智能型PXI Switch Module 在自動化測控系統中的應

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、工業流程與交通控制領域

近年來隨著消費性電子產品走向多樣化，生命周期縮短，價格(Cost)、速度(Speed)、靈活性(Flexibility)，成為自動測試設備(Automated Test Equipment, ATE)生存競爭的首要課題。于工業控制及相關應用領域，價昂、封閉規格的專用控制系統則面臨PC-Based測控解決方案開放、價廉與高效能的挑戰。

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，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區段。

圖4

實際上使用者可能會希望有充足的時間以讓系統達到最終穩態，而必需在C點后加入自訂的穩定延遲時間(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，共需經過Operate Time + Bounce Time + User-defined Settling Time 才能進行有效量測。前兩項參數會因使用的繼電器種類、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間，同時又顧及信號完整性(signal integrity)。此外，主系統可能還需要提供大量運算資源進行數據處理分析、報表產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，同時必需接連不斷的更新繼電器的開關狀態，徒增程序復雜度；而當測試系統不斷擴充處理容量(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，同時提高系統及儀器利用率。

PXI測控平臺的優勢

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系統專為量測所設計的同步、觸發信號群。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可靠度。

3) 1-to-13星狀連接的低歪曲(Low-skew)觸發信號，提供精準的跨模塊同步觸發。

4) 提供低時鐘歪曲的10MHz參考時脈。

5) 基于開放架構，PXI聯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) 硬件輔助之過程控制

可于繼電器完成切換并達穩態后，自動發出觸發信號。使用者亦可自設穩定延遲時間(settling time)，且等待過程中無須CPU介入。

3) 可儲存1024路繼電器狀態(scan-list)并自動切換(auto-scan)

自動切換過程中不但能與外部觸發信號(Trigger Input)連動，亦能于穩定延遲時間結束時送出觸發訊號(Scanner-advanced Output)。

4) 支持TTL觸發以連接外部儀器

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) 支持觸發總線(Trigger Bus)與星狀觸發(Star Trigger)

使用者也能將外部觸發訊號透過觸發總線或星狀觸發信號送至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復歸(Reset)至使用者默認值。若為無人監控之自動控制系統，看門狗定時器亦可于主系統當機時，自動將繼電器切換至安全狀態。

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關狀態表(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訊號產生模塊選擇所需，或搭配外接式儀器透過PXI-GPIB控制卡聯機。被測物(DUT)產生的特性參數、傳遞函數或時域信號，可采用PXI-2000、TE-6100等高性能數據擷取卡進行采樣。而后藉由ADLINK DAQBench OCX進行數據分析、產生視覺反饋或制作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出效能得以最佳化。

PXI Switch Module的自動時序控制及觸發功能，能大幅簡化程序與外部配線，使用者可以更專注于數據分析與系統整合。

圖6

總結

智能型PXI Switch Module可以降低測試系統設計的復雜度，增加量測效能，并充分利用原本的軟硬件投資。對于自動控制系統應用，PXI Switch Module提供的多項安全性設計，能提升系統妥善率且更易于在線維修。