Slik fremskyndes systemdesign, validering og produksjonstest ved hjelp av modulære instrumenter og programvare

Det er behov for en rekke test- og måleinstrumenter (T&M-instrumenter) ved design, validering og produksjonstesting av komponenter og systemer for kjøretøyer-, forbruker-, industri-, medisinsk- og andre bruksområder. Disse seriene med test- og måleinstrumenter må være kompakte og ha høy ytelse. De trenger lav latens pluss høy kanaltetthet og båndbredde. I tillegg kan designbehovene endres over tid, så modularitet er et stort pluss for å fremtidssikre systemet. I mange tilfeller involverer disse test- og måleaktivitetene gjentatt testing, eller samarbeid mellom geografisk spredte lag, noe som gjør programvaredefinert testing til en svært ønskelig funksjon.

Bruk av en gruppe konvensjonelle instrumenter er en potensiell løsning. Imidlertid kan problemer med systemintegrasjon av enheter fra en rekke produsenter, inkludert informasjon som presenteres på flere skjermer, programvarekompatibilitet, kablingsmasser og mengden plass som kreves for mange diskrete instrumenter, være utfordrende.

I stedet kan designere av benytte seg av pakker med modulære instrumenter med høy ytelse og andre I/O-moduler med spesialisert synkronisering, samt viktige programvarefunksjoner, alt fra enhetsvalidering til automatisert produksjonstesting. Disse medfølgende enhetene er tilgjengelige i et kompakt, fem-spor (slot) PXI Express-målesystem som styres med en bærbar eller stasjonær datamaskin via en Thunderbolt USB-C-port.

Denne artikkelen begynner med en kort gjennomgang av ytelsesmålingene til modulære instrumentsystemer, inkludert analoge instrumenteringskategorier. Den presenterer deretter en sammenligning av ytelsen til forskjellige busser for modulære instrumentsystemer og ser på utfordringene knyttet til økende oppløsning og avtagende forsinkelser. Den avsluttes med å presentere PXI-programerbar strømforsyningsmoduler (Programmable Power Supply – PPS) fra NI, inkludert moduler for digitale multimetre, LCR-målere, oscilloskoper, multifunksjons I/O, bølgeformgeneratorer og kildemålingsenheter, sammen med programvareverktøy for automatisering av T & M-prosessen.

Hva slags måling er nødvendig?

Prosessen med å bestemme hvilken type test- og måleinstrument som trengs, begynner med et par grunnleggende spørsmål:

• Blir signalet målt som en inngang, en utgang eller begge deler?
• Er signalfrekvensen likestrøm (DC) eller vekselstrøm (AC), og hvis det er AC, er det i kilohertz (kHz), megahertz (MHz) eller gigahertz (GHz)?

Svarene på disse spørsmålene bidrar til å avgjøre om instrumentet som trengs er for likestrøm (DC) og effekt, lavhastighetsanalog, høyhastighetsanalog eller radiofrekvens (RF) og trådløse utrustninger (tabell 1).

Tabell 1: Det er flere grunnleggende kategorier av test- og måleinstrumenter basert på inngangs- og utgangskarakteristikker og ytelsesnivåer. (Tabellkilde: NI)

Analog instrument spesifikasjoner

Etter å ha bestemt den generelle typen instrument som trengs for en måleoppgave, er det på tide å identifisere de spesifikke ytelseskravene, inkludert:

• Grunnleggende signaler innbefatter å sikre at: signalområdet er stort nok til å fange opp de nødvendige signalene, impedansen støtter belastningen av DUT og frekvenskravene til målingen, og isolasjonen fra bakken støtter de nødvendige nivåene av støyimmunitet og sikkerhet.
• Båndbredde, i kHz, MHz eller GHz, må være tilstrekkelig til å håndtere signalene som måles, og analog-digital-omformeren (ADC) må være rask nok i form av sampler per sekund, slik som kilosamples per sekund (kS/s), megasamples per sekund, (MS/s), eller gigasamples per sekund (GS/s) for å fange opp de nødvendige signalnyanser.
• Oppløsning og nøyaktighet er også viktige hensyn. Er 8-biters, 24-bits eller annet nivå av oppløsning nødvendig? Hva er den maksimale feilprosenten i prosent eller deler per million som kan tolereres? I tillegg, hva er den nødvendige følsomheten i absolutte enheter som mikrovolt (µV) eller nanovolt (nV) som er nødvendig?

Ulike typer test- og måleinstrumenter krever forskjellige inngangsisolasjons- og impedansområder, inngangskoblings- og filtreringsspesifikasjoner, forsterkerfølsomhet og måleoppløsning og -nøyaktighet, som vist i eksempelet med analog-inngangsvei for måleinstrumentet (tabell 2).

