Implementering af et kompakt og fleksibelt automatiseret testsystem ved hjælp af multifunktionelle PXI I/O-pakker

Implementeringen af et automatiseret multifunktionelt testsystem til designvalidering, komponenttest og produktionstest af industrielle, forbruger-, køretøjs-, medicinske og andre elektroniske systemer kræver en række forskellige test- og måleinstrumenter. Det store antal sensorer, der bruges i moderne design, kræver også flere analoge og digitale kanaler, og en given testbænk skal kunne skaleres nemt og omkostningseffektivt.

Det kan være en udfordring at opfylde disse krav med enkeltstående testudstyr. I stedet kan designere vælge en modulær tilgang ved hjælp af en standardiseret formfaktor som PCI eXtensions for Instrumentation (PXI). Det kan give den fleksibilitet og produktivitet, der er nødvendig for et hurtigt skiftende, multifunktionelt og multikanalt testmiljø, samtidig med at omkostningerne holdes på et minimum.

Denne artikel giver en kort introduktion til PXI og bruger et eksempel på en testopsætning til at fremhæve fordelene. Derefter introduceres PXI-multifunktions-I/O-pakker fra NI, og det diskuteres, hvordan de konfigureres.

Hvorfor bruge PXI?

Efterhånden som testbænke bliver mere komplekse, resulterer brugen af standalone-udstyr i flere skærme, frontpaneler, kabler og langsomme instrumentgrænseflader. Det fører til forvirring og unødvendige fejl, der forlænger testtiden og reducerer produktiviteten. Derudover kan det være svært og dyrt at opdatere eller omkonfigurere "rack-and-stack"-testsystemer for at tilføje funktioner som f.eks. flere kanaler. Enkeltfunktionsinstrumenter kræver udskiftning af hele instrumentet for at ændre funktionaliteten, og den tilknyttede kommunikation, synkronisering og omprogrammering komplicerer problemet.

PXI-instrumenter tilbyder den nødvendige funktionalitet i en standard og kompakt formfaktor. I dette scenarie passer flere instrumenter som analoge og digitale input/output (I/O)-kanaler side om side i et fælles chassis. PXI forenkler også tilføjelsen og integrationen af mere komplekse instrumenter som oscilloskoper, multimetre og signalgeneratorer. Instrumenterne kommunikerer internt med en fælles busstruktur, der sikrer synkron drift, mens en pc, der kører samlende software, gør det muligt at styre alle instrumenterne fra en fælles skærm.

Et almindeligt testscenarie

Et eksempel, der viser den type målinger, som multifunktions-I/O-modulet er designet til at håndtere, omfatter et drev med variabel hastighed (VSD) i et intelligent bevægelseskontrolsystem, der kræver flere typer sensorer (figur 1).

Figur 1: Et VSD-system bruger flere analoge og digitale sensorer, som skal testes, og deres funktionalitet skal verificeres. (Billedkilde: Art Pini)

Test af sensorkomponenterne i et VSD-system sikrer, at sensorer til motortemperatur, rotationshastighed, akselposition, drejningsmoment og vibrationsniveau fungerer korrekt. De fleste af sensorudgangene er analoge signaler med en lav signalbåndbredde på mindre end 1 megahertz (MHz). Nogle analoge sensorer, som anisotropisk magnetoresistive (AMR) strømsensorer og akselpositionssensorer, bruger resistive broer og kræver differentialindgange i måleinstrumentet. Nogle sensorer, som f.eks. omdrejningstælleren, kan være digitale og kræve en eller flere digitale indgange til overvågning.

Multifunktions I/O-testmoduler er velegnede til at teste disse typer sensorer, da de tilbyder analoge spændingsområder, båndbredder og samplingshastigheder, der er tilpasset de analoge sensorudgange. De omfatter også digitale I/O-kanaler med samplingshastigheder, der er større end de datahastigheder, der testes.

Der er lignende testkrav til applikationer inden for robotteknologi, bilindustrien og industrielle miljøer, hvor der bruges flere sensorer i hver applikation.

