Implementering av et kompakt og fleksibelt automatisert testsystem ved hjelp av flerfunksjonelle PXI I/O-pakker

Implementeringen av et flerfunksjonelt automatisert testsystem for konstruksjonsvalidering, komponenttesting og produksjonstesting av systemer for industri, forbrukere, kjøretøy, medisin og annen elektronikk, krever en rekke test- og måleinstrumenter. Det store antallet sensorer som brukes i moderne konstruksjoner krever også flere analoge og digitale kanaler, og et gitt testmiljø må være i stand til å skalere enkelt og kostnadseffektivt.

Det kan være utfordrende å oppfylle disse kravene ved å bruke frittstående testutstyr. I stedet kan konstruktører velge en modulær tilnærming ved å bruke en standardisert formfaktor som PXI (PCI eXtensions for Instrumentation). Dette kan gi fleksibiliteten og produktivitetsgevinsten som trengs for et testmiljø med flere funksjoner og flere kanaler som endrer seg raskt, samtidig som kostnadene holdes nede på et minimum.

Denne artikkelen gir en kort innføring i PXI og bruker et prøveoppsett for å fremheve fordelene. Den introduserer deretter flerfunksjonelle PXI I/O-kapslinger fra NI, og tar for seg hvordan disse kan konfigureres.

Derfor bør PXI brukes

Etter hvert som testmiljøer blir mer og mer komplekse, resulterer bruken av frittstående utstyr i flere skjermer, frontpaneler, linjekabler og trege instrumentdatamaskingrensesnitt. Dette fører til forvirring og unødvendige feil som forlenger testtiden og reduserer produktiviteten. I tillegg kan det være vanskelig og kostbart å oppdatere eller rekonfigurere «rack-og-stabling»-testsystemer (rack-and-stack) for å legge til funksjoner, for eksempel flere kanaler. Instrumenter med én enkel funksjon krever utveksling av hele instrumentet for å endre funksjonalitet, og den tilknyttede kommunikasjonen, synkroniseringen og omprogrammeringen kompliserer problemet.

PXI-instrumenter tilbyr den nødvendige funksjonaliteten i en standard og kompakt formfaktor. I dette scenariet passer flere instrumenter, slik som analoge og digitale inngangs-/utgangskanaler (I/O-kanaler), side om side i et felles kabinett. PXI forenkler også tillegging og integrering av mer komplekse instrumenter som oscilloskoper, multimetre og signalgeneratorer. Instrumentene kommuniserer internt med en felles busstruktur, noe som sikrer synkron drift, mens en datamaskin som kjører samlende (unifying) programvare gjør at alle instrumentene kan styres fra en felles skjerm.

Et vanlig testscenario

Ett eksempel som demonstrerer typen målinger som den flerfunksjonelle I/O-modulen er konstruert for å håndtere, omfatter en regulerbar overføring (VSD – variable speed drive) i et intelligent bevegelsesstyringssystem som krever flere typer sensorer (figur 1).

Figur 1: En VSD bruker flere analoge og digitale sensorer som må testes og få funksjonaliteten verifisert. (Bildekilde: Art Pini)

Testing av sensorkomponentene i en VSD sikrer riktig drift av motortemperatur, rotasjonshastighet, akselposisjon, moment og vibrasjonsnivåsensorer. De fleste sensorutgangene er analoge signaler med lav signalbåndbredde på mindre enn 1 megahertz (MHz). Noen analoge sensorer, for eksempel anisotropisk magnetoresistive (AMR – anisotropic magnetoresistive) strømsensorer og akselposisjonssensorer, bruker resistive broer og krever differensialinnganger i måleinstrumentet. Noen sensorer, for eksempel turtelleren, kan være digitale og kreve én eller flere digitale innganger for overvåking.

Flerfunksjonelle I/O-testmoduler er godt egnet for testing av disse sensortypene, og tilbyr analoge spenningsområder, båndbredder og samplingshastigheter som er tilpasset de analoge sensorutgangene. De inkluderer også digitale I/O-kanaler med samplingshastigheter som er høyere enn datahastighetene som testes.

