前言
使用繼電器模塊(Relay Switch Module)做為信號切換" title="信號切換">信號切換,，廣泛地應用于IC測試,、電力監(jiān)測管理、工業(yè)流程與交通控制領域

近年來隨著消費性電子產(chǎn)品走向多樣化,，生命周期縮短,，價格(Cost),、速度(Speed)、靈活性(Flexibility),，成為自動測試設備" title="測試設備">測試設備(Automated Test Equipment, ATE)生存競爭的首要課題,。于工業(yè)控制及相關應用領域,，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),。

本文將借著對繼電器信號切換的技術簡介與實例應用，使讀者了解架構于PXI系統(tǒng)之上的智能型PXI Switch Module,，對于高效能測控所帶來的助益,。

基本拓樸（Basic Topology）
構成Switch Module的開關具有多種形式，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)，后者包含場效應晶體管開關(FET Switch)及固態(tài)繼電器(Solid State Relay)等,。以下討論的內容將以電磁式繼電器為主,。

常見的Switch Module的結構示意圖有下列三種：

1) General Purpose
如圖 1，此種結構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),。一般做為開關以控制電動機,、風扇、燈光,，或應用于高壓高電流之切換用途,。

圖1

2) Multiplexer/Scanner
如圖 2，為n進1出的多任務器/解多任務器型態(tài),，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。

圖2

3) 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,，亦可使用軟件規(guī)劃為其它兩種結構,，適合架構復雜且高度靈活的測試設備。

圖3

對于高準度量測" title="量測">量測常使之用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期獲致準確結果,。

電磁式繼電器的切換瞬時特性

于使用電磁式繼電器作為信號切換時，應先對其延遲特性有初步了解,，方能獲致快速且準確的量測結果,。使用者常以繼電器開關的動態(tài)導通電阻來估算理想的量測時間點，而兩個重要的時間參數(shù)為（參考圖 4）:

1) Operate Time：驅動電路推動繼電器直至開關第一次閉合的時間,，為A-B區(qū)段,。
2) Bounce Time: 繼電器第一次閉合直至開關彈跳(Bounce)結束的時間，為B-C區(qū)段,。

圖4

實際上使用者可能會希望有充足的時間以讓系統(tǒng)達到最終穩(wěn)態(tài)，而必需在C點后加入自訂的穩(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有相當?shù)牟町悺?/P>

為了提升測試系統(tǒng)" title="測試系統(tǒng)">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,，使用者不但必需以軟件延遲方式處理反彈跳,，同時必需接連不斷的更新繼電器的開關狀態(tài)，徒增程序復雜度,；而當測試系統(tǒng)不斷擴充處理容量(testing capacity)時,，維護或修改程序將愈形困難。

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，其結合了開放而高效能的PCI總線,、CompactPCI強健的結構性能,，及VXI系統(tǒng)專為量測所設計的同步、觸發(fā)信號群,。圖 5所示為PXI系統(tǒng)架構,。

圖5

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,、前插拔設計,，利于于維修、配線及安裝新的量測模塊,。
2) 8位寬度之觸發(fā)總線(Trigger Bus)連接,，提供高品質的跨儀器通訊(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,，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架構之智能型Switch Module
此處以凌華所研發(fā)的PXI Switch Module系列板卡為范例,，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：

1) 支持PXI及IVI-Switch API標準
硬件上可發(fā)揮PXI系統(tǒng)之高度效能；應用軟件易于移植,，且可搭配LabVIEW虛擬儀控軟件使用,。
2) 硬件輔助之過程控制
可于繼電器完成切換并達穩(wěn)態(tài)后，自動發(fā)出觸發(fā)信號,。使用者亦可自設穩(wěn)定延遲時間(settling time),，且等待過程中無須CPU介入。
3) 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,，亦能于穩(wěn)定延遲時間結束時送出觸發(fā)訊號(Scanner-advanced Output),。
4) 支持TTL觸發(fā)以連接外部儀器
可以將Trigger Input 及Scanner-advanced Output連接至諸多外部設備，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,，使用者亦可透過PXI GPIB Module達到對外部儀器的完全控制。
5) 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)訊號透過觸發(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,。
6) 緊急停機(Emergency Shutdown)及看門狗定時器" title="看門狗定時器">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狀態(tài)復歸(Reset)至使用者默認值。若為無人監(jiān)控之自動控制系統(tǒng),，看門狗定時器亦可于主系統(tǒng)當機時,，自動將繼電器切換至安全狀態(tài)。
7) 支援熱插拔(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控制權，使用者可在不停機狀態(tài)下抽換故障之模塊,。
8) 堆棧式可擴充設計(Stackable Design)
子母板架構最高可以將通道數(shù)擴增為4倍,。除了重新設定繼電器開關狀態(tài)表(scan-list)以外，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,，說明一搭配PXI Switch Module的自動測試解決方案,。

該自動測試系統(tǒng)架構于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控制器并搭載了Pentium III處理器,。使用者可以自眾多PXI訊號產(chǎn)生模塊選擇所需,，或搭配外接式儀器透過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。而后藉由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,，亦可使用LabVIEW, Mathlab, Dasylab等Third-party工具執(zhí)行相關工作,，充分利用原本的軟件投資。

PXI Switch Module在此一自動測試系統(tǒng)中,，扮演了信號開關與交換功能,，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訊號，再依序輸入B,、C,、D等訊號，而造成訊號產(chǎn)生設備閑置的問題,。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，使用者可以更專注于數(shù)據(jù)分析與系統(tǒng)整合,。

圖6