Implementace kompaktního a flexibilního automatizovaného testovacího systému pomocí multifunkčních I/O bloků PXI

Implementace multifunkčního automatizovaného testovacího systému pro ověřování návrhu, testování součástí a výrobní testování průmyslových, spotřebitelských, automobilových, lékařských a dalších elektronických systémů vyžaduje různé testovací a měřicí přístroje. Také velký počet snímačů používaných v moderních konstrukcích vyžaduje více analogových a digitálních kanálů a dané testovací pracoviště musí být schopno snadno a cenově efektivně škálovat.

Splnění těchto požadavků může být při používání samostatných testovacích zařízení náročné. Místo toho mohou konstruktéři zvolit modulární přístup využívající standardizovaný tvarový faktor, jako je PCI eXtensions for Instrumentation (PXI). Takový přístup může zajistit flexibilitu a zvýšení produktivity nezbytné pro rychle se měnící, multifunkční a vícekanálové testovací prostředí při zachování minimálních nákladů.

V tomto článku je uveden stručný úvod do PXI a ke zdůraznění jeho výhod je zde použito ukázkové testovací nastavení. Poté jsou zde představeny multifunkční I/O bloky PXI od společnosti NI a popsána jejich konfigurace.

Proč používat PXI?

S rostoucí složitostí testovacích pracovišť vede používání samostatných zařízení k většímu počtu obrazovek, čelních panelů, linkových kabelů a k pomalým rozhraním přístrojových počítačů. To vede ke zmatkům a zbytečným chybám, které prodlužují dobu testování a snižují produktivitu. Navíc aktualizace nebo překonfigurování testovacích systémů „rack-and-stack“ za účelem přidání funkcí, jako je více kanálů, mohou být obtížné a nákladné. Ke změně funkcí vyžadují přístroje s jednou funkcí výměnu celého přístroje a s tím spojená komunikace, synchronizace a přeprogramování tento problém komplikují.

Přístroje PXI nabízejí potřebné funkce ve standardním a kompaktním provedení. V tomto scénáři se do společného šasi vejde vedle sebe více nástrojů, jako jsou analogové a digitální vstupně/výstupní (I/O) kanály. Platforma PXI také zjednodušuje přidávání a integraci složitějších přístrojů, jako jsou osciloskopy, multimetry a generátory signálů. Přístroje spolu interně komunikují pomocí společné sběrnicové struktury, která zajišťuje synchronní chod, zatímco počítač se sjednocujícím softwarem umožňuje ovládání všech přístrojů ze společné obrazovky.

Společný scénář testování

Jedním z příkladů, který demonstruje typ měření, pro která je multifunkční I/O modul navržen, zahrnuje pohon s proměnnou rychlostí („variable speed drive“, VSD) v inteligentním systému řízení pohybu, který vyžaduje více typů snímačů (obrázek 1).

Obrázek 1: VSD využívá více analogových a digitálních snímačů, které je třeba otestovat a ověřit jejich funkčnost. (Zdroj obrázku: Art Pini)

Testování součástek snímače pohonu VSD zajišťuje správnou funkci snímačů teploty motoru, otáček, polohy hřídele, točivého momentu a úrovně vibrací. Většina výstupů snímačů jsou analogové signály s nízkou šířkou pásma signálu méně než 1 MHz. Některé analogové snímače, jako jsou anizotropní magnetorezistivní („anisotropic magnetoresistive“, AMR) snímače proudu a snímače polohy hřídele, používají odporové můstky a v měřicím přístroji vyžadují diferenciální vstupy. Některé snímače, jako je otáčkoměr, mohou být digitální a vyžadují k monitorování jeden nebo více digitálních vstupů.

Multifunkční I/O testovací moduly jsou vhodné k testování těchto typů snímačů a nabízejí analogové rozsahy napětí, šířky pásma a vzorkovací frekvence přizpůsobené analogovým výstupům snímačů. Zahrnují také digitální I/O kanály se vzorkovacími frekvencemi vyššími, než jsou testované přenosové rychlosti.

Podobné požadavky na testování jsou kladeny na aplikace v robotice, automobilovém a průmyslovém prostředí, kde se v každé aplikaci používá více snímačů.

