Kompaktin ja joustavan automaattisen testijärjestelmän toteutus PXI-I/O-monitoimijärjestelmillä

Monitoimisten testijärjestelmien toteutus tuotanto- ja ajoneuvoteollisuuden, kuluttajatuotteiden, lääketieteen ja muiden alojen sähköisille järjestelmille tuotteiden validointia sekä komponentti- ja tuotantotestausta varten vaatii monenlaisia testi- ja mittausinstrumentteja. Lisäksi moderneissa järjestelmissä voidaan käyttää suurta määrää antureita, mikä vaatii useita analogisia ja digitaalisia kanavia. Testialustaa pitäisi myös pystyä skaalaamaan helposti ja kustannustehokkaasti.

Näiden vaatimusten täyttäminen voi olla haasteellista erillisillä testilaitteilla. Tämän sijaan suunnittelijat voivat käyttää modulaarista lähestymistapaa ja standardisoitua laitemuotoa, kuten PCI eXtensions for Instrumentation (PXI). Tämä voi parantaa nopeasti muuttuvan monitoimisen ja monikanavaisen testiympäristön vaatimaa joustavuutta ja tuottavuutta sekä minimoida kustannukset.

Tässä artikkelissa tarjotaan nopea johdanto PXI-teknologiaan ja esitellään sen tarjoamia hyötyjä esimerkkitestilaitteiston avulla. Sen jälkeen artikkelissa tutustutaan NI:n PXI-I/O-monitoimijärjestelmiin ja niiden konfigurointiin.

Miksi käyttää PXI-teknologiaa?

Kun testialusta muuttuu kompleksisemmaksi, erillislaitteiden käyttö johtaa helposti suureen määrään näyttöjä, etupaneeleita ja verkkojohtoja sekä hitaisiin instrumenttien ja tietokoneiden välisiin rajapintoihin. Tämä taas voi aiheuttaa hämmennystä ja turhia virheitä, jotka pidentävät testiaikaa ja laskevat tuottavuutta. Useista laitteista koottujen testijärjestelmien päivittäminen, uudelleenmääritys ja ominaisuuksien laajentaminen, esimerkiksi lisäämällä kanavia, voi olla hankalaa ja kallista. Yksitoimisten instrumenttien toiminnallisuuden muuttaminen vaatii koko instrumentin vaihdon, ja siihen liittyvä tiedonsiirto, synkronointi ja uudelleenohjelmointi monimutkaistavat asiaa entisestään.

PXI-instrumentit tarjoavat tarvittavat toiminnot kompaktissa standardimuodossa. Tässä skenaariossa samaan runkoon sijoitetaan vierekkäin eri instrumentteja, kuten analogisia ja digitaalisia tulo- ja lähtökanavia (Input/Output, I/O). PXI myös yksinkertaistaa monimutkaisempien instrumenttien, esimerkiksi oskilloskooppien, yleismittareiden ja signaaligeneraattorien, lisäämistä ja integrointia. Instrumentit kommunikoivat sisäisesti yhteisen väylärakenteen kautta, mikä varmistaa synkronoidun toiminnan. PC-tietokoneella käytettävä yhdistetty ohjelmisto mahdollistaa instrumenttien ohjauksen yhteisen käyttöliittymän kautta.

Yleinen testausskenaario

Yksi esimerkki I/O-monitoimimoduulille sopivista käyttökohteista on älykkään liikkeenohjausjärjestelmän taajuusmuuttaja (Variable Speed Drive, VSD), joka vaatii useita erityyppisiä antureita (kuva 1).

Kuva 1: VSD käyttää useita analogisia ja digitaalisia antureita, joiden toiminta pitää testata ja varmistaa. (Kuvan lähde: Art Pini)

VSD:n anturikomponenttien testaamisella voidaan varmistaa, että moottorin lämpötila, kiertonopeus, akselin asento, vääntömomentti ja värinätaso mitataan oikein. Useimpien antureiden lähdöt ovat analogisia signaaleja alle 1 megahertsin (MHz) matalalla kaistanleveydellä. Jotkin analogiset anturit, kuten anisotrooppiset magnetoresistiiviset (AMR) virta-anturit ja akseleiden asentoanturit, käyttävät vastussiltaa ja vaativat mittausinstrumentilta differentiaalituloja. Toiset taas voivat olla digitaalisia, kuten kierroslukumittarit, jotka tarvitsevat yhden tai useamman digitaalitulon valvontaa varten.

