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          智能型PXI Switch Module 在自動化測控系統(tǒng)中的應(yīng)用

          作者: 時間:2016-10-29 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          前言

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201610/309148.htm

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

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          近年來隨著消費性電子產(chǎn)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(shè)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(yīng)用領(lǐng)域,價昂、封閉規(guī)格的專用控制系統(tǒng)則面臨PC-Based測控解決方案開放、價廉與高效能的挑戰(zhàn)。

          本文將借著對繼電器信號切換的技術(shù)簡介與實例應(yīng)用,使讀者了解架構(gòu)于系統(tǒng)之上的 ,對于高效能測控所帶來的助益。

          基本拓樸(Basic Topology)

          構(gòu)成 的開關(guān)具有多種形式,可粗分為電磁式與半導(dǎo)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(yīng)晶體管開關(guān)(FET Switch)及固態(tài)繼電器(Solid State Relay)等。以下討論的內(nèi)容將以電磁式繼電器為主。

          常見的Switch Module的結(jié)構(gòu)示意圖有下列三種:

          1) General Purpose

          如圖 1,此種結(jié)構(gòu)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(guān)以控制電動機、風(fēng)扇、燈光,或應(yīng)用于高壓高電流之切換用途。

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          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信號端口的情形,反之亦可。

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          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(guī)劃為其它兩種結(jié)構(gòu),適合架構(gòu)復(fù)雜且高度靈活的測試設(shè)備。

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          圖3

          對于高準(zhǔn)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(jìn)行特性匹配以期獲致準(zhǔn)確結(jié)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(yīng)先對其延遲特性有初步了解,方能獲致快速且準(zhǔn)確的量測結(jié)果。使用者常以繼電器開關(guān)的動態(tài)導(dǎo)通電阻來估算理想的量測時間點,而兩個重要的時間參數(shù)為(參考圖 4):

          1) Operate Time:驅(qū)動電路推動繼電器直至開關(guān)第一次閉合的時間,為A-B區(qū)段。

          2) Bounce Time: 繼電器第一次閉合直至開關(guān)彈跳(Bounce)結(jié)束的時間,為B-C區(qū)段。

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          圖4

          實際上使用者可能會希望有充足的時間以讓系統(tǒng)達(dá)到最終穩(wěn)態(tài),而必需在C點后加入自訂的穩(wěn)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(qū)動電路推動繼電器后,共需經(jīng)過Operate Time + Bounce Time + User-defined Settling Time 才能進(jìn)行有效量測。前兩項參數(shù)會因使用的繼電器種類、切換容量(switching capacity)改變,第三項參數(shù)則隨測試儀器與被測物的搭配而有相當(dāng)?shù)牟町悺?/p>

          為了提升測試系統(tǒng)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(tǒng)可能還需要提供大量運算資源進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析、報表產(chǎn)生甚至處理圖形化人機接口。

          使用傳統(tǒng)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(guān)狀態(tài),徒增程序復(fù)雜度;而當(dāng)測試系統(tǒng)不斷擴充處理容量(testing capacity)時,維護或修改程序?qū)⒂卫щy。

          以下所提出的平臺,搭配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(tǒng)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(jié)合了開放而高效能的PCI總線、CompactPCI強健的結(jié)構(gòu)性能,及VXI系統(tǒng)專為量測所設(shè)計的同步、觸發(fā)信號群。圖 5所示為PXI系統(tǒng)架構(gòu)。

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          圖5

          PXI規(guī)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)點具有:

          1) 模塊化、前插拔設(shè)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(fā)總線(Trigger Bus)連接,提供高品質(zhì)的跨儀器通訊(Cross-instrument Communication)能力,省去外部配線大幅提高系統(tǒng)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(zhǔn)的跨模塊同步觸發(fā)。

          4) 提供低時鐘歪曲的10MHz參考時脈。

          5) 基于開放架構(gòu),PXI聯(lián)盟成員提供數(shù)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。

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          基于PXI架構(gòu)之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。

          其特點有:

          1) 支持PXI及IVI-Switch API標(biāo)準(zhǔn)

          硬件上可發(fā)揮PXI系統(tǒng)之高度效能;應(yīng)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(dá)穩(wěn)態(tài)后,自動發(fā)出觸發(fā)信號。使用者亦可自設(shè)穩(wěn)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(tài)(scan-list)并自動切換(auto-scan)

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

          4) 支持TTL觸發(fā)以連接外部儀器

          可以將Trigger Input 及Scanner-advanced Output連接至諸多外部設(shè)備,如數(shù)字電表、頻譜分析儀、功率計等,充分利用原有硬件投資。當(dāng)然,使用者亦可透過PXI GPIB Module達(dá)到對外部儀器的完全控制。

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

          使用者也能將外部觸發(fā)訊號透過觸發(fā)總線或星狀觸發(fā)信號送至PXI系統(tǒng)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(guān)狀態(tài)復(fù)歸(Reset)至使用者默認(rèn)值。若為無人監(jiān)控之自動控制系統(tǒng),看門狗定時器亦可于主系統(tǒng)當(dāng)機時,自動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(jiān)控系統(tǒng)或電力系統(tǒng),PXI Switch Module可以備援方式接駁;一旦硬件故障即以軟件移轉(zhuǎn)控制權(quán),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(shè)計(Stackable Design)

          子母板架構(gòu)最高可以將通道數(shù)擴增為4倍。除了重新設(shè)定繼電器開關(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(tǒng)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(tǒng)架構(gòu)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PXI-GPIB控制卡聯(lián)機。被測物(DUT)產(chǎn)生的特性參數(shù)、傳遞函數(shù)或時域信號,可采用PXI-2000、TE-6100等高性能數(shù)據(jù)擷取卡進(jìn)行采樣。而后藉由ADLINK DAQBench OCX進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、產(chǎn)生視覺反饋或制作Excel報表;當(dāng)然,基于PXI的開放特性,亦可使用LabVIEW, Mathlab, Dasylab等Third-party工具執(zhí)行相關(guān)工作,充分利用原本的軟件投資。

          PXI Switch Module在此一自動測試系統(tǒng)中,扮演了信號開關(guān)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(chǎn)生設(shè)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(shè)備的產(chǎn)出效能得以最佳化。

          PXI Switch Module的自動時序控制及觸發(fā)功能,能大幅簡化程序與外部配線,使用者可以更專注于數(shù)據(jù)分析與系統(tǒng)整合。

          圖6

          總結(jié)

          智能型PXI Switch Module可以降低測試系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)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(tǒng)應(yīng)用,PXI Switch Module提供的多項安全性設(shè)計,能提升系統(tǒng)妥善率且更易于在線維修。



          關(guān)鍵詞: Module Switch PXI 智能型

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