Den multifunktionelle I/O-testpakke

NI's PXI-pakker består af et PXI-chassis med fem slots og et af to NI-multifunktions-I/O-moduler. PXI-multifunktionsmodulerne tilbyder en blanding af analog I/O, digital I/O, tæller/timer og triggerfunktionalitet (figur 2).

Figur 2: Et PXI multifunktions I/O-pakke giver et selvstændigt automatiseret test- og målesystem, inklusive et multifunktions PXI I/O modul og fire åbne slots til yderligere instrumenter. (Billedkilde: NI)

Chassiset leverer strøm og en intern busstruktur til at forbinde alle modulerne via dets backplane. PXIe-bussen muliggør aktivering og synkronisering af flere instrumenter. PXIe er en undergruppe af PXI, der bruger en seriel højhastighedsgrænseflade i stedet for PXI's parallelle databus. En Thunderbolt 3-grænseflade giver en hurtig grænseflade via et USB 3.0-stik til en computer. To USB 3.0-stik gør det muligt at kæde flere PXIe-chassiser sammen. De fire åbne pladser kan rumme andre instrumenter som f.eks. oscilloskoper, digitale multimetre, bølgeformsgeneratorer, multiplexer-switche, kildemåleenheder og strømforsyninger.

For eksempel består NI's 867123-01 multifunktions-I/O-pakke af et PXIe-1083-chassis med fem slots, et PXIe-6345 multifunktions-I/O-modul og tilhørende kabler. Alternativt bruger 867124-01-pakken det samme chassis og kabler, men bruger et PXIe-6363-modul med input-massetermineringsstik på frontpanelet (figur 3).

Figur 3: Et detaljeret billede af PXIe-6363 multifunktions I/O-modulet inkluderer et billede af input-massetermineringsstikkene på frontpanelet. (Billedkilde: NI)

De to produktpakker adskiller sig i antallet af analoge inputkanaler, antallet af analoge outputkanaler, antallet af digitale I/O-kanaler og den maksimale samplinghastighed (i kilo-samples per sekund (kS/s) og mega-samples per sekund (MS/s)) (Tabel 1).

Tabel 1: Her ses en sammenligning af PXIe-867123 og PXIe-867124 multifunktions I/O-pakker. (Kilde til tabel: Art Pini)

Analoge kanaler

Begge pakkers interne konfigurationer af analoge indgangskanaler (AI) er identiske. En enkelt analog-til-digital-konverter (ADC) deles over flere indgangskanaler ved hjælp af en analog multiplexer (Mux) til at sekvensere hver indgang (figur 4).

Figur 4: Konfigurationen af de analoge kanalindgange omfatter en Mux til at dirigere de individuelt konfigurerede indgange ind i en enkelt ADC. (Billedkilde: NI)

Indgangssignaler tilsluttes via frontpanelets I/O-stik. Derudover er AI-registreringstilslutningen og AI-jord også tilgængelige til at etablere nøjagtige referenceniveauer for målinger. Muxen vælger en af de analoge indgange; det kan være en enkelt kanal til flere målinger eller flere kanaler til sekventielle målinger. Den valgte kanal dirigeres gennem konfigurationsvalget for den analoge indgang. Der er tre indgangskonfigurationer: differential, RSE (referenced single-ended) eller NRSE (non-referenced single-ended). Differentialforbindelsen, der anbefales til flydende kilder, bruger to af de tilgængelige analoge indgange som de inverterende og ikke-inverterende differentialindgange. Differentialindgangene er ikke jordforbundne og kan forbindes til flydende kilder. Den differentierede indgangskonfiguration undertrykker common-mode-støj.

RSE-indgangskonfigurationen forbinder den inverterende indgang (AI-) med jord i et enkelt punkt, enten ved AI-jorden for en flydende kilde eller ved kildens jord for en jordbaseret kilde.