Monitoimiset I/O-testimoduulit sopivat hyvin tällaisten antureiden testaamiseen tarjoamalla analogiantureiden lähtöjä vastaavat jännitevälit, kaistanleveydet ja näytteenottotaajuudet. Niissä on myös digitaaliset I/O-kanavat, joiden näytteenottotaajuudet ovat suuremmat kuin testattavat tiedonsiirtonopeudet.

Samankaltaisia testivaatimuksia esiintyy myös robotiikan sekä auto- ja tuotantoteollisuuden sovelluksissa, joissa käytetään useita antureita.

I/O-monitoimijärjestelmä testauskäyttöön

NI:n PXI-järjestelmät sisältävät PXI-rungon viidellä laajennuspaikalla ja yhdellä NI:n kahdesta I/O-monitoimimoduulista. PXI-monitoimimoduulit tarjoavat valikoiman analogisia ja digitaalisia tuloja ja lähtöjä, laskuri/ajastimen ja laukaisutoiminnot (kuva 2).

Kuva 2: PXI-I/O-monitoimijärjestelmä tarjoaa automaattisen erillisjärjestelmän testausta ja mittausta varten ja siihen kuuluu PXI-I/O-monitoimimoduuli sekä neljä avointa laajennuspaikkaa muille instrumenteille. (Kuvan lähde: NI)

Runkoon kuuluu virtalähde ja sisäinen väylärakenne kaikkien moduuleiden yhdistämiseksi taustalevyn kautta. PXIe-väylä mahdollistaa useiden instrumenttien laukaisun ja synkronoinnin. PXIe on PXI-teknologian alijoukko, jossa käytetään PXI:n rinnakkaisväylän sijasta nopeaa sarjaliitäntää. Thunderbolt 3 ‑rajapinta tarjoaa USB 3.0 ‑liittimen kautta nopean liitännän tietokoneeseen. Kaksi USB 3.0 ‑liitäntää mahdollistavat usean PXIe-rungon ketjuttamisen. Neljään avoimeen paikkaan voidaan asentaa muita instrumentteja, kuten oskilloskooppeja, digitaalisia yleismittareita, aaltomuotogeneraattoreita, multiplekserikytkimiä, lähteen mittausyksiköitä ja virtalähteitä.

Esimerkiksi NI:n I/O-monitoimijärjestelmään 867123-01 kuuluu viiden laajennuspaikan PXIe-1083-runko, PXIe-6345-I/O-monitoimimoduuli ja näihin liittyvät kaapelit. Vaihtoehtoisesti 867124-01-järjestelmä käyttää samaa runkoa ja kaapelointia, mutta siinä on PXIe-6363-moduuli, jonka etupaneelissa on tulojen massaterminointiliitännät (kuva 3).

Kuva 3: PXIe-6363-I/O-monitoimimoduulin yksityiskohtainen näkymä, jossa on nähtävillä etupaneelin tulojen massaterminointiliitännät. (Kuvan lähde: NI)

Näiden kahden tuotejärjestelmän eroja ovat analogisten ja digitaalisten tulo- ja lähtökanavien määrä sekä suurin näytteenottotaajuus (tuhansia [kS/s] tai miljoonia [MS/s] näytteitä sekunnissa) (taulukko 1).

Taulukko 1: I/O-monitoimijärjestelmien PXIe-867123 ja PXIe-867124 vertailu. (Taulukon lähde: Art Pini)

Analogiset kanavat

Kummankin järjestelmän analogisten tulokanavien (Analog Input, AI) sisäiset konfiguraatiot ovat identtiset. Yksi analogi-digitaalimuunnin (Analog-to-Digital Converter, ADC) on jaettu usean tulokanavan kesken analogisen multiplekserin (Mux) avulla kunkin tulon jaksottamiseksi (kuva 4).