Det er lignende testkrav for konstruksjoner i robotteknikk, bilindustrien og industrielle miljøer, der flere sensorer brukes i hver konstruksjon.

Den flerfunksjonelle I/O-testpakken

PXI-pakker fra NI består av et femspors PXI-kabinett og én av to flerfunksjonelle I/O-moduler fra NI. De flerfunksjonelle PXI-modulene tilbyr en blanding av funksjoner, slik som analog I/O, digital I/O, teller/timer og utløsning (figur 2).

Figur 2: En flerfunksjonell PXI I/O-pakke gir et frittstående automatisert test- og målesystem, inkludert en flerfunksjonell PXI I/O-modul og fire åpne spor for flere instrumenter. (Bildekilde: NI)

Kabinettet forsyner strøm og en intern busstruktur som kobler sammen alle modulene via bakpanelet. PXIe-bussen muliggjør utløsning og synkronisering av flere instrumenter. PXIe er et undersett av PXI som bruker et høyhastighets serielt grensesnitt i stedet for PXIs parallelle databuss. Et Thunderbolt 3-grensesnitt gir et raskt grensesnitt via en USB 3.0-kontakt til en datamaskin. To USB 3.0-kontakter muliggjør seriekobling av flere PXIe-kabinetter. De fire åpne sporene kan romme andre instrumenter, slik som oscilloskoper, digitale multimetre, bølgeformgeneratorer, multiplekserbrytere, kildemålingsenheter og strømforsyninger.

For eksempel består NI sin flerfunksjonelle 867123-01 I/O-pakke av et femspors PXIe-1083-kabinett, en flerfunksjonell PXIe-6345 I/O-modul og tilknyttede kabler. Alternativt bruker 867124-01-pakken samme kabinett og kabler, men bruker en PXIe-6363-modul der inngangen har kontakter for masseterminering på frontpanelet (figur 3).

Figur 3: En detaljert visning av den flerfunksjonelle NI PXIe-6363 I/O-modulen inkluderer en visning av inngangskontaktens masseterminering på frontpanelet. (Bildekilde: NI)

De to produktbuntene varierer i antall analoge inngangskanaler, antall analoge utgangskanaler, antall digitale I/O-kanaler og den maksimale samplingsfrekvensen (i kilosamplinger per sekund (kS/s) og megasamplinger per sekund (MS/s)) (tabell 1).

Tabell 1: Her vises en sammenligning av de flerfunksjonelle I/O-pakkene PXIe-867123 og PXIe-867124-I/O. (Tabellkilde: Art Pini)

Analoge kanaler

De interne konfigurasjonene for begge pakkene med analog inngang (AI) er identiske. En enkel analog-til-digital-omformer (ADC) deles over flere inngangskanaler ved hjelp av en analog multiplekser (Mux), som sekvenserer hver inngang (figur 4).

Figur 4: Konfigurasjonen av de analoge kanalinngangene inkluderer en multiplekser for å rute de individuelt konfigurerte inngangene til én enkel A-D-omformer. (Bildekilde: NI)

Inngangssignaler er koblet til via frontpanelets I/O-kontakt. I tillegg er AI-sensortilkoblingen og AI-jord også tilgjengelig for å etablere nøyaktige referansenivåer for målinger. Multiplekseren velger én av de analoge inngangene. Dette kan være én enkel kanal for flere målinger, eller flere kanaler for sekvensbaserte målinger. Den valgte kanalen rutes gjennom konfigurasjonsvalget for den analoge inngangen. Det er tre inngangskonfigurasjoner: differensial, referert ensidig jordet (RSE – referenced single-ended) eller ikke-referert ensidig jordet (NRS – non-referenced single-ended). Differensialtilkoblingen, som anbefales for jordingsfrie kilder, bruker to av de tilgjengelige analoge inngangene som inverterende og ikke-inverterende differensialinnganger. Differensialinngangene er ikke jord-refererte, og kan kobles til jordingsfrie kilder. Konfigurasjonen av differensialinngangen undertrykker fellesmodusstøy.

RSE-inngangskonfigurasjonen knytter den inverterende inngangen (AI-) til jord på ett enkelt punkt, enten på AI-jord for en jordingsfri kilde, eller på kilde-jord for en jord-basert kilde.

