Miten nopeuttaa järjestelmän suunnittelua, validointia ja tuotantotestausta käyttäen modulaarisia mittalaitteita ja -ohjelmistoja

Kun komponentteja ja järjestelmiä suunnitellaan, validoidaan ja tuotantotestataan autoteollisuuden, kuluttajalaitteiden, teollisuuden, lääketieteen jne. sovelluksia varten, tarvitaan lukuisia testaus- ja mittauslaitteita (T&M). Näiden T&M-laitteiden on oltava pienikokoisia ja suorituskykyisiä. Niillä pitää olla alhainen viive sekä korkea kanavatiheys ja kaistanleveys. Lisäksi suunnittelutarpeet voivat muuttua ajan mittaan, joten modulaarisuus on erittäin hyödyllinen piirre järjestelmän tulevan kehityksen kannalta. Monissa tapauksissa T&M-toimenpiteet käsittävät toistuvaa testaamista tai yhteistyötä erillisten tiimien kesken, mikä tekee ohjelmistomääritellystä testauksesta erittäin toivottavan ominaisuuden.

Yksi mahdollinen ratkaisu on käyttää joukkoa perinteisiä laitteita. Ongelmat useiden eri valmistajien laitteiden järjestelmäintegraatiossa, mukaan lukien useilla näytöillä esitettävät tiedot, ohjelmistoyhteensopivuus, kaapelien runsas määrä ja monien erillisten laitteiden vaatima tila, voivat kuitenkin olla haastavia.

Tämän sijasta T&M-järjestelmien suunnittelijat voivat käyttää suorituskykyisten modulaaristen laitteiden ja muiden I/O-moduuleiden muodostamaa kokonaisuutta, jossa on erikoistunut synkronointi ja tärkeitä ohjelmisto-ominaisuuksia laitteen validoinnista automatisoituun tuotantotestaamiseen. Tällaiset yksiköt ovat saatavilla kompaktina, viisipaikkaisena PXI Express -mittausjärjestelmänä, jota ohjataan kannettavalla tietokoneella tai pöytätietokoneella Thunderbolt USB-C -portin kautta.

Tämän artikkelin alussa luodaan lyhyt katsaus modulaaristen mittalaitejärjestelmien suorituskykymittareihin, mukaan lukien analogisten mittalaitteiden kategoriat. Sen jälkeen esitetään erilaisissa modulaarisissa mittalaitejärjestelmissä käytettävien väylien suorituskykyvertailu ja tarkastellaan resoluution kasvattamiseen ja viiveiden lyhentämiseen liittyviä ongelmia. Lopuksi artikkelissa esitellään NI-yrityksen ohjelmoitavien virtalähteiden (PPS) PXI-laitekokonaisuudet sekä moduulit digitaalisille yleismittareille, LCR-mittareille, oskilloskoopeille, monitoimi-I/O:lle, aaltomuotogeneraattoreille ja lähdemittayksiköille sekä ohjelmistotyökaluja T&M-prosessin automatisointiin.

Millaisia mittauksia tarvitaan?

Tarvittavan T&M-laitetyypin määrittämisprosessi alkaa muutamalla peruskysymyksellä:

• Onko mitattava signaali tulo, lähtö vai molemmat?
• Onko signaalitaajuus tasavirtaa (DC) vai vaihtovirtaa (AC), ja jos se on vaihtovirtaa, onko se kilohertsi- (kHz), megahertsi- (MHz) vai gigahertsialueella (GHz)?

Näihin kysymyksiin vastaamalla voidaan selvittää, onko tarvittava laite tasavirtaa ja virransyöttöä varten, matalanopeuksisia analogisia, suurinopeuksisia analogisia vai radiotaajuuksisia (RF) ja langattomia sovelluksia varten (taulukko 1).

Taulukko 1: T&M-laitteiden perusluokkia on useita. Luokat perustuvat tulo- ja lähtöominaisuuksiin sekä suorituskykytasoihin. (Taulukon lähde: NI)

Analogisen instrumentin tekniset tiedot

Kun mittaustehtävään tarvittavan laitteen yleinen tyyppi on määritetty, on aika selvittää nimenomaiset suorituskykyvaatimukset, kuten seuraavat:

• Signaalimittauksen perusteita ovat muun muassa sen varmistaminen, että signaalialue on riittävän laaja vaadittujen signaalien mittaukseen, impedanssi tukee testattavan laitteen kuormitusta ja mittauksen taajuusvaatimuksia sekä että maasta erottaminen tukee vaadittuja kohinaimmuniteetti- ja turvallisuustasoja.
• Kaistanleveyden (kHz-, MHz- tai GHz-alue) pitää olla riittävä mitattavien signaalien mittaamista varten, ja analogi-digitaalimuuntimen (ADC) on kyettävä ottamaan tarpeeksi monta näytettä sekunnissa, esimerkiksi kilonäytettä sekunnissa (kS/s), meganäytettä sekunnissa (MS/s) tai giganäytettä sekunnissa (GS/s) vaadittujen signaalin ominaisuuksien mittaamiseksi.
• Myös resoluutio ja tarkkuus ovat tärkeitä. Tarvitaanko 8-bittinen, 24-bittinen tai muu resoluutiotaso? Mikä on suurin hyväksyttävä virhemäärä prosentteina tai miljoonasosina? Mikä on lisäksi vaadittava herkkyys absoluuttisissa yksiköissä, kuten mikrovolteissa (μV) tai nanovolteissa (nV)?

Erityyppiset T&M-laitteet vaativat erilaisia tulon erotuksia ja impedanssialueita, tuloliitännän ja suodatuksen määrityksiä, vahvistinherkkyyksiä sekä mittausresoluutioita ja -tarkkuuksia, kuten mittauslaitteen analogisen tulopolun esimerkistä käy ilmi (taulukko 2).

Taulukko 2: Erilaiset T&M-laitteet, kuten digitaalinen yleismittari ja oskilloskooppi, voivat vaatia hyvin erilaiset suorituskykyominaisuudet suoritettavaa mittausta varten. (Taulukon lähde: NI)

Väylät, kaistanleveys ja viive

T&M-laitteet on kytkettävä ohjaimeen testijärjestelmän muodostamista varten. Liitäntäväylän signaalin kaistanleveyttä ja viivettä koskevat vaatimukset ovat tärkeitä. Kaistanleveys mittaa nopeutta, jolla tietoja lähetetään, tyypillisesti megatavuina sekunnissa, ja viive mittaa siirrettävän tiedon viivettä. Yleisesti käytetyissä väylissä on hyvin erilaisia kaistanleveyden ja viiveen yhdistelmiä. Toinen tekijä on väylän tukema siirtoetäisyys. Esimerkiksi GPIB-väylä ja USB voivat tarjota samaa tasoa olevan viiveen, mutta USB tarjoaa korkeamman kaistanleveyden. Gigabitin Ethernetillä puolestaan on keskitasoinen kaistanleveys ja suurempi viive, mutta se voi siirtää tietoa paljon pidempiä matkoja.

T&M-järjestelmiä suunniteltaessa käytetään usein PCI- ja PCI Express ‑väyliä. Ne on suunniteltu lyhyen matkan linkkeihin, etäisyys enintään 1 m, ja ne tarjoavat korkean kaistanleveyden ja alhaisen viiveen (kuva 1). Yksi PCI Expressin tärkeä ominaisuus on se, että se tarjoaa oman kaistanleveyden kullekin väylän laitteelle. Tämän ansiosta PCI Express on ensisijainen yhdysväylä suorituskykyisiin ja suuria tietomääriä vaativiin sovelluksiin, kuten reaaliaikaisiin T&M-järjestelmiin, joissa on tarpeen integroida ja synkronoida useiden mittauslaitteiden toiminta.

Kuva 1: PCI/PXI Express tarjoaa suorituskykyisimmän resoluutio- ja viiveyhdistelmän. (Kuvan lähde: NI)

T&M-mittauslaitekokonaisuudet

Suunnittelijat voivat käyttää NI:n PXI PPS ‑kokonaisuuksia suorituskykyisten T&M-järjestelmien pohjana. PXI PPS ‑moduulit tarjoavat perustason virransyötön testattavalle laitteelle, ja niitä voidaan laajentaa lukuisilla T&M-moduuleilla, jotka tukevat erilaisia laitteen kuvaamis-, suunnittelun oikeellisuustarkistus- ja valmistustestisovelluksia. Alusta tarjoaa jopa 58 watin tehon sekä jäähdytyksen lisälaitteille, suorituskykyiset PXIe-kytkennät ja integroidun Thunderbolt-linkin ulkoisena järjestelmän ohjaimena toimivan pöytätietokoneen tai kannettavan tietokoneen kytkemistä varten (kuva 2).