Kuva 4: Analogisten tulokanavien konfiguraatioon kuuluu Mux, joka reitittää erikseen konfiguroidut tulot yhteen AD-muuntimeen. (Kuvan lähde: NI)

Tulosignaalit kytketään etupaneelin I/O-liittimeen. Lisäksi käytettävissä olevat analogisen tulokanavan tunnistusliitäntä ja maadoitus mahdollistavat tarkat referenssitasot mittausta varten. Mux valitsee yhden analogituloista. Tämä voi olla yksi kanava useita mittauksia varten tai useita kanavia peräkkäisiä mittauksia varten. Valittu kanava reititetään analogisen tulokonfiguraation valinnan mukaan. Tulokonfiguraatioita on kolme erilaista: differentiaali, RSE (Referenced Single-Ended) ja NRSE (Non-Referenced Single-Ended). Kelluvien lähteiden kanssa suositeltava differentiaalikokoonpano hyödyntää kahta käytettävissä olevaa analogituloa invertoivana ja invertoimattomana differentiaalitulona. Differentiaalitulot eivät käytä maadoitusreferenssiä, ja ne voi kytkeä kelluviin lähteisiin. Differentiaalinen tulokonfiguraatio vaimentaa yhteismuotoista kohinaa.

RSE-tulokonfiguraatiossa invertoiva analogitulo (AI-) kytketään maahan yhdessä pisteessä, joka on kelluvan lähteen kohdalla analogitulon maadoitus ja ei-kelluvien lähteiden kohdalla lähteen maadoitus.

Kelluvan lähteen NRSE-konfiguraatiossa AI-tulo kytketään lähteen negatiiviseen napaan ja analogitulon tunnistuslinjaan resistiivisellä paluulla analogitulon maahan. Maadoitusreferenssiä käyttävän lähteen kohdalla AI-liitin kytketään suoraan lähteen maahan ja analogitulon tunnistuslinjaan.

Konfiguroitu tulo reititetään NI:n säädettävän vahvistuksen tarjoavaan instrumentaatiovahvistimeen (NI Programmable Gain Instrumentation Amplifier, NI-PGIA), joka vahvistaa tai vaimentaa signaalia vastaamaan ADC:n tulojännitealuetta. Analogisignaaleille on seitsemän eri ohjelmoitavaa tulojännitealuetta välillä ±100 millivolttia (mV) ja ±10 volttia. Kunkin tulosignaalikanavan tuloalue on ohjelmoitavissa erikseen, ja vahvistus kytketään yhdessä tulosignaalin kanssa. NI-PGIA minimoi asettumisajan kaikilla tulojännitealueilla maksimoidakseen jännitteen mittaustarkkuuden.

Kummankin digitoijan ADC käyttää 16 bitin amplitudiresoluutiota. Analoginen signaali kvantisoidaan 65 536 mahdolliselle tasolle. Tämä mahdollistaa 320 mikrovoltin (μV) resoluution ±10 voltin alueella ja 3,2 μV:n resoluution ±100 mV:n alueella.

ADC:n digitoidut lähdöt tallennetaan AI FIFO -muistiin (First In First Out).

Monitoimimoduulien ominaisuuksiin kuuluu myös analogilähtö (Analog Output, AO). Analogilähtöjä on mallista riippuen joko kaksi tai neljä, ja niillä on yhteinen lähtökello (kuva 5).