Multifunkční I/O testovací blok

Bloky PXI od společnosti NI se skládají z pětislotového šasi PXI a jednoho ze dvou multifunkčních I/O modulů společnosti NI. Multifunkční moduly PXI nabízejí kombinaci funkcí analogových I/O, digitálních I/O, čítačů/časovačů a spouštění (obrázek 2).

Obrázek 2: Multifunkční I/O blok PXI poskytuje samostatný automatizovaný testovací a měřicí systém, včetně multifunkčního I/O modulu PXI a čtyř otevřených slotů pro další přístroje. (Zdroj obrázku: společnost NI)

Šasi poskytuje napájení a vnitřní sběrnicovou strukturu pro propojení všech modulů přes jeho základní desku. Sběrnice PXIe umožňuje spouštění a synchronizaci více nástrojů. PXIe je podmnožinou PXI, která místo paralelní datové sběrnice PXI používá vysokorychlostní sériové rozhraní. Rozhraní Thunderbolt 3 poskytuje rychlé rozhraní přes konektor USB 3.0 k počítači. Řetězení více šasi PXIe umožňují dva konektory USB 3.0. Do čtyř otevřených slotů lze vložit další přístroje, jako jsou osciloskopy, digitální multimetry, generátory průběhů, přepínače multiplexerů, měřicí jednotky zdrojů a napájecí zdroje.

Například multifunkční I/O blok 867123-01 společnosti NI se skládá z pětislotového šasi PXIe-1083, multifunkčního I/O modulu PXIe-6345 a souvisejících kabelů. Další možností je blok 867124-01, který využívá stejné šasi a kabeláž, ale používá modul PXIe-6363 se vstupními hromadnými zakončovacími konektory na čelním panelu (obrázek 3).

Obrázek 3: Detailní pohled na multifunkční I/O modul PXIe-6363 obsahuje pohled na vstupní hromadné zakončovací konektory na čelním panelu. (Zdroj obrázku: společnost NI)

Tyto dva produktové bloky se liší počtem analogových vstupních kanálů, počtem analogových výstupních kanálů, počtem digitálních I/O kanálů a maximální vzorkovací frekvencí (v kilovzorcích za sekundu (kS/s) a megavzorcích za sekundu (MS/s)) (tabulka 1).

Tabulka 1: Srovnání multifunkčních I/O bloků PXIe-867123 a PXIe-867124. (Zdroj tabulky: Art Pini)

Analogové kanály

Vnitřní konfigurace kanálů analogového vstupu („analog input“, AI) obou bloků je identická. Jeden analogově-digitální převodník („analog-to-digital converter“, ADC) je sdílený pro více vstupních kanálů pomocí analogového multiplexeru (Mux) k sekvenci jednotlivých vstupů (obrázek 4).

Obrázek 4: Konfigurace vstupů analogového kanálu zahrnuje Mux ke směrování individuálně konfigurovaných vstupů do jednoho ADC. (Zdroj obrázku: společnost NI)

Vstupní signály jsou připojeny přes I/O konektor na čelním panelu. Ke stanovení přesných referenčních úrovní pro měření je kromě toho k dispozici také připojení AI sense a AI ground. Mux vybere jeden z analogových vstupů. Může to být jeden kanál pro více měření nebo více kanálů pro sekvenční měření. Vybraný kanál je směrován prostřednictvím výběru konfigurace analogového vstupu. K dispozici jsou tři konfigurace vstupů: diferenciální, referencovaný s jedním zakončením („referenced single-ended“, RSE) nebo nereferencovaný s jedním zakončením („non-referenced single-ended“, NRSE). Diferenciální zapojení, doporučené pro plovoucí zdroje, využívá dva dostupné analogové vstupy jako invertující a neinvertující diferenciální vstupy. Diferenciální vstupy nejsou referencovány k zemi a lze je připojit k plovoucím zdrojům. Konfigurace diferenciálního vstupu potlačuje šum ve společném režimu.

Konfigurace vstupu RSE váže invertující vstup (AI−) se zemí v jediném bodě, buď v bodě AI ground pro plovoucí zdroj, nebo k zemi zdroje pro zdroj se zemí.

Konfigurace NRSE pro plovoucí zdroj připojuje vstup AI− k záporné svorce zdroje a k vedení AI sense s odporovou zpětnou vazbou k AI ground. U zdroje referencovaného k zemi se svorka AI− připojuje přímo k zemi zdroje a k vedení AI sense.

