各種各樣的開關(guān)電器被應用在航空、航天、交通及一般工業(yè)或民用領(lǐng)域，比如微動開關(guān)、按鈕開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)、電源開關(guān)等。無論何種開關(guān)，都是常開觸頭和常閉觸頭的組合，這些觸頭被用來閉合或斷開電路。觸頭經(jīng)過一定時間的動作以后，會逐漸喪失正常的開閉功能，比如接觸不良、觸頭不動作等，因此任何開關(guān)都存在使用壽命。運用在一般工業(yè)及民用領(lǐng)域的開關(guān)電器，對開關(guān)的壽命沒有嚴格的要求，但如果開關(guān)被應用到航空、航天和交通等領(lǐng)域時，開關(guān)是否良好直接關(guān)系到飛機、輪船和汽車運行時的安全，所以必須對開關(guān)的壽命提出嚴格的要求，要求開關(guān)制造商標明開關(guān)的觸頭能正常開閉的次數(shù)，因此開關(guān)制造商在開關(guān)出廠前有必要對同一批號的產(chǎn)品進行抽查測試，以掌握開關(guān)的確切壽命。

1 開關(guān)壽命的人工測試方法

如圖1所示，開關(guān)壽命的傳統(tǒng)測試方法是，測試人員通過觀察指示燈的亮或滅來判斷觸頭的好壞。指示燈應有的亮或滅的狀態(tài)是：當開關(guān)未動作時，與常開觸頭相連的指示燈熄滅，與常閉觸頭相連的指示燈點亮；當開關(guān)動作時，與常開觸頭相連的指示燈點亮，與常閉觸頭相連的指示燈熄滅。如果某個指示燈的狀態(tài)未按要求變化，說明該指示燈對應的觸頭已壞。測試人員在測試時對開關(guān)的動作次數(shù)進行計數(shù)，當檢查到某個觸頭損壞時開關(guān)動作的次數(shù)就是開關(guān)的壽命。

開關(guān)的壽命一般要求能夠動作上萬次，有的甚至幾十萬次，用傳統(tǒng)的測試方法完成開關(guān)的測試至少存在以下兩點不足：一是測試效率極低，因為要使測試人員能正確觀察到多個指示燈（開關(guān)的觸頭一般有多個）狀態(tài)的變化，開關(guān)動作的速度就不能過快，測試壽命上萬次的開關(guān)需要的時間要幾個小時，測試壽命幾十萬次的開關(guān)需要的時間要以天來計算；二是多個指示燈長時間的快速亮滅極易損傷測試人員的眼睛。由于這些不足，開關(guān)的生產(chǎn)廠迫切需要開關(guān)壽命的自動測試系統(tǒng)來取代傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)。

2 開關(guān)壽命的自動測試原理

開關(guān)壽命自動測試的原理圖如圖2所示。當觸頭K1閉合時，A點的電位應是高電位，當K1斷開時，A點的電位應是低電位，因此圖中A、B、C、D和E點的電位指示和對應指示燈的作用一樣，可以用來指示觸頭的閉合或斷開。從電平的角度來看，當A點是高電位時，A點輸出高電平，指示K1閉合；當A點是低電位時，A點輸出低電平，指示K1斷開。因此，可以由數(shù)字量采集裝置采集A、B、C、D和E處的電平，將這些電平信號輸入到計算機中，由計算機中運行的專門程序判斷各點的電平是否按要求改變，進而判斷開關(guān)的觸頭是否正確斷開或閉合。

3 開關(guān)壽命測試儀的設計

3.1 測試儀的硬件設計

測試儀的硬件原理圖如圖3所示，包括開關(guān)負載箱、LPC2138CPU和TG12864液晶顯示模塊。

開關(guān)負載箱的功能是，模擬開關(guān)的工作環(huán)境，輸出能反映觸頭開閉狀態(tài)并能被LPC2138CPU芯片采集的開關(guān)量。由于不同類型的開關(guān)使用的環(huán)境不同，有的使用在直流環(huán)境中，有的使用在交流環(huán)境中，甚至有的開關(guān)使用在大電流環(huán)境中，因此為了真實反映開關(guān)的工作情況，不同的開關(guān)應使用不同的負載箱，但各種負載箱的電路原理都與圖2中虛線框部分相同。為減小干擾，在每個開關(guān)量信號的輸出端并聯(lián)一只104電容。

LPC2138CPU芯片是基于ARM的32位處理器，在本測試儀中處于核心地位，用于采集開關(guān)量數(shù)據(jù)、運用特定的算法判斷開關(guān)觸頭的好壞以及將測試結(jié)果輸出到液晶顯示模塊。由于開關(guān)的觸頭數(shù)一般不會超過32個，因此只將P0口配置成GPIO輸入口，用于采集32位開關(guān)量數(shù)據(jù)，而P1口被配置成GPIO輸出口，用于向液晶顯示模塊輸出控制信息和數(shù)據(jù)信息。