Kuva 2: PXI PPS ‑peruskokonaisuus sisältää ohjaimen, PPS-moduulin ja korttipaikat neljälle muulle PXI-laitteelle. (Kuvan lähde: NI)

PPS-toimintoa voidaan käyttää ohjelmoitavan virran syöttämiseen testattavalle laitteelle sekä virta- ja jännitetasojen valvontaan virrankulutuksen mittaamiseksi. Niissä on kaksi erotettua 60 watin kanavaa etätunnistuksella, ja niitä voidaan käyttää järjestelmän johdotushäviöiden korjausta varten. Niiden tyypillinen hyötysuhde on 78 %. Kanavissa on myös lähdön katkaisu, joilla testattava laite voidaan erottaa, kun sitä ei testata.

Esimerkkejä laajennettavista PXI PPS -kokonaisuuksista, jotka tarjoavat 120 watin tehon testattavalle laitteelle, ovat muun muassa 867117-01 kaksikanavaisella PXIe-4112 PPS-virtalähteellä (kuten malli 782857-01), joka voi syöttää jopa 1 A virtaa 60 DCV:n jännitteellä kanavaa kohti, ja 867118-01 kaksikanavaisella PXI2-4113 PPS-virtalähteellä (kuten malli 782857-02), joka voi syöttää jopa 6 A 10 DCV:n jännitteellä kanavaa kohti (kuva 3).

Kuva 3: PXI PPS ‑kokonaisuuksia on saatavana erilaisilla virtalähteillä, joiden lähtöjännitteet ovat 60 VDC (vasen) tai 10 VDC (oikea). (Kuvan lähde: NI)

Nopeasti vauhtiin T&M-järjestelmän kehittämisessä

NI tarjoaa suunnittelijoille valikoiman PXI-kokonaisuuksia, joiden avulla T&M-järjestelmän kehitystyössä päästään nopeasti vauhtiin. Esimerkkejä:

PXI-aaltomuotogeneraattorikokonaisuudet, joilla voidaan generoida vakiofunktioita ja käyttäjän määrittelemiä mielivaltaisia aaltomuotoja. PXI-aaltomuotogeneraattorikokonaisuuksissa on jopa kaksi lähtökanavaa, joiden kaistanleveys on jopa 80 MHz, ±12 voltin lähtöalue ja maksimi näytteenottotaajuus 800 MS/s. Esimerkiksi 867119-01 sisältää 20 MHz:n satunnaisfunktiogeneraattorin.

PXI-oskilloskooppikokonaisuuksissa on jopa kahdeksan kanavaa, jotka voivat ottaa näytteitä jopa 5 GS/s:n nopeudella ja 1,5 GHz:n analogisella kaistanleveydellä. 867010-01-kokonaisuus sisältää 60 MHz:n oskilloskooppimoduulin.

PXI-lähdemittayksikkö (SMU) -kokonaisuudet, kuten 867111-01, on suunniteltu tasavirtamittausten ja -testien automatisointiin. SMU-yksiköt tukevat nelikvadranttitoimintaa, jopa ±200 V ja ±3 A:n mittausalueita, ja niiden herkkyys on jopa 100 femtoampeeria (fA). PXI SMU -kokonaisuuksissa yhdistyy mahdollisuus suorittaa korkeatehoisia pyyhkäisyjä ja matalavirtaisia mittauksia.

PXI LCR ‑kokonaisuuksia, kuten 867113-01, voidaan käyttää DC- ja impedanssimittauksiin, koska ne yhdistävät LCR-mittarin ja SMU-yksikön yhteen ja samaan mittalaitteeseen. Tämä mittalaite tarjoaa fA-tason virta- ja femtofaraditason (fF) kapasitanssimittaukset yhden korttipaikan PXI-muodossa.

PXI DMM ‑kokonaisuudet tukevat käsin tehtyjä, kytkettyjä ja automatisoituja digitaalisia yleismittarilla suoritettavia mittauksia korkealla tarkkuudella ja jopa 7,5 numeron resoluutiolla. Korkean näytteenottonopeuden ansiosta käyttäjät voivat kuvata transientit tarvitsematta oskilloskooppia. Käyttäjät voivat myös määrittää liipaisimia tiedonkeruuta ja/tai jaksotusta varten. Esimerkiksi 867115-01 tarjoaa 6,5-numeroisen näytön.

