Jak urychlit návrh systému, ověřování a testování výroby pomocí modulárních nástrojů a softwaru

Při navrhování, ověřování a testování komponent a systémů ve výrobě pro automobilový průmysl, spotřební průmysl, zdravotnictví a další aplikace je zapotřebí mnoho zkušebních a měřicích (T&M) přístrojů. Tyto sady T&M přístrojů musí být kompaktní a mít vysoký výkon. Potřebují nízkou latenci a k tomu vysokou hustotu kanálu a šířku pásma. Kromě toho se požadavky na konstrukci mohou postupem času měnit, takže modularita je pro budoucnost systému velkým plusem. V mnoha případech tyto zkušební a měřicí činnosti zahrnují opakované testování nebo spolupráci týmů v různých lokalitách, takže softwarově definované testování je velmi žádoucí.

Potenciálním řešením je použití skupiny konvenčních přístrojů. Mohou však vyvstat značné problémy se systémovou integrací zařízení od různých výrobců, včetně informací prezentovaných na více obrazovkách, kompatibility softwaru, množství kabeláže a množství prostoru potřebného pro četné samostatné přístroje.

Místo toho mohou návrháři T&M systémů využít bloky vysoce výkonných modulárních přístrojů a dalších I/O modulů se specializovanou synchronizací a klíčovými softwarovými funkcemi, a to od ověřování zařízení až po automatizované testování výroby. Tyto blokové jednotky jsou k dispozici v kompaktním pětislotovém měřicím systému PXI Express, který se ovládá pomocí notebooku nebo stolního počítače přes port Thunderbolt USB-C.

Tento článek začíná stručným přehledem výkonnostních ukazatelů modulárních přístrojových systémů, včetně kategorií analogových přístrojů. Poté uvádí srovnání výkonu různých sběrnic pro modulární přístrojové systémy a zabývá se problematikou související se zvyšováním rozlišení a snižováním latence. Na závěr představuje programovatelné napájecí zdroje (Programmable Power Supply – PPS) PXI od společnosti NI, včetně modulů pro digitální multimetry, LCR metry, osciloskopy, multifunkční I/O, generátory křivek a zdrojové měřicí jednotky spolu se softwarovými nástroji pro automatizaci procesu T&M.

Jaký druh měření je potřeba?

Určování, jaký typ T&M přístroje je potřeba, začíná několika základními otázkami:

• Je měřený signál vstupem, výstupem nebo obojím?
• Jedná se o frekvenci stejnosměrného (DC) nebo střídavého proudu (AC), a pokud je proud střídavý, je v kilohertzech (kHz), megahertzech (MHz) nebo gigahertzech (GHz)?

Odpovědi na tyto otázky pomáhají určit, zda je potřebný přístroj pro DC a napájení, nízkorychlostní analogové, vysokorychlostní analogové nebo radiofrekvenční (RF) a bezdrátové aplikace (tabulka 1).

Tabulka 1: Existuje několik základních kategorií nástrojů T&M založených na vstupních a výstupních charakteristikách a úrovních výkonu. (Zdroj tabulky: společnost NI)

Specifikace analogového přístroje

Po určení obecného typu přístroje potřebného pro danou měřicí úlohu je třeba určit konkrétní požadavky na výkon, například:

• K základním požadavkům na signál patří zajištění, aby: rozsah signálu byl dostatečně velký pro zachycení požadovaných signálů, impedance vyhovovala zatížení převodníku tlaku (DUT) a frekvenčním požadavkům měření a izolace od země vyhovovala požadované úrovni odolnosti proti šumu a bezpečnosti.
• Šířka pásma v kHz, MHz nebo GHz musí být dostatečná ke zpracování měřených signálů a analogově-digitální převodník (ADC) musí být dostatečně rychlý, pokud jde o počet vzorků za sekundu, např. tisíc vzorků za sekundu (kS/s), milion vzorků za sekundu, (MS/s) nebo miliarda vzorků za sekundu (GS/s) pro zachycení požadovaných nuancí signálu.
• Důležitými faktory jsou rovněž rozlišení a přesnost. Je potřeba 8bitové, 24bitové nebo jiné rozlišení? Jakou maximální chybovost v procentech nebo částech na milion lze tolerovat? Jaká je navíc požadovaná citlivost v absolutních jednotkách, jako jsou mikrovolty (µV) nebo nanovolty (nV)?

Různé typy T&M přístrojů vyžadují různé vstupní izolace a rozsahy impedance, specifikace vstupní vazby a filtrování, citlivosti zesilovačů a rozlišení a přesnost měření, jak je uvedeno v příkladu analogové vstupní dráhy měřicího přístroje (tabulka 2).