NRSE-konfigurationen til en flydende kilde forbinder AI--indgangen til kildens negative terminal og til AI-registreringslinjen med en resistiv retur til AI-jord. For en kilde med jordforbindelse forbindes AI-terminalen direkte til kildens jordforbindelse og til AI-registreringslinjen.

Det konfigurerede input dirigeres til NI-programmerbar forstærkning instrumenteringsforstærkerne (NI-PGIA), som forstærker eller dæmper det indkommende signal, så det passer til ADC'ens indgangsspændingsområde. Der er syv programmerbare indgangsspændingsområder for de analoge signaler mellem ±100 millivolt (mV) og ±10 volt. Indgangsområdet for hver indgangssignalkanal kan programmeres individuelt, og forstærkningen skiftes sammen med indgangssignalet. NI-PGIA minimerer indstillingstiden for alle indgangsspændingsområder for at maksimere spændingsmålingens nøjagtighed.

ADC'en til begge digitizere har en 16-bit amplitudeopløsning. Det analoge signal kvantiseres til 65.536 mulige niveauer. Det giver en opløsning på 320 mikrovolt (mv) i ±10 volt-området og 3,2 mv i ±100 mV-området.

De digitaliserede udgange fra ADC'en gemmes i AI FIFO-hukommelsen (AI first in, first out).

Multifunktionsmodulerne har også mulighed for analogt output (AO). Der er enten to eller fire analoge udgange, afhængigt af modellen, med en fælles udgangs-clock (figur 5).

Figur 5: I et typisk analogt udgangstrin indeholder AO FIFO-hukommelsesbufferen de bølgeformsprøveværdier, der er downloadet fra værten. (Billedkilde: NI)

AO FIFO-hukommelsesbufferen indeholder de bølgeformsprøveværdier, der er downloadet fra værtscomputeren. Når stikprøverne er gemt i FIFO'en, betyder det, at analoge bølgeformer kan udlæses uden computerforbindelse. AO stikprøve-clocken clocker dataene fra FIFO'en ind i digital-til-analog-konverterne (DAC'erne), som konverterer de digitale prøveværdier til en analog spænding. AO Reference Select bruges til at ændre det analoge udgangsområde. AO Reference Select kan indstilles til 10 eller 5 volt, eller der kan anvendes en ekstern reference via den analoge PFI (APFI).

Digitale kanaler

Digitale kanaler omfatter både input- og outputfunktioner til at optage eller generere digitale signaler på en fælles linje (figur 6).

Figur 6: Tovejs digitale I/O-linjer (P0.x) kan optage og generere digitale signaler. (Billedkilde: NI)

P0.x-linjerne fungerer med statiske eller digitale højhastighedslinjer som indgange eller udgange. Modulerne i PXIe-63xx-serien har også seksten PFI-linjer (Programmable Function Interface), der kan brugerkonfigureres som PFI-grænseflade eller digital I/O-kanal. Som indgang kan PFI-kanalen dirigere en ekstern kilde til analog indgang, analog udgang, digital indgang, digital udgang eller tæller/timer-funktioner. Som udgang kan mange af de analoge indgange, analoge udgange, digitale indgange, digitale udgange eller tæller/timer-funktioner dirigeres til hver PFI-terminal.

Alle disse linjer accepterer logiske højniveauer mellem 2,2 og 5,25 volt og logiske lavniveauer fra 0 til 0,8 volt. De digitale linjer clockes med op til 10 MHz.

Der er et digitalt filter på hver digital linje, som bruges til at afvise de digitale indgangssignaler. Der er tre filterindstillinger baseret på den anvendte filterklokkefrekvens: kort, mellem eller høj. Den korte indstilling garanterer, at en pulsbredde på mere end 160 nanosekunder (ns) vil passere, mediumindstillingen passerer pulsbredder på 10,24 mikrosekunder (ms) eller mere, og den høje indstilling passerer pulsbredder på 5,12 millisekunder (ms) eller mere. Pulser med bredder, der er smallere end halvdelen af den passerede pulsbredde, bliver garanteret undertrykt.

