大小；繼電器用于加載控制；運放以及MOS管組成恒流源電路；Rload 用于限流保護；B340AE-13 二極管用于防護短路；霍爾芯片用于將實際加載電流上報至采集模塊進行監控。

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進行控制命令通信，并對恒流源進行控制及加載。使用AD5676 數模轉換芯片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，設計轉換比例為1 ∶1。當DAC 輸出1V 時，恒流源輸出電流即為1A，因此理論輸出加載電流誤差應不超過1.5mA。

3.3 阻抗測試模塊

3.3.1 阻抗測量原理框圖

阻抗測量原理如圖5 所示。被測開關觸點通過阻抗測量電路將電阻值轉換為模擬量信號，并通過采集模塊進行采集。采集模塊將測量參數上報至主控系統，主控系統將模擬量參數進行還原及校準阻抗值。

圖5 阻抗測量原理

阻抗測量電路通過開爾文四線測量原理對開關觸點阻抗進行測量，將測量值輸出值采集模塊上報至主控系統。主控系統通過上位機軟件對測量數據進行轉換后得到實際阻抗值，同時可以利用標準計量器具對系統內部阻抗進行測量，使用上位機系統內部阻抗進行校準清零處理，進而得到更準確的阻抗數據。

3.3.2 工業應用范例

開爾文四線測量原理如圖6 所示。需要測量電阻R 時，可通過單獨的電流源施加取樣電流，再通過另外的電壓測量單元進行測試。

圖6 開爾文四線測量原理

對一個恒流源來說，Rl電阻與測量電阻是串聯的，互相不產生影響，所以可以保證通過電阻R 的電流為恒流源加載的電流。對測量電壓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。此時通過Rl的電流很小，即Rl兩端的電壓差很小，所以測量的電壓就接近或等于電阻兩端的實際電壓[2]。

應用范例原理如圖7 所示。在該電路中，利用運放ADA4665 與MOS 管STP140N8D7 形成1 個125mA 的恒流源。將恒流源注入被測電阻的Rload的RI端。由于注入電流不會發生變化，因此被測電阻的變化會改變RY端的電壓，對RY 端的電壓進行采集就可以得到被測電阻的阻抗大小。

圖7 應用范例原理圖

3.4 采集模塊

采集模塊用于對電子負載加載電流參數進行監控，對阻抗數據進行采集以及上報數據給主控系統進行切換時間的計算。

采用標準工業AD 數字化儀，如NI、阿爾泰和凌華等廠家的標準數據采集卡。ADC 分辨率需要16 位（bit），采樣率須達到1MS/s 以上。

切換時間計算如下：

采集模塊可以同時多個通道的數據，實時監測每個通道上的數據變化。當切換開關在檔位切換時，采集的數據會發生瞬間變化。上位機可以使用采集模塊上的數據變化對開關的切換時間進行實時計算。

如采樣率1MS/s 的ADC 通道，1s 中可以采集100000個數據點，每個數據點的間隔為1μs，則理論上切換時間的采集精度就可達±1μs。具體原理如圖8 所示。

圖8 切換時間測量原理示例

上位機得到實時檢測CH0及CH1兩個通道的數據情況，當開關從CH0 通道切換至CH1 時，CH0 通道的數據會從高電平轉換為低電平，CH1 通道的數據會從低電平轉換為高電平。當按下按鈕或撥動開關時，2 個金屬部件會接觸以短路電源。但它們不會立即連接，金屬部件在實際穩定連接之前會連接和斷開幾次。釋放按鈕或開關時也會發生同樣的事情。這會導致誤觸發或多次觸發，例如多次按下按鈕。這就像一個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。

在該系統中不對該抖動現象進行硬件處理，保留T2、T3的抖動時間記錄，作為對開關性能測試的一部分參考參數。但是判斷切換時間T1 時，需要在軟件中針對不同種類的開關設置固定延時，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發送控制命令給模塊單片機MCU，MCU 接收控制命令后通過I/O 接口輸入驅動芯片驅動繼電器進行切換。

圖9 繼電器模塊原理框圖

3.5.2 工業應用范例

該模塊的繼電器控制電路及單板程序均可以借鑒3.2 節電子負載模塊中的控制加載電路應用。使用相同的主控芯片及驅動電路，當模式切換時也可以使用相同的通信協議，只是操作模式切換時，主控系統控制繼電器模塊的所有繼電器同時動作即可。

模式切換原理如圖10 所示。繼電器在常閉觸點時為載流測試模式，當繼電器接收到切換命令后切換至常開觸點，則進入阻抗測量模式。

圖10 模式切換原理

該設備各模塊均為標準3U 插槽式板卡設計，可以通過增加或減少阻抗測量模塊、電子負載模塊及繼電器切換模塊的數量來決定設備的測量規模。同時設備充分考慮了環境適應性、可靠性、維修性、安全性和運輸性等要求，采用標準化、模塊化、小型化和輕量化等先進設計理念。使用人機交互一體式便攜式設計，可適用于如產品生產現場、環境試驗中心、外場試驗以及維修、維護現場等各類應用場景。

4 結論

該系統可以快速并同時檢測開關的切換狀態、觸點阻抗、觸點載流能力及檔位切換時間，大大簡化了操作步驟，有效提高了檢測效率。該系統可以運行于更廣泛的領域，如工業設備、航空、航天和地鐵交通等。

該設備已交付多個飛機維修廠，對機載燈具控制盒類產品進行維修檢測。在便捷性方面的改進可以讓該設備更快更及時地對開關類產品進行快速檢測，在開關性能測試上達到了業內領先水平。