Tabulka 2: Různé T&M přístroje, např. DMM a osciloskop, mohou pro dané měření vyžadovat velmi různé funkční charakteristiky. (Zdroj tabulky: společnost NI)

Sběrnice, šířka pásma a latence

Aby T&M přístroje vytvořily testovací systém, musí být připojeny k řídicí jednotce. Důležitým faktorem jsou požadavky na šířku pásma signálu a latenci propojovací sběrnice. Šířka pásma udává rychlost přenosu dat, obvykle v megabajtech za sekundu, kdežto latence měří zpoždění přenášených dat. Běžně používané sběrnice mají velmi rozdílné kombinace šířky pásma a latence. Dalším faktorem je přenosová vzdálenost, kterou sběrnice podporuje. Například sběrnice GPIB (General Purpose Interface Bus) a univerzální sériová sběrnice (USB) mohou podporovat podobné úrovně latence, ale USB nabízí větší šířku pásma. Gigabitový Ethernet má střední šířku pásma a vyšší latenci, ale může přenášet signál na mnohem větší vzdálenosti.

Při navrhování T&M systémů se často používají sběrnice PCI a PCI Express. Jsou určeny pro linky s krátkým dosahem přibližně do 1 metru (m) a poskytují velkou šířku pásma a nízkou latenci (obrázek 1). Důležitou vlastností sběrnice PCI Express je, že poskytuje vyhrazenou šířku pásma pro každé zařízení na sběrnici. Díky tomu je sběrnice PCI Express preferovanou propojovací sběrnicí pro vysoce výkonné a datově náročné aplikace, jako jsou například T&M systémy pracující v reálném čase, kde je nutné integrovat a synchronizovat činnost více přístrojů.

Obrázek 1: PCI/PXI Express nabízí nejvyšší výkon v kombinaci rozlišení a latence. (Zdroj obrázku: společnost NI)

Bloky T&M přístrojů

Návrháři mohou využívat bloky PXI PPS od společnosti NI jako základ pro vysoce výkonné T&M systémy. Moduly PXI PPS zajišťují základní potřeby napájení DUT a lze je rozšířit o četné T&M moduly, které podporují řadu aplikací pro charakterizaci zařízení, ověřování návrhu a výrobní testy. Šasi dodává až 58 W napájení a chlazení pro další přístroje, vysoce výkonné propojení PXIe a integrovanou linku Thunderbolt pro propojení s externím stolním nebo přenosným počítačem, který funguje jako řídicí jednotka systému (obrázek 2).

Obrázek 2: Základní blok PXI PPS obsahuje řídicí jednotku, modul PPS a sloty pro čtyři další přístroje PXI. (Zdroj obrázku: společnost NI)

PPS lze použít k programovatelnému napájení DUT a zároveň k řízení a monitorování úrovní proudu a napětí pro měření spotřeby energie. Mají dva izolované 60wattové kanály s dálkovým snímáním pro korekci ztrát v systémovém vedení s typickou účinností 78 %. Kanály také obsahují výstupní odpojovače, které mohou izolovat DUT, když se netestuje.

Mezi příklady rozšiřitelných bloků PXI PPS s výkonem 120 W pro DUT patří 867117-01 s dvoukanálovým PPS PXIe-4112 (např. model 782857-01), který může dodávat maximálně 1 ampér (A) při 60 voltech DC na kanál, a 867118-01 s dvoukanálovým PPS PXI2-4113 (např. model 782857-02), který může dodávat až 6 A při 10 voltech DC na kanál (obrázek 3).

Obrázek 3: Bloky PXI PPS jsou k dispozici s výběrem napájecích zdrojů s výstupy 60 V DC (vlevo) nebo 10 V DC (vpravo). (Zdroj obrázku: společnost NI)

Nastartování vývoje T&M systémů

Společnost NI nabízí návrhářům řadu bloků PXI pro zahájení vývoje T&M systémů. Příklady:

Bloky generátorů křivek PXI, které lze použít ke generování standardních funkcí a uživatelem definovaných libovolných průběhů. Bloky generátorů průběhu PXI obsahují až dva výstupní kanály s šířkou pásma max. 80 MHz, výstupním rozsahem ±12 V a maximální vzorkovací frekvencí 800 MS/s. Například 867119-01 obsahuje 20MHz generátor uživatelem naprogramovaných tvarových kmitů.

Bloky osciloskopů PXI obsahují až osm kanálů, které mohou vzorkovat rychlostí až 5 GS/s s analogovou šířkou pásma 1,5 GHz. Blok 867010-01 obsahuje modul 60MHz osciloskopu.