Nakonfigurovaný vstup je směrován do programovatelného přístrojového zesilovače zesílení (NI-PGIA) společnosti NI, který zesiluje nebo zeslabuje příchozí signál tak, aby odpovídal rozsahu vstupního napětí ADC. K dispozici je sedm programovatelných rozsahů vstupního napětí pro analogové signály mezi ± 100 mV a ± 10 V. Vstupní rozsah jednotlivých kanálů vstupního signálu je individuálně programovatelný a zesílení se přepíná spolu se vstupním signálem. Zařízení NI-PGIA minimalizuje doby ustálení pro všechny rozsahy vstupního napětí, aby se maximalizovala přesnost měření napětí.

ADC pro oba digitizéry má 16bitové amplitudové rozlišení. Analogový signál je kvantován do 65 536 možných úrovní. To poskytuje rozlišení 320 μV v rozsahu ± 10 V a 3,2 μV v rozsahu ± 100 mV.

Digitalizované výstupy ADC jsou uloženy v paměti AI typu fronta (AI „first-in, first-out“, AI FIFO; první dovnitř, první ven).

Multifunkční moduly mají také možnost analogového výstupu („analog output“, AO). K dispozici jsou v závislosti na modelu buď dva, nebo čtyři analogové výstupy se společným výstupním taktem (obrázek 5).

Obrázek 5: V typickém analogovém výstupním stupni uchovává vyrovnávací paměť AO FIFO hodnoty vzorků průběhu stažené z hostitele. (Zdroj obrázku: společnost NI)

Vyrovnávací paměť AO FIFO uchovává hodnoty vzorků průběhu stažené z hostitelského počítače. To, že jsou vzorky uloženy v paměti FIFO, znamená, že analogové průběhy mohou být výstupem bez připojení k počítači. Vzorkovací takt AO („AO Sample Clock“) taktuje data z paměti FIFO do digitálně-analogových převodníků („digital-to-analog converter“, DAC), které převádějí digitální hodnoty vzorků na analogové napětí. Ke změně rozsahu analogového výstupu se používá volba reference AO („AO Reference Select“). Volbu reference AO lze nastavit na 10 nebo 5 voltů nebo lze použít externí referenci přes analogový PFI (APFI).

Digitální kanály

Digitální kanály zahrnují jak vstupní, tak výstupní funkce k získávání nebo generování digitálních signálů na společném vedení (obrázek 6).

Obrázek 6: Obousměrné digitální I/O linky (P0.x) mohou získávat a generovat digitální signály. (Zdroj obrázku: společnost NI)

P0.X linky pracují se statickými nebo vysokorychlostními digitálními linkami jako vstupy nebo výstupy. Moduly řady PXIe-63xx mají také šestnáct linek programovatelného rozhraní funkcí („Programmable Function Interface“, PFI), které může uživatel nakonfigurovat jako rozhraní PFI nebo digitální I/O kanál. Jako vstup může kanál PFI směrovat externí zdroj pro analogový vstup, analogový výstup, digitální vstup, digitální výstup nebo funkce čítače/časovače. Jako výstup lze ke každému terminálu PFI přivést mnoho analogových vstupů, analogových výstupů, digitálních vstupů, digitálních výstupů nebo funkcí čítače/časovače.

Všechny tyto linky akceptují logické úrovně high mezi 2,2 a 5,25 volty a logické úrovně low od 0 do 0,8 voltu. Digitální linky jsou taktovány až na 10 MHz.

Na každé digitální lince je digitální filtr, který se používá k potlačení zákmitů digitálních vstupních signálů. K dispozici jsou tři nastavení filtru podle použité taktovací frekvence filtru: krátké, střední nebo vysoké. Krátké nastavení zaručuje, že projde šířka impulzu větší než 160 ns, střední nastavení propustí šířku impulzu 10,24 μs nebo větší a vysoké nastavení propustí šířku impulzu 5,12 ms nebo větší. Impulzy s šířkou menší než polovina šířky propouštěného impulzu budou zaručeně potlačeny.