Hvis vi vender tilbage til eksemplet med VSD-motoren, kan de digitale indgange bruges til at afkode akselens position. Akselpositionen kan aflæses fra de digitale udgange på en optisk encoder. Den optiske encoder har tre digitale udgange: en indekspuls én gang pr. omdrejning og to firkantbølger med en faseforskel på 90˚, kaldet kvadraturudgange. Disse kvadraturudgange kaldes generelt "A" og "B". Ved at kombinere indekspulsen med kvadraturudgangene kan den absolutte akselretning og rotationsretningen beregnes.

Tæller/timer

Begge PXIe-moduler indeholder fire 32-bit tæller/timer-trin til generelle formål og et frekvensgenerator-trin. Der er otte signalindgange til hvert tæller/timer-trin, og indgangen til tællertimeren kan være et hvilket som helst af de fjorten tilgængelige signaler. Det valgte signal skal anvendes på clocken; der er ingen mulighed for at tælle ned på tæller/timer-indgangen. Tællere/timere kan bruges til at tælle kanter, måle frekvens eller periode eller foretage pulsmålinger som bredde, driftscyklusser eller tiden mellem to kanter.

Et eksempel på en tæller/timer-applikation er måling af frekvensen af indekspulsen fra den optiske encoder i VSD-motorillustrationen. Frekvensen kan skaleres til at aflæse motorens rotationshastighed i omdrejninger pr. minut.

Frekvensgeneratorens eller tællerens output kan generere en simpel puls, et pulstog, en konstant frekvens, frekvensdeling eller en ETS-pulsstrøm (equivalent time sampling).

ETS-pulsstrømmen producerer en pulsudgang med en stigende forsinkelse fra tællerens gate-puls. Dette kan give samplingtiming for gentagne bølgeformer med en højere samplinghastighed for analoge indgange med frekvenser, der er højere end digitalisatorens Nyquist-frekvens.

Software-support

Flere softwarepakker understøtter multifunktions-I/O-moduler. NI's LabVIEW er et grafisk programmeringsmiljø, der forenkler dataindsamling, -behandling og -analyse. Det gør det også muligt at skabe interaktive brugergrænseflader til test, overvågning, kontrol og dataarkivering.

Til brugere, der ønsker at generere deres egen kode, leverer NI drivere, der understøtter det valgte programmeringssprog, herunder Python, C, C++, C#, .NET og MATLAB.

NI tilbyder også en softwarepakke uden kode kaldet FlexLogger. FlexLogger giver brugerne mulighed for at se, gemme og analysere testdata med indbyggede behandlingsværktøjer og dashboards, der kan tilpasses. Den har mulighed for at indstille grænser for målte værdier og alarmere ved forhold uden for grænserne. FlexLogger giver også brugerne mulighed for at tilpasse brugergrænsefladens visualiseringsværktøjer ved at tilføje grafer, numeriske indikatorer og målere (figur 7).

Figur 7: FlexLogger-displayet viser måling af en motors vibrationer ved hjælp af et accelerometer og et tachometer for at lede efter en mekanisk resonans. (Billedkilde: NI)

Skærmen viser det skalerede vibrationsniveau i g i forhold til tiden i den øverste graf. Omdrejningstællerens udlæsning, der måler rotationshastigheden i omdrejninger pr. minut, vises som en måler i nederste højre hjørne. Den hurtige Fourier-transformation (FFT) (et af de tilgængelige signalbehandlingsværktøjer) af vibrationsdataene viser vibrationsniveauet i forhold til frekvensen i den nederste graf.

Konklusion

Testsystemer skal tilpasse sig skiftende krav på tværs af applikationer, der kræver masser af I/O. NI's multifunktions-I/O-pakke kan danne grundlag for et automatiseret testsystem med flere kanaler, der tilbyder en kombination af analoge og digitale input- og outputkanaler og flere tællere/timere. Pakket i et PXIe-chassis med ekstra pladser til andre modulære test- og måleinstrumenter giver det brugerne den skalerbarhed, der er nødvendig for omkostningseffektive tests.