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

近年來(lái)隨著(zhù)消費性電子產(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)測試設備(Automated Test Equipment, ATE)生存競爭的首要課題。于工業(yè)控制及相關(guān)應用領(lǐng)域，價(jià)昂、封閉規格的專(zhuān)用控制系統則面臨PC-Based測控解決方案開(kāi)放、價(jià)廉與高效能的挑戰。

本文將借著(zhù)對繼電器信號切換的技術(shù)簡(jiǎn)介與實(shí)例應用，使讀者了解架構于PXI系統之上的智能型PXI Switch Module，對于高效能測控所帶來(lái)的助益。

基本拓樸（Basic Topology）
構成Switch Module的開(kāi)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(chǎng)效應晶體管開(kāi)關(guān)(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(jiàn)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(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(kāi)關(guān)以控制電動(dòng)機、風(fēng)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(jìn)1出的多任務(wù)器/解多任務(wù)器型態(tài)，適用于多組信號源必需使用同一個(gè)信號端口的情形，反之亦可。

圖2

3) Matrix
如圖 3，為m進(jìn)n出的矩陣形式。相較于Multiplexer/Scanner，Matrix可進(jìn)行多重信號的交換耦合，亦可使用軟件規劃為其它兩種結構，適合架構復雜且高度靈活的測試設備。

圖3

對于高準度量測常使之用2-wire及4-wrie接線(xiàn)模式，Relay Switch模塊會(huì )對差分信道進(jìn)行特性匹配以期獲致準確結果。

電磁式繼電器的切換瞬時(shí)特性

于使用電磁式繼電器作為信號切換時(shí)，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(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)導通電阻來(lái)估算理想的量測時(shí)間點(diǎn)，而兩個(gè)重要的時(shí)間參數為（參考圖 4）:

1) Operate Time：驅動(dòng)電路推動(dòng)繼電器直至開(kāi)關(guān)第一次閉合的時(shí)間，為A-B區段。
2) Bounce Time: 繼電器第一次閉合直至開(kāi)關(guān)彈跳(Bounce)結束的時(shí)間，為B-C區段。

圖4

實(shí)際上使用者可能會(huì )希望有充足的時(shí)間以讓系統達到最終穩態(tài)，而必需在C點(diǎn)后加入自訂的穩定延遲時(shí)間(Settling Time)，從而最終采樣時(shí)間點(diǎn)將落在D點(diǎn)。因此，自驅動(dòng)電路推動(dòng)繼電器后，共需經(jīng)過(guò)Operate Time + Bounce Time + User-defined Settling Time 才能進(jìn)行有效量測。前兩項參數會(huì )因使用的繼電器種類(lèi)、切換容量(switching capacity)改變，第三項參數則隨測試儀器與被測物的搭配而有相當的差異。

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

使用傳統的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(shí)必需接連不斷的更新繼電器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，徒增程序復雜度；而當測試系統不斷擴充處理容量(testing capacity)時(shí)，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(jiǎn)化程序及外部配線(xiàn)，降低測試成本，同時(shí)提高系統及儀器利用率。

PXI測控平臺的優(yōu)勢
PXI全名為PCI eXtensions for Instrumentation，其結合了開(kāi)放而高效能的PCI總線(xiàn)、CompactPCI強健的結構性能，及VXI系統專(zhuān)為量測所設計的同步、觸發(fā)信號群。圖 5所示為PXI系統架構。

圖5

PXI規格于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(diǎn)具有：

1) 模塊化、前插拔設計，利于于維修、配線(xiàn)及安裝新的量測模塊。
2) 8位寬度之觸發(fā)總線(xiàn)(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(xiàn)大幅提高系統可靠度。
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(shí)鐘歪曲的10MHz參考時(shí)脈。
5) 基于開(kāi)放架構，PXI聯(lián)盟成員提供數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(diǎn)有：

1) 支持PXI及IVI-Switch API標準
硬件上可發(fā)揮PXI系統之高度效能；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(guò)程控制
可于繼電器完成切換并達穩態(tài)后，自動(dòng)發(fā)出觸發(fā)信號。使用者亦可自設穩定延遲時(shí)間(settling time)，且等待過(guò)程中無(wú)須CPU介入。
3) 可儲存1024路繼電器狀態(tài)(scan-list)并自動(dòng)切換(auto-scan)
自動(dòng)切換過(guò)程中不但能與外部觸發(fā)信號(Trigger Input)連動(dòng)，亦能于穩定延遲時(shí)間結束時(shí)送出觸發(fā)訊號(Scanner-advanced Output)。
4) 支持TTL觸發(fā)以連接外部?jì)x器
可以將Trigger Input 及Scanner-advanced Output連接至諸多外部設備，如數字電表、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(guò)PXI GPIB Module達到對外部?jì)x器的完全控制。
5) 支持觸發(fā)總線(xiàn)(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(guò)觸發(fā)總線(xiàn)或星狀觸發(fā)信號送至PXI系統中的其它量測模塊，或反向操作。
6) 緊急停機(Emergency Shutdown)及看門(mén)狗定時(shí)器(Watchdog Timer)
緊急停機功能可以人為方式立刻將繼電器開(kāi)關(guān)狀態(tài)復歸(Reset)至使用者默認值。若為無(wú)人監控之自動(dòng)控制系統，看門(mén)狗定時(shí)器亦可于主系統當機時(shí)，自動(dòng)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控系統或電力系統，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擴增為4倍。除了重新設定繼電器開(kāi)關(guān)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(jìn)量測效能

以凌華PXI系統為例，說(shuō)明一搭配PXI Switch Module的自動(dòng)測試解決方案。

該自動(dòng)測試系統架構于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(guò)PXI-GPIB控制卡聯(lián)機。被測物(DUT)產(chǎn)生的特性參數、傳遞函數或時(shí)域信號，可采用PXI-2000、TE-6100等高性能數據擷取卡進(jìn)行采樣。而后藉由ADLINK DAQBench OCX進(jìn)行數據分析、產(chǎn)生視覺(jué)反饋或制作Excel報表；當然，基于PXI的開(kāi)放特性，亦可使用LabVIEW, Mathlab, Dasylab等Third-party工具執行相關(guān)工作，充分利用原本的軟件投資。

PXI Switch Module在此一自動(dòng)測試系統中，扮演了信號開(kāi)關(guān)與交換功能，使多種輸入信號可以同時(shí)輸入不同的DUT。使用者可以對DUT#1輸入A信號，同時(shí)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(wèn)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(dòng)時(shí)序控制及觸發(fā)功能，能大幅簡(jiǎn)化程序與外部配線(xiàn)，使用者可以更專(zhuān)注于數據分析與系統整合。

圖6