智能型PXI Switch Module 在自动化测控系统中的应用

前言

        使用继电器模块(Relay Switch Module)做为信号切换，广泛地应用于IC测试、电力监测管理、工业流程与交通控制领域

      近年来随着消费性电子产品走向多样化，生命周期缩短，价格(Cost)、速度(Speed)、灵活性(Flexibility)，成为自动测试设备(Automated Test Equipment, ATE)生存竞争的首要课题。于工业控制及相关应用领域，价昂、封闭规格的专用控制系统则面临PC-Based测控解决方案开放、价廉与高效能的挑战。

      本文将借着对继电器信号切换的技术简介与实例应用，使读者了解架构于PXI系统之上的智能型PXI Switch Module，对于高效能测控所带来的助益。

基本拓朴（Basic Topology）

        构成Switch Module的开关具有多种形式，可粗分为电磁式与半导体式，前者包含电磁式机械继电器(Electro-mechanical Relay)、磁簧继电器(Reed Relay)，后者包含场效应晶体管开关(FET Switch)及固态继电器(Solid State Relay)等。以下讨论的内容将以电磁式继电器为主。

      常见的Switch Module的结构示意图有下列三种：

1) General Purpose
        如图 1，此种结构采用多个相互隔离的单刀单掷型继电器(SPST Relay)或单刀双掷型继电器(SPDT Relay)。一般做为开关以控制电动机、风扇、灯光，或应用于高压高电流之切换用途。

图1

2) Multiplexer/Scanner
        如图 2，为n进1出的多任务器/解多任务器型态，适用于多组信号源必需使用同一个信号端口的情形，反之亦可。

图2

3) Matrix
        如图 3，为m进n出的矩阵形式。相较于Multiplexer/Scanner，Matrix可进行多重信号的交换耦合，亦可使用软件规划为其它两种结构，适合架构复杂且高度灵活的测试设备。

图3

      对于高准度量测常使之用2-wire及4-wrie接线模式，Relay Switch模块会对差分信道进行特性匹配以期获致准确结果。

电磁式继电器的切换瞬时特性

      于使用电磁式继电器作为信号切换时，应先对其延迟特性有初步了解，方能获致快速且准确的量测结果。使用者常以继电器开关的动态导通电阻来估算理想的量测时间点，而两个重要的时间参数为（参考图 4）:

1) Operate Time：驱动电路推动继电器直至开关第一次闭合的时间，为A-B区段。
2) Bounce Time: 继电器第一次闭合直至开关弹跳(Bounce)结束的时间，为B-C区段。

图4

      实际上使用者可能会希望有充足的时间以让系统达到最终稳态，而必需在C点后加入自订的稳定延迟时间(Settling Time)，从而最终采样时间点将落在D点。因此，自驱动电路推动继电器后，共需经过Operate Time + Bounce Time + User-defined Settling Time 才能进行有效量测。前两项参数会因使用的继电器种类、切换容量(switching capacity)改变，第三项参数则随测试仪器与被测物的搭配而有相当的差异。

      为了提升测试系统的整体效能，使用者必需尽量缩短信号切换的时间，同时又顾及信号完整性(signal integrity)。此外，主系统可能还需要提供大量运算资源进行数据处理分析、报表产生甚至处理图形化人机接口。

      使用传统的Relay Switch模块，使用者不但必需以软件延迟方式处理反弹跳，同时必需接连不断的更新继电器的开关状态，徒增程序复杂度；而当测试系统不断扩充处理容量(testing capacity)时，维护或修改程序将愈形困难。

      以下所提出的PXI平台，搭配智能型PXI Switch Module，将可简化程序及外部配线，降低测试成本，同时提高系统及仪器利用率。

PXI测控平台的优势 

        PXI全名为PCI eXtensions for Instrumentation，其结合了开放而高效能的PCI总线、CompactPCI强健的结构性能，及VXI系统专为量测所设计的同步、触发信号群。图 5所示为PXI系统架构。

