基于PXI架构的智能型Switch Module的性能特点及应用分析
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。
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。
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。
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。
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。
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。
总结
智能型pxi switch module可以降低测试系统设计的复杂度，增加量测效能，并充分利用原本的软硬件投资。对于自动控制系统应用，pxi switch module提供的多项安全性设计，能提升系统妥善率且更易于在线维修。
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当自动驾驶遇上机器人三大定律时
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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。
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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。
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。
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。
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。
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。
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。
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2） 硬件辅助之过程控制
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3） 可储存1024路继电器状态（scan-list）并自动切换（auto-scan）
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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。
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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。
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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。
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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。
总结
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