前言

      使用繼電器模塊(Relay Switch Module)做為信號(hào)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(fèi)電子產(chǎn)品走向多樣化，生命周期縮短，價(jià)格(Cost)、速度(Speed)、靈活性(Flexibility)，成為自動(dòng)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(jià)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(jià)廉與高效能的挑戰(zhàn)。

      本文對(duì)繼電器信號(hào)切換所做的技術(shù)簡介與實(shí)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(duì)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(dǎo)體式，前者包含電磁式機(jī)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(gè)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(dòng)機(jī)、風(fēng)扇、燈光，或用于高壓高電流的切換。

      Multiplexer/Scanner

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

      Matrix

       如圖 3，為m進(jìn)n出的矩陣形式。相較于Multiplexer/Scanner，Matrix可進(jìn)行多重信號(hào)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(fù)雜且高度靈活的測試設(shè)備。

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

      電磁式繼電器的切換瞬時(shí)特性

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

      1)Operate Time：驅(qū)動(dòng)電路推動(dòng)繼電器直至開關(guān)第一次閉合的時(shí)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(shí)間，為B-C區(qū)段。

      實(shí)際上使用者可能會(huì)希望有充足的時(shí)間讓系統(tǒng)達(dá)到最終穩(wěn)定狀態(tài)，則必需在C點(diǎn)后加入自定的穩(wěn)定延遲時(shí)間(Settling Time)，從而最終采樣時(shí)間點(diǎn)將落在D點(diǎn)。因此，自驅(qū)動(dòng)電路推動(dòng)繼電器后，共需經(jīng)過Operate Time +Bounce Time +User-defined Settling Time 才能進(jìn)行有效量測。前兩項(xiàng)參數(shù)會(huì)因使用的繼電器種類、切換容量(switching capacity)改變，第三項(xiàng)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(hào)切換的時(shí)間，同時(shí)又要顧及信號(hào)完整性(signal integrity)。此外，主系統(tǒng)可能還需要提供大量運(yùn)算資源進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析、報(bào)表產(chǎn)生甚至處理圖形化人機(jī)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(shí)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(fù)雜度；而當(dāng)測試系統(tǒng)不斷擴(kuò)充處理容量(testing capacity)時(shí)，維護(hù)或修改程序?qū)⒏永щy。

      以下所提出的PXI平臺(tái)，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(shí)提高系統(tǒng)及儀器利用率。

 

      PXI測控平臺(tái)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(jiān)固的結(jié)構(gòu)性能，及VXI系統(tǒng)專為量測所設(shè)計(jì)的同步、觸發(fā)信號(hào)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(tái)，其優(yōu)點(diǎn)具有：

      1)模塊化、前插拔設(shè)計(jì)，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(hào)，提供精準(zhǔn)的跨模塊同步觸發(fā)。
      4) 提供低時(shí)鐘歪曲的10MHz參考時(shí)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(hào)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(diǎn)有：

      支持PXI及IVI-Switch API標(biāo)準(zhǔn)
      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(dá)穩(wěn)定狀態(tài)后，自動(dòng)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)。使用者也可自設(shè)穩(wěn)定延遲時(shí)間(settling time)，且等待過程中無須CPU介入。

      可儲(chǔ)存1024路繼電器狀態(tài)(scan-list)并自動(dòng)切換(auto-scan)自動(dòng)切換過程中不但能與外部觸發(fā)信號(hào)(Trigger Input)連動(dòng)，也能在穩(wěn)定延遲時(shí)間結(jié)束時(shí)送出觸發(fā)信號(hào)(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(jì)等，充分利用原有硬件投資。當(dāng)然，使用者也可通過PXI GPIB Module實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)通過觸發(fā)總線或星狀觸發(fā)信號(hào)送至PXI系統(tǒng)中的其它量測模塊，或反向操作。

      緊急停機(jī)(Emergency Shutdown)及看門狗定時(shí)器(Watchdog Timer)緊急停機(jī)功能可以人為方式立刻將繼電器開關(guān)狀態(tài)復(fù)歸(Reset)至使用者默認(rèn)值。若是無人監(jiān)控的自動(dòng)控制系統(tǒng)，看門狗定時(shí)器也可于主系統(tǒng)當(dāng)機(jī)時(shí)，自動(dòng)將繼電器切換至安全狀態(tài)。

      支持熱插拔(Hot Swap)對(duì)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(jī)狀態(tài)下抽換故障模塊。 

      堆棧式可擴(kuò)充設(shè)計(jì)(Stackable Design)子母板架構(gòu)最高可以將通道數(shù)擴(kuò)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(jìn)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(dòng)測試解決方案。該自動(dòng)測試系統(tǒng)架構(gòu)于PXIS-2700 PXI平臺(tái)，最多可安裝17具PXI量測模塊。功能強(qiáng)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(hào)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(jī)。被測物(DUT)產(chǎn)生的特性參數(shù)、傳遞函數(shù)或時(shí)域信號(hào)，可采用PXI-2000、TE-6100等高性能數(shù)據(jù)擷取卡進(jìn)行采樣。而后由ADLINK DAQBench OCX進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、產(chǎn)生視覺反饋或制作Excel報(bào)表；當(dāng)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(dòng)測試系統(tǒng)中，扮演了信號(hào)開關(guān)與交換功能，使多種輸入信號(hào)可以同時(shí)輸入不同的DUT。使用者可以對(duì)DUT#1輸入A信號(hào)，同時(shí)對(duì)DUT#2輸入B信號(hào)；而不需等到DUT#1先接收A信號(hào)，再依序輸入B、C、D等信號(hào)，而造成信號(hào)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(dòng)時(shí)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(jì)的復(fù)雜度，增加量測效能，并充分利用原有的軟硬件投資。對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用，PXI Switch Module提供的多項(xiàng)安全性設(shè)計(jì)，能提升系統(tǒng)妥善率且更易于在線維修。