NRSE-konfigurasjonen for en jordingsfri kilde kobler AI-inngangen for den negative terminalen til kilden og til AI-deteksjonslinjen med en resistiv retur til AI-jord. For en jord-referert kilde, kobles AI-terminalen direkte til kilde-jord og til AI-deteksjonslinjen.

Den konfigurerte inngangen rutes til NI-instrumentforsterkeren for programmerbar forsterkning (NI-PGIA – NI programmable gain instrumentation amplifier), som forsterker eller demper det innkommende signalet for å samsvare med inngangsspenningsområdet til A-D-omformeren. Det er syv programmerbare inngangsspenningsområder for de analoge signalene på mellom ±100 millivolt (mV) og ±10 volt. Inngangsområdet til hver inngangssignalkanal er individuelt programmerbart, og forsterkningen veksles sammen med inngangssignalet. NI-PGIA-en minimerer innsvingningstiden for alle inngangsspenningsområder for å maksimere nøyaktigheten til spenningsmålingen.

A-D-omformeren for begge digitalisatorene har en 16-bits amplitudeoppløsning. Det analoge signalet kvantiseres til 65 536 mulige nivåer. Dette gir en oppløsning på 320 mikrovolt (mv) i ±10 volt-området, og 3,2 mv i ±100 mV-området.

De digitaliserte utgangene til A-D-omformeren lagres i AI FIFO-minnet (AI FIFO – AI first in, first out).

De flerfunksjonelle modulene har også en analog utgang (AO). Det er enten to eller fire analoge utganger, avhengig av modellen, med en felles utgangsklokke (figur 5).

Figur 5: I et typisk analogt utgangstrinn vil AO FIFO-minnebufferen holde bølgeformens samplingsverdier lastet ned fra verten. (Bildekilde: NI)

AO FIFO-minnebufferen inneholder bølgeformens samplingsverdier som lastes ned fra vertsdatamaskinen. Ved å ha samplingene lagret i FIFO-en, kan analoge bølgeformer sendes til utgangen uten datatilkoblingen. AO-samplingsklokken klokker dataene fra FIFO-en inn i D-A-omformerne (DAC), som omformer de digitale samplingsverdiene til en analog spenning. AO-referansevalget (AO Reference Select) brukes til å endre det analoge utgangsområdet. AO-referansevalget kan angis til 10 eller 5 volt, eller en ekstern referanse kan påføres via den analoge PFI-en (APFI).

Digitale kanaler

Digitale kanaler inkluderer både inngangs- og utgangsmuligheter for å hente inn eller generere digitale signaler på en felles linje (figur 6).

Figur 6: Toveis digitale I/O-linjer (P0.x) kan hente inn og generere digitale signaler. (Bildekilde: NI)

P0.x-linjene fungerer med statiske eller høyhastighets digitale linjer som innganger eller utganger. Modulene i PXIe-63xx-serien har også seksten PFI-linjer (PFI – Programmable Function Interface) som kan konfigureres som et PFI-grensesnitt eller en digital I/O-kanal. Som inngang kan PFI-kanalen rute en ekstern kilde for funksjoner som analog inngang, analog utgang, digital inngang, digital utgang eller teller/timer. Som utgang kan mange av funksjonene, analog inngang, analog utgang, digital inngang, digital utgang eller teller/timer, dirigeres til hver PFI-terminal.

Alle disse linjene aksepterer logiske høye nivåer på mellom 2,2 og 5,25 volt og logiske lave nivåer fra 0 til 0,8 volt. De digitale linjene klokkes til opptil 10 MHz.

Det er et digitalt filter på hver digitale linje som brukes til å fjerne rippel på de digitale inngangssignalene. Det er tre filterinnstillinger basert på filterklokkefrekvensen som brukes: kort, middels eller høy. Den korte innstillingen garanterer at en pulsbredde på mer enn 160 nanosekunder (ns) vil passere, medium-innstillingen lar pulsbredder på 10,24 mikrosekunder (ms) eller mer passere, og den høye innstillingen lar pulsbredder på 5,12 millisekunder (ms) eller mer passere. Pulser med bredder som er smalere enn halvparten av den passerte pulsbredden, er garantert å bli dempet.