Tabell 2: Ulike test- og måleinstrumenter, for eksempel et DMM og et oscilloskop, kan kreve svært varierende ytelsesegenskaper for en gitt måling. (Tabellkilde: NI)

Busser, båndbredde og ventetid

Test- og måleinstrumentene må kobles til en styring for å danne et testsystem. Kravene til signalbåndbredde og ventetid for tilkoblingsbussen er viktige hensyn. Båndbredde måler hastigheten som data overføres med, typisk i megabyte per sekund, mens latens måler forsinkelsen på dataene som overføres. Vanligvis brukte busser har vidt varierende kombinasjoner av båndbredde og latenstid (forsinkelse). En annen faktor er overføringsavstanden som bussen støtter. For eksempel kan den generelle grensesnittbussen (GPIB) og den universelle seriebussen (USB) støtte lignende nivåer av latens, men USB tilbyr høyere båndbredde. For sin del har Gigabit Ethernet middels båndbredde og høyere latens, men kan sende over mye lengre avstander.

Ved design av test- og målesystemer brukes ofte PCI og PCI Express. De er konstruerte for kortdistanseforbindelser, opptil ca. 1 meter (m), og gir høy båndbredde og lav latens (figur 1). En viktig egenskap ved PCI Express er at den gir dedikert båndbredde for hver enhet på bussen. Dette gjør PCI Express til den foretrukne sammenkoblingsbussen for høyytelses- og dataintensive utrustninger som sanntids test- og målesystemer der det er nødvendig å integrere og synkronisere driften av flere instrumenter.

Figur 1: PCI/PXI Express tilbyr den høyeste ytelseskombinasjonen av oppløsning og ventetid. (Bildekilde: NI)

Pakke med test- og måleinstrument

Designere kan benytte seg av PXI PPS-pakkene fra NI som grunnlag for høyytelses test- og målesystemer. PXI PPS-modulene sørger for de grunnleggende kraftbehovene til DUT og kan utvides med mange test- og målemoduler for å støtte en rekke enhetskarakterisering, designvalidering og produksjonstestutrustninger. Chassiset leverer opptil 58 watt strøm og kjøling for ekstra instrumenter, PXIe-tilkoblinger med høy ytelse og en integrert Thunderbolt-link for tilkobling til en ekstern stasjonær eller bærbar datamaskin, som fungerer som systemstyring (figur 2).

Figur 2: En grunnleggende PXI PPS-pakke innbefatter en styring, en PPS-modul og spor (slots) for fire flere PXI-instrumenter. (Bildekilde: NI)

PPS-ene kan brukes til å levere programmerbar strøm til en DUT mens du styrer og overvåker strøm- og spenningsnivåene for å måle strømforbruket. De har to isolerte 60 watts kanaler med fjernmåling for å korrigere for tap i systemledninger, med en typisk virkningsgrad på 78 %. Kanalene innbefatter også utgangskoblinger som kan isolere DUT når den ikke testes.

Eksempler på ekspanderbare PXI PPS-pakker med 120 watt effekt for DUT innbefatter 867117-01 med en PXIe-4112 tokanals PPS (som modell 782857-01) som kan levere maksimalt 1 ampere (A) ved 60 volt DC per kanal, og 867118-01 med en PXI2-4113 tokanals PPS (som modell 782857-02) som kan levere opptil 6 A ved 10 volt DC per kanal (figur 3).

Figur 3: PXI PPS-pakker er tilgjengelige med et valg av strømforsyninger som har utganger på 60 volt DC (venstre) eller 10 volt DC (høyre). (Bildekilde: NI)

Hurtigstart av test- og målesystemer

NI tilbyr designere en rekke PXI-pakker for å komme i gang med utviklingen av test- og målesystemer. Eksempler innbefatter:

PXI Waveform Generator-pakker som kan brukes til å generere standardfunksjoner og brukerdefinerte, vilkårlige bølgeformer. PXI-bølgeformgeneratorpakkene fra NI har opptil to utgangskanaler med av båndbredde opptil 80 MHz, A± 12 volt utgangsområde og 800 MS/s maksimal oppdateringsfrekvens. For eksempel, så innbefatter 867119-01 en 20 MHz vilkårlig funksjonsgenerator.

PXI Oscilloskoppakker har opptil åtte kanaler som kan ta prøver ved hastigheter på opptil 5 GS/s med 1,5 GHz analog båndbredde. Pakke 867010-01 innbefatter en 60 MHz oscilloskopmodul.