TG12864是128×64的液晶顯示模塊，該模塊與LPC2138CPU芯片的P1口接口，用于顯示開關(guān)的測試次數(shù)，當有觸點損壞時，還要顯示壞觸頭的序號及開關(guān)的壽命。

3.2 測試儀的軟件設計

測試儀軟件的關(guān)鍵技術(shù)是，在采集開關(guān)量數(shù)據(jù)后正確判斷開關(guān)的好壞和觸頭的好壞，因此設計測試儀軟件關(guān)鍵在于設計如何判斷開關(guān)好壞和觸頭好壞的算法以及如何實現(xiàn)算法。

（1）判斷開關(guān)好壞的算法

CPU的采集頻率要高于開關(guān)的動作頻率，前后兩次采集到的32位數(shù)據(jù)D0和D1可能是開關(guān)保持一個狀態(tài)時采集到的兩個數(shù)據(jù)，也可能是開關(guān)動作前后采集到的兩個數(shù)據(jù)。在開關(guān)完好的情況下，如果D0和D1是在開關(guān)保持一個狀態(tài)時采集到的，這兩個數(shù)據(jù)應該完全相等，它們異或的結(jié)果是0。如果D0和D1是在開關(guān)動作前后采集到的，這兩個數(shù)據(jù)的對應位應該相反，它們異或的結(jié)果是ffffffff。因此，開關(guān)完好時，D0和D1異或的結(jié)果只能是0和ffffffffh。如果結(jié)果不為0和ffffffffh，則表明開關(guān)已壞，但具體是哪些觸頭損壞，還需進一步判斷。

由上述方法，設計出以下判斷開關(guān)好壞的算法：

a.采集一個32位的開關(guān)量數(shù)據(jù)D0；

b.采集另一個32位的開關(guān)量數(shù)據(jù)D1；

c.求D0和D1的異或運算結(jié)果D2；

d.如果D2等于0，則各觸頭正常；

e.如果D2等于ffffffff，則各觸頭正常，開關(guān)的狀態(tài)已經(jīng)轉(zhuǎn)換，開關(guān)動作的次數(shù)增加1；

f.如果D2等于0到ffffffff之間的任何數(shù)，表示有觸頭損壞，開關(guān)的壽命等于到此時開關(guān)動作的次數(shù)。

（2）判斷觸頭損壞的算法

為了幫助工程技術(shù)人員查找問題，測試儀在測量出開關(guān)壽命的同時，還要能夠判斷出是哪些觸頭損壞，因此有必要設計一個判斷觸頭損壞的算法進一步判斷哪些觸頭損壞。方法如下，當異或運算結(jié)果不為0及ffffffffh時，必然某些二進制位為0，而另一些二進制位為1。從生產(chǎn)實踐得知，開關(guān)的觸頭很少一起損壞，一般是較少的幾個觸頭先損壞，這樣就可以通過比較為0的二進制位數(shù)與為1的二進制位數(shù)來決定哪些位對應的觸點損壞，比如，如果異或運算結(jié)果D2為“10000000011000000000000010000000”，則為0的位有28位，為1的位有4位，因此可以判定，為1的位對應的觸頭是壞觸頭，共有4個。由以上的方法得到下面判斷觸頭損壞的算法：

a.計算D2中為0的二進制位的位數(shù)N0；

b.計算D2中為1的二進制位的位數(shù)N1；

c.如果N0》N1，則為1的二進制位對應的觸頭是壞觸頭，共有N1個，否則為0的二進制位對應的觸頭是壞觸頭，共有N0個。

（3）軟件流程圖

根據(jù)以上的測試算法，可以設計出實現(xiàn)開關(guān)壽命測試及觸點好壞判斷的軟件流程圖，如圖4所示。count是開關(guān)壽命計數(shù)器變量，開關(guān)每正確動作一次，count增加1，開關(guān)損壞時count值就是開關(guān)的實際壽命。D0和D1是連續(xù)兩次采集的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

在本項目中，基于嵌入式技術(shù)來設計開關(guān)壽命測試儀的硬件，比采用工控機＋采集卡的方案節(jié)約成本，而且攜帶方便。通過使用專門的算法來實現(xiàn)開關(guān)壽命的測試，提高了測試效率和測試精度。在某航空集團的應用表明，該測試儀工作可靠、容易使用，適合在開關(guān)生產(chǎn)行業(yè)推廣應用。

創(chuàng)新觀點：本項目有兩點創(chuàng)新，一是基于嵌入式技術(shù)來設計開關(guān)壽命測試儀的硬件，比采用工控機＋采集卡的方案節(jié)約成本，而且便于攜帶；二是設計了專門的算法來判斷開關(guān)的好壞和識別壞觸頭，具有一定的獨到之處。