Hvis vi går tilbake til VSD-motoreksemplet, kan de digitale inngangene brukes til å dekode akselposisjonen. Akselposisjonen kan avleses fra de digitale utgangene til en optisk koder (enkoder). Den optiske koderen har tre digitale utganger: En en-gang-per-omdreining-indekspuls og to firkantbølger med en faseforskjell på 90˚ kalt kvadraturutganger. Disse kvadraturutgangene kalles vanligvis «A» og «B». Ved å kombinere indekspulsen med kvadraturutgangene, kan absolutt akselorientering og rotasjonsretningen beregnes.

Teller/timere

Begge PXIe-modulene inkluderer fire generelle 32-bits teller/timer-trinn og et frekvensgenerator-trinn. Det er åtte signalinngangsbaner til hvert teller/timer-trinn, og inngangen til teller-timeren kan være et hvilket som helst av fjorten tilgjengelige signaler. Det valgte signalet må påføres klokken. Det er ingen regel for å telle ned teller/timer-inngangen. Teller/timerene kan brukes til å telle kanter, måle frekvens eller periode eller ta pulsmålinger som bredde, driftssyklus eller tiden mellom to kanter.

Et eksempel på et teller/timer-bruksområde er å måle frekvensen til indekspulsen fra den optiske koderen i VSD-motorillustrasjonen. Frekvensen kan skaleres for å lese motorens rotasjonshastighet i omdreininger per minutt.

Frekvensgeneratoren eller tellerutgangen kan generere en enkel puls, et pulstog, en konstant frekvens, frekvensdeling eller en ETS-pulsstrøm (ETS – equivalent time sampling).

ETS-pulsstrømmen produserer en pulsutgang med en økende forsinkelse fra tellergatepulsen. Dette kan gi samplingstiming for repeterende bølgeformer, med en høyere samplingsfrekvens for analoge innganger med frekvenser som er høyere enn Nyquist-frekvensen til digitalisatoren.

Programvarestøtte

Flere programvarepakker støtter flerfunksjonelle I/O-moduler. LabVIEW fra NI gir et grafisk programmeringsmiljø som forenkler datainnsamling, -behandling og -analyse. Den gjør det også mulig å opprette interaktive brukergrensesnitt for testing, overvåking, styring og dataarkivering.

For brukere som ønsker å generere sin egen kode, leverer NI drivere som støtter det valgte programmeringsspråket, deriblant Python, C, C++, C#, .NET og MATLAB.

NI tilbyr også en programvarepakke uten koding kalt FlexLogger. Med FlexLogger kan brukere vise, lagre og analysere testdata med integrerte behandlingsverktøy og egendefinerbare dashbord. Den har muligheten til å angi grenser for målte verdier og varsle om forhold utenfor grensene. FlexLogger gir også brukere muligheten til å tilpasse brukergrensesnittets visualiseringsverktøy ved å legge til grafer, numeriske indikatorer og målere (figur 7).

Figur 7: FlexLogger-skjermen viser målingen for vibrasjonen til en motor ved hjelp av et akselerometer, og en turteller for å se etter mekanisk resonans. (Bildekilde: NI)

Skjermen viser det skalerte vibrasjonsnivået i g mot tid i den øvre grafen. Turtelleravlesningen, som måler rotasjonshastigheten i o/min, vises som en måler nederst til hjørne. Den hurtige fouriertransformen (FFT – fast Fourier transform) (et av de tilgjengelige signalbehandlingsverktøyene) til vibrasjonsdataene viser vibrasjonsnivå mot frekvens i den nedre grafen.

Konklusjon

Testsystemer må tilpasse seg endrende krav på tvers av konstruksjoner som krever mange innganger/utganger (I/O). Den flerfunksjonelle I/O-pakken fra NI kan danne grunnlaget for et flerkanals automatisert testsystem som tilbyr en kombinasjon av analoge og digitale inngangs- og utgangskanaler og flere teller/timere. Den er innkapslet i et PXIe-kabinett med ekstra spor for andre modulbaserte test- og måleinstrumenter, og gir brukere skalerbarheten som er nødvendig for kostnadseffektive tester.