前言

      使用繼電器模塊(Relay Switch Module)做為信號切換,，廣泛地應(yīng)用于IC測試,、電力監(jiān)測管理,、工業(yè)流程與交通控制領(lǐng)域,。

      近年來隨著消費電子產(chǎn)品走向多樣化，生命周期縮短,，價格(Cost),、速度(Speed)、靈活性(Flexibility),，成為自動測試設(shè)備(Automated Test Equipment, ATE)生存競爭的首要課題,。在工業(yè)控制及相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域，價昂,、封閉規(guī)格的專用控制系統(tǒng)則面臨PC-Based測控解決方案開放,、價廉與高效能的挑戰(zhàn)。

      本文對繼電器信號切換所做的技術(shù)簡介與實例應(yīng)用介紹,，將使讀者了解架構(gòu)于PXI系統(tǒng)上的智能型PXI Switch Module,，對高效能測控所帶來的好處。

      基本拓樸（Basic Topology）

      構(gòu)成Switch Module的開關(guān)具有多種形式,，可粗分為電磁式與半導體式,，前者包含電磁式機械繼電器(Electro-mechanical Relay)、磁簧繼電器(Reed Relay),，后者包含場效應(yīng)晶體管開關(guān)(FET Switch)及固態(tài)繼電器(Solid State Relay)等,。以下內(nèi)容主要以電磁式繼電器為主。

      常見的Switch Module的結(jié)構(gòu)示意圖有下列三種：

      General Purpose

      如圖 1,，這種結(jié)構(gòu)采用多個相互隔離的單刀單擲型繼電器(SPST Relay)或單刀雙擲型繼電器(SPDT Relay),。一般做為開關(guān)控制電動機、風扇,、燈光,，或用于高壓高電流的切換。

      Multiplexer/Scanner

      如圖 2,，為n進1出的多任務(wù)器/解多任務(wù)器型,，適用于多組信號源必需使用同一個信號端口的情形，反之亦可,。

      Matrix

       如圖 3,，為m進n出的矩陣形式。相較于Multiplexer/Scanner,，Matrix可進行多重信號的交換耦合,，也可使用軟件規(guī)劃為其它兩種結(jié)構(gòu)，適合架構(gòu)復雜且高度靈活的測試設(shè)備,。

      對于高精度量測常使用2-wire及4-wrie接線模式,，Relay Switch模塊會對差分信道進行特性匹配以獲得準確結(jié)果。

      電磁式繼電器的切換瞬時特性

      使用電磁式繼電器作為信號切換時,，應(yīng)先對其延遲特性有初步了解,，方能獲得快速且準確的量測結(jié)果。使用者常以繼電器開關(guān)的動態(tài)導通電阻來估算理想的量測時間點,，兩個重要的時間參數(shù)為（參考圖 4）：

      1)Operate Time：驅(qū)動電路推動繼電器直至開關(guān)第一次閉合的時間,，為A-B區(qū)段。

      2)Bounce Time：繼電器第一次閉合直至開關(guān)彈跳(Bounce)結(jié)束的時間,，為B-C區(qū)段,。

      實際上使用者可能會希望有充足的時間讓系統(tǒng)達到最終穩(wěn)定狀態(tài)，則必需在C點后加入自定的穩(wěn)定延遲時間(Settling Time),，從而最終采樣時間點將落在D點,。因此，自驅(qū)動電路推動繼電器后,，共需經(jīng)過Operate Time +Bounce Time +User-defined Settling Time 才能進行有效量測,。前兩項參數(shù)會因使用的繼電器種類、切換容量(switching capacity)改變,，第三項參數(shù)則隨測試儀器與被測物的搭配而存在一定的差異,。

      為了提升測試系統(tǒng)的整體效能，使用者必需盡量縮短信號切換的時間,，同時又要顧及信號完整性(signal integrity),。此外，主系統(tǒng)可能還需要提供大量運算資源進行數(shù)據(jù)處理分析,、報表產(chǎn)生甚至處理圖形化人機接口,。

 

      使用傳統(tǒng)的Relay Switch模塊，使用者不但必需用軟件延遲方式處理反彈跳,，同時必需接連不斷地更新繼電器的開關(guān)狀態(tài),，這樣就增加了程序復雜度,；而當測試系統(tǒng)不斷擴充處理容量(testing capacity)時，維護或修改程序?qū)⒏永щy,。

      以下所提出的PXI平臺,，搭配智能型PXI Switch Module，將可簡化程序及外部配線,，降低測試成本,，同時提高系統(tǒng)及儀器利用率。

 

      PXI測控平臺的優(yōu)勢

      PXI全名為PCI eXtensions for Instrumentation,，結(jié)合了開放而高效能的PCI總線,、CompactPCI堅固的結(jié)構(gòu)性能，及VXI系統(tǒng)專為量測所設(shè)計的同步,、觸發(fā)信號群,。圖 5所示為PXI系統(tǒng)架構(gòu)。