Vrátíme-li se k příkladu motoru VSD, lze digitální vstupy použít k dekódování polohy hřídele. Polohu hřídele lze vyčíst z digitálních výstupů optického kodéru. Optický kodér má tři digitální výstupy: indexový impulz jednou za otáčku a dvě vlny se čtvercovým průběhem s fázovým rozdílem 90˚ nazývané kvadraturní výstupy. Tyto kvadraturní výstupy jsou obecně označovány jako „A“ a „B“. Kombinací indexového impulzu s kvadraturními výstupy lze vypočítat absolutní orientaci hřídele a směr otáčení.

Čítač/časovače

Oba moduly PXIe obsahují čtyři stupně 32bitových čítačů/časovačů pro všeobecné účely a jeden stupeň generátoru frekvence. Ke každému stupni čítače/časovače je osm cest vstupního signálu a vstupem čítače/časovače může být kterýkoli ze čtrnácti dostupných signálů. Zvolený signál musí být přiveden k taktu; odpočítávání vstupu čítačů/časovačů není zajištěno. Čítače/časovače lze použít k počítání hran, měření frekvence nebo periody či k měření impulzů, jako je šířka, pracovní cyklus nebo doba mezi dvěma hranami.

Příkladem aplikace čítačů/časovačů je měření frekvence indexového impulzu z optického kodéru na obrázku motoru VSD. Frekvenci lze škálovat k odečítání rychlosti otáčení motoru v otáčkách za minutu.

Výstup frekvenčního generátoru nebo čítače může generovat jednoduchý impulz, sled impulzů, konstantní frekvenci, dělení frekvence nebo tok impulzů se vzorkováním v ekvivalentním čase („equivalent time sampling“, ETS).

Tok impulzů ETS vytváří impulzní výstup se zvyšujícím se zpožděním od impulzu hradla čítače. To může poskytnout časování vzorkování pro opakující se průběhy s vyšší vzorkovací frekvencí pro analogové vstupy s frekvencemi vyššími, než je Nyquistova frekvence digitizéru.

Softwarová podpora

Multifunkční I/O moduly podporuje několik softwarových balíčků. Platforma LabVIEW společnosti NI poskytuje grafické programovací prostředí, které zjednodušuje získávání, zpracování a analýzu dat. Umožňuje také vytváření interaktivních uživatelských rozhraní pro testování, monitorování, řízení a archivaci dat.

Pro uživatele, kteří chtějí generovat svůj vlastní kód, dodává společnost NI ovladače podporující vybraný programovací jazyk, včetně jazyků Python, C, C++, C#, .NET a MATLAB.

Společnost NI také nabízí softwarový balíček bez kódování s názvem FlexLogger. Software FlexLogger umožňuje uživatelům prohlížet, ukládat a analyzovat testovací data pomocí vestavěných nástrojů pro zpracování a přizpůsobitelných ovládacích panelů. Nabízí možnosti nastavení limitů naměřených hodnot a upozornění na stavy mimo limit. Software FlexLogger také umožňuje uživatelům přizpůsobit vizualizační nástroje uživatelského rozhraní přidáním grafů, číselných indikátorů a měřičů (obrázek 7).

Obrázek 7: Zobrazení softwaru FlexLogger ukazuje měření vibrací motoru pomocí akcelerometru a otáčkoměru ke zjištění mechanické rezonance. (Zdroj obrázku: společnost NI)

Na obrazovce se v horním grafu zobrazuje škálovaná úroveň vibrací v g v závislosti na čase. Údaj otáčkoměru, který měří rychlost otáčení v otáčkách za minutu, se zobrazuje jako číselník v pravém spodním rohu. Rychlá Fourierova transformace (FFT) (jeden z dostupných nástrojů pro zpracování signálu) vibračních dat ukazuje ve spodním grafu úroveň vibrací v závislosti na frekvenci.

Závěr

Testovací systémy se musí přizpůsobit měnícím se požadavkům napříč aplikacemi, které vyžadují velké množství I/O. Multifunkční I/O blok společnosti NI může tvořit základ vícekanálového automatizovaného testovacího systému nabízejícího kombinaci analogových a digitálních vstupních a výstupních kanálů a více čítačů/časovačů. Balení v šasi PXIe s extra sloty pro další modulární testovací a měřicí přístroje poskytuje uživatelům škálovatelnost nezbytnou pro nákladově efektivní testy.