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。在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。

      本文對繼電器信號切換所做的技術簡介與實例應用介紹，將使讀者了解架構于PXI系統上的智能型PXI Switch Module，對高效能測控所帶來的好處。

      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。以下內容主要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：

      General Purpose

      如圖 1，這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)。一般做為開關控制電動機、風扇、燈光，或用于高壓高電流的切換。

      Multiplexer/Scanner

      如圖 2，為n進1出的多任務器/解多任務器型，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。

      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，也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。

      對于高精度量測常使用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獲得準確結果。

      電磁式繼電器的切換瞬時特性

      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，方能獲得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，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。

      實際上使用者可能會希望有充足的時間讓系統達到最終穩定狀態，則必需在C點后加入自定的穩定延遲時間(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存在一定的差異。

      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，同時又要顧及信號完整性(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，使用者不但必需用軟件延遲方式處理反彈跳，同時必需接連不斷地更新繼電器的開關狀態，這樣就增加了程序復雜度；而當測試系統不斷擴充處理容量(testing capacity)時，維護或修改程序將更加困難。

      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，結合了開放而高效能的PCI總線、CompactPCI堅固的結構性能，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。

      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，利于維修、配線及安裝新的量測模塊。
      2)8位寬度觸發總線(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架構的智能型Switch Module

      以凌華所研發的PXI Switch Module系列板卡為例，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：

      支持PXI及IVI-Switch API標準
      硬件上可發揮PXI系統的高度效能；應用軟件易于移植，且可搭配LabVIEW虛擬儀控軟件使用。

      硬件輔助過程控制

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

      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，也能在穩定延遲時間結束時送出觸發信號(Scanner-advanced Output)。

      支持TTL觸發以連接外部儀器可以將Trigger Input 及Scanner-advanced Output連接到諸多外部設備，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，使用者也可通過PXI GPIB Module實現對外部儀器的完全控制。

      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信號通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。

      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。若是無人監控的自動控制系統，看門狗定時器也可于主系統當機時，自動將繼電器切換至安全狀態。

      支持熱插拔(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模塊。 

      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)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系統為例來說明搭配了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控制器搭載了Pentium III處理器，使用者可以從眾多PXI信號產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，也可使用LabVIEW, Mathlab, Dasylab等Third-party工具執行相關工作，充分利用原來的軟件投資。

      PXI Switch Module在此自動測試系統中，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信號，再依序輸入B、C、D等信號，而造成信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，使用者可以更專注數據分析與系統整合。

      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，并充分利用原有的軟硬件投資。對自動控制系統應用，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。