PXI-nanovolttimittarikokonaisuudet ovat korkean resoluution analogitulolla varustettuja moduuleja, joissa on jopa 28-bittinen resoluutio. Ne sisältävät pulssitustilan, joka käyttää kanavaparia korkean kohinanvaimennuksen tarjoamiseen. Tämä mahdollistaa tarkat ja toistettavat nV-tason mittaukset, kortilla toteutetun signaalin keskiarvoistuksen ja suodatuksen sekä automaattisen nollamittauksen kytkennän. Mallissa 867125-01 on 32 kanavaa, 28-bittinen resoluutio ja näytteenottotaajuus 2 MS/s.

PXI-monitoimi-I/O-kokonaisuudet, kuten 867124-01, tarjoavat yhdistelmän analogi-I/O-, digitaali-I/O-, laskuri-/ajastin- ja liipaisutoimintoja. PXI-monitoimi-I/O-kokonaisuuksissa on jopa neljä analogista lähtökanavaa, 48 kaksisuuntaista digitaalista kanavaa, 80 analogista tulokanavaa ja näytteenottotaajuus 2 MS/s.

Ohjelmisto määrittää järjestelmän

Kattavien laitteistomoduulien lisäksi NI tarjoaa T&M-järjestelmien suunnittelijoille valikoiman ohjelmistokehitysympäristöjä, mukaan lukien InstrumentStudio ja LabVIEW.

NI:n PXI-mittalaitteiden mukana toimitettava InstrumentStudio tarjoaa testaajille automaattisten testijärjestelmien valvontaan ja vianmääritykseen yksittäisen ohjelmistoympäristön, joka ei vaadi koodausta. Lisäksi käyttäjät voivat luoda ruutuja, jotka esittävät tietoja useista mittalaitteista samanaikaisesti (kuva 4). Työkalujen avulla käyttäjät voivat tallentaa kuvakaappauksia ja mittaustuloksia sekä tallentaa testattaville laitteille projektitason määrityksiä, joita voidaan käyttää uudelleen tai jakaa muiden kehittäjien kanssa.

Kuva 4: InstrumentStudio voi esittää yhdessä ruudussa tietoja useista mittalaitteista. Esimerkiksi oskilloskoopista (suuri vasen paneeli), digitaalisesta yleismittarista (ylhäällä oikealla) ja funktiogeneraattorista (oikea alapaneeli). (Kuvan lähde: NI)

LabVIEW on NI:n ohjelmistomääritelty testauskehitysympäristö. Sen graafisen käyttöliittymän (GUI) avulla testaajat voivat nopeasti kehittää automatisoituja tutkimus-, validointi- ja tuotantotestausjärjestelmiä. Perustasolla LabVIEW:n graafinen lähestymistapa sallii ohjelmointia osaamattomien testaajien laatia T&M-ohjelmia vetämällä ja pudottamalla mittalaitteiden virtuaalisia vastineita, luoda interaktiivisia käyttöliittymiä ja tallentaa tietoja .cvs-, .tdms- tai räätälöidyissä binääritiedostomuodoissa.

Kokeneemmat ohjelmoijat voivat käyttää ohjelmointikielille Python, C, C++, C#, .NET ja MATLAB saatavia ajureita. NI tarjoaa myös ohjelmistotyökalupaketin kattavien T&M-ympäristöjen kehittämiseen, sisältäen mukaan lukien seuraavat työkalut:

• TestStand automatisoitujen testisekvenssien luomista varten
• G Web -kehitysohjelmisto verkkosovelluksien rakentamista varten
• DIAdem interaktiivista data-analyysiä varten
• FlexLogger T&M-tiedonkeruuta ja -kirjausta varten.

Yhteenveto

Ohjelmistomääriteltyjen testausympäristöjen luominen komponenttien ja järjestelmien suunnitteluun, validointiin ja tuotantotestaukseen edellyttää useiden T&M-laitteiden käyttöä. Sen sijaan, että testaajat käyttäisivät mittalaitteita useilta toimittajilta tähän liittyvine yhdistettävyys-, kustannus- ja tilavaatimuksineen, he voivat käyttää NI:n mittalaitekokonaisuuksia, joita voidaan käyttää kompaktien, joustavien ja suorituskykyisten testausjärjestelmien valmistamiseen. NI tarjoaa myös valikoiman ohjelmistoympäristöjä kehitysprosessin nopeuttamiseksi.

Suositeltavaa luettavaa

1. Kompaktin tiedonkeruujärjestelmän rakentaminen
2. Käytä laboratoriovirtalähteiden ohjelmoitavuutta, verkko-ominaisuuksia ja johdottomia etätunnistusominaisuuksia