Kuva 5: Tyypillisessä analogisessa lähtöasteessa isäntätietokoneelta ladatut aaltomuodon näytearvot tallennetaan AO FIFO -muistiin. (Kuvan lähde: NI)

Isäntätietokoneelta ladatut aaltomuodon näytearvot tallennetaan AO FIFO -muistiin. Näytteiden tallentaminen FIFO-muistiin mahdollistaa analogisten aaltomuotojen pitämisen lähdössä myös ilman tietokoneliitäntää. Analogisen lähdön näytteenottokello kellottaa datan FIFO-muistista digitaali-analogimuuntimille (Digital-to-Analog Converter, DAC), jotka muuntavat digitaaliset näytearvot analogijännitteeksi. Analogisen lähdön referenssivalintaa käytetään analogisen lähtöalueen muuttamiseen. Analogisen lähdön referenssivalinnaksi voidaan asettaa 10 tai 5 volttia, tai siihen voidaan käyttää analogisen PFI:n (Analog Programmable Function Interface, APFI) kautta saatua ulkoista referenssiä.

Digitaaliset kanavat

Digitaalisiin kanaviin kuuluvat sekä tulo- että lähtöominaisuudet digitaalisten signaalien vastaanottamiseksi tai generoimiseksi yhteisellä linjalla (kuva 6).

Kuva 6: Kaksisuuntaiset digitaaliset I/O-linjat voivat (P0.x) vastaanottaa ja generoida digitaalisignaaleja. (Kuvan lähde: NI)

P0.x-linjat toimivat staattisten tai huippunopeiden digitaalisten linjojen kanssa tuloina tai lähtöinä. PXIe-63xx-sarjan moduuleissa on myös 16 PFI-linjaa (Programmable Function Interface) , jotka käyttäjä voi määrittää PFI-rajapinnaksi tai digitaaliseksi I/O-kanavaksi. Tuloksi konfiguroitu PFI-kanava voi reitittää ulkoisen lähteen analogista tai digitaalista tuloa tai lähtöä tai laskuri/ajastintoimintoja varten. Lähdöksi konfiguroituna monet analogisen tai digitaalisen tulon tai lähdön tai laskurin/ajastimen toiminnoista voidaan reitittää kuhunkin PFI-liitinnastaan.

Kaikki nämä linjat hyväksyvät loogisen korkean arvon välillä 2,2–5,25 volttia ja loogisen matalan arvon välillä 0–0,8 volttia. Digitaalisten linjojen enimmäiskellotaajuus on 10 MHz.

Kussakin digitaalisessa linjassa on digitaalinen suodatin digitaalisten tulosignaalien kosketusvärähtelyn estämiseksi. Suodatusasetuksia on kolme suodattimessa käytetyn kellotaajuuden perusteella: lyhyt, keskipitkä ja pitkä. Lyhyt asetus takaa, että yli 160 nanosekunnin (ns) pulssinleveys pääsee läpi, keskipitkä asetus päästää läpi vähintään 10,24 mikrosekunnin (μs) pulssinleveydet ja pitkä asetus taas vähintään 5,12 millisekunnin (ms) pulssinleveydet. Jos pulssileveys on alle puolet läpi päästettävästä pulssileveydestä, sen esto voidaan taata.

Jos palaamme VSD-moottorin esimerkkiin, digitaalituloja voidaan käyttää akselin asennon dekoodaukseen. Akselin asennon voi lukea optisen enkooderin digitaalilähdöistä. Optisella enkooderilla on kolme digitaalilähtöä: kerran kierrosta kohden generoitava indeksipulssi ja kaksi kvadratuurilähdöiksi kutsuttua kanttiaaltoa, joiden välinen vaihe-ero on 90 astetta. Näihin kvadratuurilähtöihin viitataan yleensä tunnuksilla A ja B. Yhdistämällä indeksipulssi kvadratuurilähtöihin voidaan laskea akselin absoluuttinen asento ja pyörimissuunta.

Laskurit/ajastimet

Kumpaankin PXIe-moduuliin kuuluu neljä yleiskäyttöistä 32 bitin laskuri/ajastinastetta sekä taajuusgeneraattoriaste. Kuhunkin laskuri/ajastinasteeseen on kahdeksan signaalin tulopolkua, ja laskurin/ajastimen tulo voi olla mikä tahansa 14 käytettävissä olevasta signaalista. Valittua signaalia pitää käyttää kelloon; laskurin/ajastimen tulon vähennystä ei tueta. Laskureita/ajastimia voidaan käyttää reunojen laskentaan, taajuuden tai keston mittaamiseen sekä pulssimittausten suorittamiseen, esimerkiksi leveyden, käyttöjakson tai kahden reunan välisen ajan mittaamiseen.