      PXI規(guī)格于1997年提出并已被廣泛接受為通用的PC-Based測試平臺,，其優(yōu)點具有：

      1)模塊化,、前插拔設(shè)計，利于維修,、配線及安裝新的量測模塊,。
      2)8位寬度觸發(fā)總線(Trigger Bus)連接，提供高品質(zhì)的跨儀器通訊(Cross-instrument Communication)能力,，省去外部配線大幅提高系統(tǒng)可靠度,。 
      3)1-to-13星狀連接的低歪曲(Low-skew)觸發(fā)信號，提供精準的跨模塊同步觸發(fā),。
      4) 提供低時鐘歪曲的10MHz參考時脈,。
      5) 基于開放架構(gòu)，PXI聯(lián)盟成員提供數(shù)百種各式量測模塊與CPU控制器供選用,，且軟件環(huán)境與PC完全兼容,。

      基于PXI架構(gòu)的智能型Switch Module

      以凌華所研發(fā)的PXI Switch Module系列板卡為例，涵蓋信號切換用General Purpose,、Multiplexer/Scanner,、Matrix Switch Module，到高電壓大電流的Power Relay Switch 

      Module其特點有：

      支持PXI及IVI-Switch API標準
      硬件上可發(fā)揮PXI系統(tǒng)的高度效能,；應(yīng)用軟件易于移植,，且可搭配LabVIEW虛擬儀控軟件使用。

      硬件輔助過程控制

      在繼電器完成切換并達穩(wěn)定狀態(tài)后,，自動發(fā)出觸發(fā)信號,。使用者也可自設(shè)穩(wěn)定延遲時間(settling time)，且等待過程中無須CPU介入,。

      可儲存1024路繼電器狀態(tài)(scan-list)并自動切換(auto-scan)自動切換過程中不但能與外部觸發(fā)信號(Trigger Input)連動,，也能在穩(wěn)定延遲時間結(jié)束時送出觸發(fā)信號(Scanner-advanced Output),。

      支持TTL觸發(fā)以連接外部儀器可以將Trigger Input 及Scanner-advanced Output連接到諸多外部設(shè)備，如數(shù)字電表,、頻譜分析儀,、功率計等，充分利用原有硬件投資,。當然，使用者也可通過PXI GPIB Module實現(xiàn)對外部儀器的完全控制,。

      支持觸發(fā)總線(Trigger Bus)與星狀觸發(fā)(Star Trigger)使用者也能將外部觸發(fā)信號通過觸發(fā)總線或星狀觸發(fā)信號送至PXI系統(tǒng)中的其它量測模塊,，或反向操作。

      緊急停機(Emergency Shutdown)及看門狗定時器(Watchdog Timer)緊急停機功能可以人為方式立刻將繼電器開關(guān)狀態(tài)復歸(Reset)至使用者默認值,。若是無人監(jiān)控的自動控制系統(tǒng),，看門狗定時器也可于主系統(tǒng)當機時，自動將繼電器切換至安全狀態(tài),。

      支持熱插拔(Hot Swap)對于不宜中斷的安全監(jiān)控系統(tǒng)或電力系統(tǒng),，PXI Switch Module可以備援方式接駁；一旦硬件故障即以軟件移轉(zhuǎn)控制權(quán),，使用者可在不停機狀態(tài)下抽換故障模塊,。 

      堆棧式可擴充設(shè)計(Stackable Design)子母板架構(gòu)最高可以將通道數(shù)擴增為4倍。除了重新設(shè)定繼電器開關(guān)狀態(tài)表(scan-list)外,，使用者不需要修改軟件原始碼,。

      PXI Switch Module如何增進量測效能

      以凌華PXI系統(tǒng)為例來說明搭配了PXI Switch Module的自動測試解決方案。該自動測試系統(tǒng)架構(gòu)于PXIS-2700 PXI平臺,，最多可安裝17具PXI量測模塊,。功能強大的PXI-3710 PXI控制器搭載了Pentium III處理器，使用者可以從眾多PXI信號產(chǎn)生模塊選擇所需要的,，或搭配外接式儀器通過PXI-GPIB控制卡聯(lián)機,。被測物(DUT)產(chǎn)生的特性參數(shù)、傳遞函數(shù)或時域信號,，可采用PXI-2000,、TE-6100等高性能數(shù)據(jù)擷取卡進行采樣。而后由ADLINK DAQBench OCX進行數(shù)據(jù)分析,、產(chǎn)生視覺反饋或制作Excel報表,；當然，基于PXI的開放特性,，也可使用LabVIEW, Mathlab, Dasylab等Third-party工具執(zhí)行相關(guān)工作,，充分利用原來的軟件投資。

      PXI Switch Module在此自動測試系統(tǒng)中,，扮演了信號開關(guān)與交換功能,，使多種輸入信號可以同時輸入不同的DUT,。使用者可以對DUT#1輸入A信號，同時對DUT#2輸入B信號,；而不需等到DUT#1先接收A信號,，再依序輸入B、C,、D等信號,，而造成信號產(chǎn)生設(shè)備閑置的問題。搭配PXI多信道,、同步取樣的AD模塊,，將可使測試設(shè)備的產(chǎn)出效能得以最佳化。

      PXI Switch Module的自動時序控制及觸發(fā)功能,，能大幅簡化程序與外部配線,，使用者可以更專注數(shù)據(jù)分析與系統(tǒng)整合。

      總結(jié)

      智能型PXI Switch Module可以降低測試系統(tǒng)設(shè)計的復雜度,，增加量測效能,，并充分利用原有的軟硬件投資。對自動控制系統(tǒng)應(yīng)用,，PXI Switch Module提供的多項安全性設(shè)計,，能提升系統(tǒng)妥善率且更易于在線維修。