各種各樣的開關電器被應用在航空、航天、交通及一般工業或民用領域，比如微動開關、按鈕開關、轉換開關、電源開關等。無論何種開關，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，因此任何開關都存在使用壽命。運用在一般工業及民用領域的開關電器，對開關的壽命沒有嚴格的要求，但如果開關被應用到航空、航天和交通等領域時，開關是否良好直接關系到飛機、輪船和汽車運行時的安全，所以必須對開關的壽命提出嚴格的要求，要求開關制造商標明開關的觸頭能正常開閉的次數，因此開關制造商在開關出廠前有必要對同一批號的產品進行抽查測試，以掌握開關的確切壽命。

1 開關壽命的人工測試方法

如圖1所示，開關壽命的傳統測試方法是，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是：當開關未動作時，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的動作次數進行計數，當檢查到某個觸頭損壞時開關動作的次數就是開關的壽命。

開關的壽命一般要求能夠動作上萬次，有的甚至幾十萬次，用傳統的測試方法完成開關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（開關的觸頭一般有多個）狀態的變化，開關動作的速度就不能過快，測試壽命上萬次的開關需要的時間要幾個小時，測試壽命幾十萬次的開關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，開關的生產廠迫切需要開關壽命的自動測試系統來取代傳統的測試系統。

2 開關壽命的自動測試原理

開關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，進而判斷開關的觸頭是否正確斷開或閉合。

3 開關壽命測試儀的設計

3.1 測試儀的硬件設計

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

開關負載箱的功能是，模擬開關的工作環境，輸出能反映觸頭開閉狀態并能被LPC2138CPU芯片采集的開關量。由于不同類型的開關使用的環境不同，有的使用在直流環境中，有的使用在交流環境中，甚至有的開關使用在大電流環境中，因此為了真實反映開關的工作情況，不同的開關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，在每個開關量信號的輸出端并聯一只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，用于采集開關量數據、運用特定的算法判斷開關觸頭的好壞以及將測試結果輸出到液晶顯示模塊。由于開關的觸頭數一般不會超過32個，因此只將P0口配置成GPIO輸入口，用于采集32位開關量數據，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據信息。

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

3.2 測試儀的軟件設計

測試儀軟件的關鍵技術是，在采集開關量數據后正確判斷開關的好壞和觸頭的好壞，因此設計測試儀軟件關鍵在于設計如何判斷開關好壞和觸頭好壞的算法以及如何實現算法。

（1）判斷開關好壞的算法

CPU的采集頻率要高于開關的動作頻率，前后兩次采集到的32位數據D0和D1可能是開關保持一個狀態時采集到的兩個數據，也可能是開關動作前后采集到的兩個數據。在開關完好的情況下，如果D0和D1是在開關保持一個狀態時采集到的，這兩個數據應該完全相等，它們異或的結果是0。如果D0和D1是在開關動作前后采集到的，這兩個數據的對應位應該相反，它們異或的結果是ffffffff。因此，開關完好時，D0和D1異或的結果只能是0和ffffffffh。如果結果不為0和ffffffffh，則表明開關已壞，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好壞的算法：

a.采集一個32位的開關量數據D0；

b.采集另一個32位的開關量數據D1；

c.求D0和D1的異或運算結果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，開關的狀態已經轉換，開關動作的次數增加1；

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

（2）判斷觸頭損壞的算法

為了幫助工程技術人員查找問題，測試儀在測量出開關壽命的同時，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。從生產實踐得知，開關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的二進制位數與為1的二進制位數來決定哪些位對應的觸點損壞，比如，如果異或運算結果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N0；

b.計算D2中為1的二進制位的位數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

根據以上的測試算法，可以設計出實現開關壽命測試及觸點好壞判斷的軟件流程圖，如圖4所示。count是開關壽命計數器變量，開關每正確動作一次，count增加1，開關損壞時count值就是開關的實際壽命。D0和D1是連續兩次采集的數據。

4 結束語

在本項目中，基于嵌入式技術來設計開關壽命測試儀的硬件，比采用工控機＋采集卡的方案節約成本，而且攜帶方便。通過使用專門的算法來實現開關壽命的測試，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，適合在開關生產行業推廣應用。

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