PXI SMU-pakken (Source Measure Unit Bundles), som 867111-01, er konstruerte for å automatisere likestrømsmålinger DC-målinger og tester. SMU-ene har fire-kvadrantdrift, rekkevidde opp til ±200 volt og ±3 A, og følsomhet så lav som 100 femtoampere (fA). PXI SMU-pakkene kombinerer muligheten til å utføre sveip med høy effekt og målinger med lav strømstyrke.

PXI LCR-pakker som 867113-01 kan brukes til å gjøre likestrøm (DC)- og impedansmålinger ved å kombinere en LCR-måler og en SMU i et enkelt instrument. Dette instrumentet gir målinger i fA for strøm og fF (femtofarad) for kapasitans i en PXI formfaktor med enkeltspor.

PXI DMM-pakker støtter manuelt oppmålte (hand-probed), svitsjede og automatiserte målinger med digitalt multimeter (DMM-målinger) med høy nøyaktighet og oppløsning på opptil 7,5 sifre. En høy samplingshastighet tillater brukere å karakterisere transienter uten behov for et oscilloskop. Brukere kan også konfigurere utløsere for innhenting og/eller sekvensering. For eksempel har 867115-01 en 6,5-sifret skjerm.

PXI Nanovolt-målepakker er høyoppløselige analoge inngangsmoduler med opptil 28-biters oppløsning. De innbefatter en chopping-modus som bruker et par kanaler for å gi høye nivåer støydempning, noe som muliggjør nøyaktige og repeterbare nV-målinger og innebygd signalgjennomsnitt og filtrering, så vel som automatisk nullmålingssvitsjing. Modell 867125-01 har 32 kanaler, 28-bits oppløsning og 2 MS/s sampling.

PXI Multifunction I/O-pakker, som 867124-01, leverer en blanding av analoge I/O, digital I/O, teller/timer og utløserfunksjoner. PXI multifunksjons-I/O-buntene har opptil fire analoge utgangskanaler, 48 toveis digitale kanaler, 80 analoge inngangskanaler og en samplingshastighet på 2 MS/s.

Programvare definerer systemet

I tillegg til omfattende maskinvaremoduler, tilbyr NI designere av test- og målesystemer et utvalg av programvareutviklingsmiljøer, inkludert InstrumentStudio og LabVIEW.

Inkludert med NI PXI-instrumenter, gir InstrumentStudio testingeniører et enkelt programvaremiljø uten kode for å overvåke og feilsøke automatiserte testsystemer. I tillegg kan brukerne opprette skjermer som presenterer data fra flere instrumenter samtidig (figur 4). Verktøy gjør det mulig for brukere å ta skjermbilder og måleresultater og lagre konfigurasjoner på prosjektnivå for DUT-er som kan gjenbrukes eller deles med andre utviklere.

Figur 4: InstrumentStudio kan presentere data fra flere instrumenter på én skjerm. For eksempel fra et oscilloskop (stort venstre panel), en DMM (øverst til høyre panel) og en funksjonsgenerator (nederst til høyre panel). (Bildekilde: NI)

LabVIEW er NIs programvaredefinerte testutviklingsmiljø. Med sitt grafiske brukergrensesnitt (GUI) kan testingeniører raskt utvikle automatiserte testsystemer for forskning, validering og produksjon. På et grunnleggende nivå gjør LabVIEWs grafiske tilnærming det mulig for ikke-programmerere å dra og slippe virtuelle representasjoner av instrumenter for å bygge test- og måle-programmer, lage interaktive brukergrensesnitt og lagre data til .cvs, .tdms eller egendefinerte binære filer.

Mer avanserte programmerere kan dra nytte av tilgjengelige drivere for Python, C, C++, C#, .NET og MATLAB. NI tilbyr også en pakke med programvareverktøy for utvikling av omfattende test- og målemiljøer, inkludert:

• TestStand for å lage automatiserte testsekvenser
• G Web-utviklingsprogramvare for å bygge/lage webapplikasjoner
• DIAdem for interaktiv dataanalyse
• FlexLogger for datainnsamling for test, måling og logging

Konklusjon

Å lage programvaredefinerte testmiljøer for design, validering og produksjonstesting av komponenter og systemer krever bruk av flere test- og måleinstrumenter. I stedet for å bruke instrumenter fra flere leverandører med tilknyttede tilkoblingsmuligheter, kostnader og plassbehov, kan testingeniører slå seg til instrumentbunter fra NI som kan brukes til å produsere kompakte, fleksible og høyytelses testsystemer. NI tilbyr også et utvalg av programvaremiljøer for å fremskynde utviklingsprosessen.

Anbefalt lesing

1. Slik bygges et kompakt datainnsamlingssystem
2. Bruk benk-strømforsyningsfunksjoner for programmerbarhet, nettverk og blyfri fjernmåling