繼電器模塊在自動化測控系統中的應用

　　使用繼電器模塊（RelaySwitchModule）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（AutomatedTestEquipment,ATE）生存競爭的首要課題。在工業控制及相關應用領域，價昂、封閉規格的控制系統則面臨PC-Based測控解決方案開放、價廉與能的挑戰。　　
　　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PXISwitchModule，對能測控所帶來的好處。
　　
　　基本拓樸（BasicTopology）
　　
　　構成SwitchModule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-mechanicalRelay）、磁簧繼電器（ReedRelay），后者包含場效應晶體管開關（FETSwitch）及固態繼電器（SolidStateRelay）等。以下內容主要以電磁式繼電器為主。
　　
　　常見的SwitchModule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（SPSTRelay）或單刀雙擲型繼電器（SPDTRelay）。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，RelaySwitch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）OperateTime：驅動電路推動繼電器直至開關*次閉合的時間，為A-B區段。
　　
　　2）BounceTime：繼電器*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zui終穩定狀態，則必需在C點后加入自定的穩定延遲時間（SettlingTime），從而zui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OperateTime+BounceTime+User-definedSettlingTime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（switchingcapacity）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（signalintegrity）。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RelaySwitch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（testingcapacity）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PXISwitchModule，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PCIeXtensionsforInstrumentation，結合了開放而能的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（TriggerBus）連接，提供高品質的跨儀器通訊（Cross-instrumentCommunication）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*兼容。　　
　　基于PXI架構的智能型SwitchModule
　　
　　以凌華所研發的PXISwitchModule系列板卡為例，涵蓋信號切換用GeneralPurpose、Multiplexer/Scanner、MatrixSwitchModule，到高電壓大電流的PowerRelaySwitch
　　
　　Module其特點有：
　　
　　支持PXI及IVI-SwitchAPI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（settlingtime），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（TriggerInput）連動，也能在穩定延遲時間結束時送出觸發信號（Scanner-advancedOutput）。
　　
　　支持TTL觸發以連接外部儀器可以將TriggerInput及Scanner-advancedOutput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PXIGPIBModule實現對外部儀器的*控制。
　　
　　支持觸發總線（TriggerBus）與星狀觸發（StarTrigger）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（EmergencyShutdown）及看門狗定時器（WatchdogTimer）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（HotSwap）對于不宜中斷的安全監控系統或電力系統，PXISwitchModule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（StackableDesign）子母板架構zui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。　　
　　PXISwitch  Module如何增進量測效能
　　
　　以凌華PXI系統為例來說明搭配了PXISwitchModule的自動測試解決方案。該自動測試系統架構于PXIS-2700PXI平臺，zui多可安裝17具PXI量測模塊。功能強大的PXI-3710PXI控制器搭載了PentiumIII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ADLINKDAQBenchOCX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。
　　
　　PXISwitchModule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*化。
　　
　　PXISwitchModule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PXISwitchModule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，PXISwitchModule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。