Bloky zdrojových měrných jednotek (SMU) PXI, například 867111-01, jsou navrženy pro automatizaci DC měření a testů. Jednotky SMU se vyznačují čtyřkvadrantovým provozem, rozsahem až ±200 voltů a ±3 A a citlivostí až 100 femtoampérů (fA). Bloky PXI SMU mají schopnost jednak provádět vysoce výkonné rozmítání, jednak měření nízkého proudu.

Bloky PXI LCR jako 867113-01 lze použít k měření stejnosměrného proudu a impedance spojením LCR měřiče a SMU do jediného přístroje. Tento přístroj provádí měření fA proudu a femtofaradové (fF) kapacity v jednoslotovém provedení PXI.

Bloky PXI DMM podporují ruční, spínaná a automatizovaná měření DMM s vysokou přesností a rozlišením až 7,5 číslic. Vysoká vzorkovací rychlost umožňuje uživatelům charakterizovat přechodné jevy bez nutnosti použití osciloskopu. Uživatelé mohou také konfigurovat spouštěče pro akvizici a/nebo sekvenční měření. Například 867115-01 má 6,5místný displej.

Bloky nanovoltmetrů PXI jsou analogové vstupní moduly s vysokým až 28bitovým rozlišením. Zahrnují režim sekání, který využívá dvojici kanálů k zajištění vysoké úrovně potlačení šumu, což umožňuje přesná a opakovatelná měření nV a průměrování a filtrování signálu na desce a dále přepínání měření s automatickým nulováním. Model 867125-01 nabízí 32 kanálů, 28bitové rozlišení a vzorkovací frekvenci 2 MS/s.

Multifunkční I/O bloky PXI, například 867124-01, poskytují kombinaci funkcí analogového I/O, digitálního I/O, čítače/časovače a spouštěče. Multifunkční bloky I/O PXI mají až čtyři analogové výstupní kanály, 48 obousměrných digitálních kanálů, 80 analogových vstupních kanálů a vzorkovací frekvenci 2 MS/s.

Software definuje systém

Kromě komplexních hardwarových modulů nabízí NI konstruktérům T&M systémů výběr z několika softwarových vývojových prostředí, včetně InstrumentStudio a LabVIEW.

InstrumentStudio, které je součástí přístrojů NI PXI, poskytuje testovacím inženýrům jediné no-code softwarové prostředí pro monitorování a ladění automatizovaných testovacích systémů. Uživatelé mohou navíc vytvářet obrazovky, které zobrazují data z několika přístrojů současně (obrázek 4). Nástroje umožňují uživatelům pořizovat snímky obrazovek a výsledky měření a ukládat konfigurace na úrovni projektu pro DUT, které lze opakovaně používat nebo sdílet s dalšími vývojáři.

Obrázek 4: InstrumentStudio může zobrazovat data z různých přístrojů na jedné obrazovce. Například z osciloskopu (velký panel vlevo), DMM (panel vpravo nahoře) a generátoru tvarových kmitů (panel vpravo dole). (Zdroj obrázku: společnost NI)

LabVIEW je softwarově definované testovací vývojové prostředí společnosti NI. Díky jeho grafickému uživatelskému rozhraní (GUI) mohou testovací inženýři rychle vyvíjet automatizované výzkumné, validační a produkční testovací systémy. Na základní úrovni umožňuje grafický přístup LabVIEW neprogramátorům přetahovat virtuální reprezentace přístrojů a vytvářet tak T&M programy, vytvářet interaktivní uživatelská rozhraní a ukládat data do souborů .cvs, .tdms nebo vlastních binárních souborů.

Pokročilejší programátoři mohou využít dostupné ovladače pro jazyky Python, C, C++, C#, .NET a MATLAB. NI také nabízí balík softwarových nástrojů pro vývoj komplexních T&M prostředí, například:

• TestStand pro vytváření automatických testovacích sekvencí,
• vývojový software G Web pro tvorbu webových aplikací,
• DIAdem pro interaktivní analýzu dat,
• FlexLogger pro získávání a protokolování T&M dat.

Závěr

Vytváření softwarově definovaných testovacích prostředí pro návrh, ověřování a testování výroby komponent a systémů vyžaduje použití několika T&M přístrojů. Namísto používání přístrojů od několika dodavatelů, s nimiž jsou spojeny požadavky na připojení, náklady a prostor, mohou testovací inženýři využít bloky přístrojů od společnosti NI, které lze použít k vytvoření kompaktních, flexibilních a vysoce výkonných testovacích systémů. NI také nabízí výběr softwarových prostředí, která urychlují proces vývoje.

Doporučeno k přečtení

1. Jak sestavit kompaktní systém sběru dat
2. Stolní napájecí zdroje s možnostmi programování, síťování a funkcemi dálkového snímání bez vodičů