Esimerkki laskurin/ajastimen käyttökohteesta on mitata VSD-moottorikuvassa esitetyn optisen enkooderin indeksipulssin taajuus. Taajuutta voidaan skaalata moottorin kiertonopeuden lukemiseksi kierroksina minuutissa.

Taajuusgeneraattorin tai laskurin lähtöä voidaan käyttää generoimaan yksinkertainen pulssi, pulssijono, vakiona pysyvä taajuus, taajuusjakso tai ETS (Equivalent Time Sampling) ‑pulssivirta.

ETS-pulssivirta tuottaa inkrementoivan viiveen pulssilähdön laskurin porttipulssista. Tällä voidaan toteuttaa toistuvien aaltomuotojen näytteenottoajoitus niin, että näytteenottotaajuus on korkeampi sellaisissa analogituloissa, joissa on digitoijaan verrattuna korkeampi Nyquist-taajuus.

Ohjelmistotuki

Useat ohjelmistopaketit tukevat I/O-monitoimimoduuleita. NI:n LabVIEW-ohjelmisto tarjoaa graafisen ohjelmointiympäristön, joka yksinkertaistaa tietojen hankintaa, käsittelyä ja analyysia. Se mahdollistaa myös interaktiivisten käyttöliittymien luonnin testausta, valvontaa, ohjausta ja tietojen arkistointia varten.

Oman koodinsa kirjoittaville käyttäjille NI tarjoaa ajurit, jotka tukevat muun muassa Python-, C-, C++-, C#-, .NET- ja MATLAB-ohjelmointikieliä.

NI tarjoaa myös FlexLogger-ohjelmistopakettia, jonka käyttö ei vaadi koodaamista. FlexLoggerin avulla käyttäjät voivat tarkastella, tallentaa ja analysoida testitietoja sisäänrakennetuilla käsittelytyökaluilla ja mukautettavilla koontinäytöillä. Se mahdollistaa rajojen asettamisen mitatuille arvoille ja varoittamisen rajojen ylittyessä. FlexLoggerin avulla käyttäjät voivat myös räätälöidä käyttöliittymän visualisointityökaluja lisäämällä kaavioita, numeerisia ilmaisimia ja mittareita (kuva 7).

Kuva 7: FlexLogger näyttää moottorin tärinämittauksen, jossa käytetään kiihtyvyysmittaria ja kierroslukumittaria. Tämä mahdollistaa mekaanisen resonanssin seuraamisen. (Kuvan lähde: NI)

Näytön ylemmässä kaaviossa näytetään skaalattu tärinätaso g-yksiköissä ajan suhteen. Kierrosluku näytetään kierroksina minuutissa oikean alakulman mittarissa. Alemmassa kaaviossa esitetään tärinätietojen nopea Fourier-muunnos (Fast Fourier Transformation, FFT) (yksi käytettävistä signaalinkäsittelytyökaluista), josta voidaan nähdä tärinätaso taajuuden suhteen.

Yhteenveto

Testausjärjestelmien pitää adaptoitua muuttuviin vaatimuksiin sovelluksissa, joissa vaaditaan paljon tuloja ja lähtöjä. NI:n I/O-monitoimijärjestelmä voi muodostaa monikanavaisen automaattisen testijärjestelmän perustan tarjoamalla yhdistelmän analogisia ja digitaalisia tulo- ja lähtökanavia sekä useita laskureita/ajastimia. Tässä PXIe-runkoa käyttävässä laitteessa on ylimääräisiä laajennuspaikkoja muita modulaarisia testi- ja mittausinstrumentteja varten, jotta käyttäjät saavat tarvitsemansa skaalattavuuden kustannustehokkaiden testien toteuttamiseen.