图5

      PXI规格于1997年提出并已被广泛接受为通用的PC-Based测试平台，其优点具有：

1) 模块化、前插拔设计，利于于维修、配线及安装新的量测模块。
2) 8位宽度之触发总线(Trigger Bus)连接，提供高品质的跨仪器通讯(Cross-instrument Communication)能力，省去外部配线大幅提高系统可靠度。
3) 1-to-13星状连接的低歪曲(Low-skew)触发信号，提供精准的跨模块同步触发。
4) 提供低时钟歪曲的10MHz参考时脉。
5) 基于开放架构，PXI联盟成员提供数百种各式量测模块与CPU控制器供选用，且软件环境与PC完全兼容。

基于PXI架构之智能型Switch Module

        此处以凌华所研发的PXI Switch Module系列板卡为范例，涵盖信号切换用General Purpose、Multiplexer/Scanner、Matrix Switch Module，到高电压大电流的Power Relay Switch Module。

其特点有：

1) 支持PXI及IVI-Switch API标准
硬件上可发挥PXI系统之高度效能；应用软件易于移植，且可搭配LabVIEW虚拟仪控软件使用。

2) 硬件辅助之过程控制
可于继电器完成切换并达稳态后，自动发出触发信号。使用者亦可自设稳定延迟时间(settling time)，且等待过程中无须CPU介入。

3) 可储存1024路继电器状态(scan-list)并自动切换(auto-scan)
自动切换过程中不但能与外部触发信号(Trigger Input)连动，亦能于稳定延迟时间结束时送出触发讯号(Scanner-advanced Output)。

4) 支持TTL触发以连接外部仪器
可以将Trigger Input 及Scanner-advanced Output连接至诸多外部设备，如数字电表、频谱分析仪、功率计等，充分利用原有硬件投资。当然，使用者亦可透过PXI GPIB Module达到对外部仪器的完全控制。

5) 支持触发总线(Trigger Bus)与星状触发(Star Trigger)
使用者也能将外部触发讯号透过触发总线或星状触发信号送至PXI系统中的其它量测模块，或反向操作。

6) 紧急停机(Emergency Shutdown)及看门狗定时器(Watchdog Timer)
紧急停机功能可以人为方式立刻将继电器开关状态复归(Reset)至使用者默认值。若为无人监控之自动控制系统，看门狗定时器亦可于主系统当机时，自动将继电器切换至安全状态。

7) 支援热插拔(Hot Swap)
对于不宜中断的安全监控系统或电力系统，PXI Switch Module可以备援方式接驳；一旦硬件故障即以软件移转控制权，使用者可在不停机状态下抽换故障之模块。

8) 堆栈式可扩充设计(Stackable Design)
子母板架构最高可以将通道数扩增为4倍。除了重新设定继电器开关状态表(scan-list)以外，使用者不需要修改软件原始码。

PXI Switch Module如何增进量测效能

      以凌华PXI系统为例，说明一搭配PXI Switch Module的自动测试解决方案。

      该自动测试系统架构于PXIS-2700 PXI平台，最多可安装17具PXI量测模块。功能强大的PXI-3710 PXI控制器并搭载了Pentium III处理器。使用者可以自众多PXI讯号产生模块选择所需，或搭配外接式仪器透过PXI-GPIB控制卡联机。被测物(DUT)产生的特性参数、传递函数或时域信号，可采用PXI-2000、TE-6100等高性能数据撷取卡进行采样。而后藉由ADLINK DAQBench OCX进行数据分析、产生视觉反馈或制作Excel报表；当然，基于PXI的开放特性，亦可使用LabVIEW, Mathlab, Dasylab等Third-party工具执行相关工作，充分利用原本的软件投资。

      PXI Switch Module在此一自动测试系统中，扮演了信号开关与交换功能，使多种输入信号可以同时输入不同的DUT。使用者可以对DUT#1输入A信号，同时对DUT#2输入B信号；而不需等到DUT#1先接收A讯号，再依序输入B、C、D等讯号，而造成讯号产生设备闲置的问题。搭配PXI多信道、同步取样的AD模块，将可使测试设备的产出效能得以最佳化。

      PXI Switch Module的自动时序控制及触发功能，能大幅简化程序与外部配线，使用者可以更专注于数据分析与系统整合。

图6