Cum se accelerează proiectarea, validarea și testarea producției de sisteme utilizând instrumente și software modulare

Numeroase instrumente de testare și măsurare (T&M) sunt necesare la proiectarea, validarea și testarea în producție a componentelor și sistemelor pentru aplicațiile auto, de consum, industriale, medicale și altele. Aceste suite de instrumente T&M trebuie să fie compacte și să aibă performanțe ridicate. Acestea au nevoie de o latență redusă, precum și de o densitate mare a canalelor și de o lățime de bandă mare. În plus, nevoile de proiectare se pot schimba în timp, astfel că modularitatea este un mare avantaj pentru a asigura viitorul sistemului. În multe cazuri, aceste activități de T&M implică teste repetitive sau colaborarea între echipe dispersate geografic, ceea ce face ca testarea definită de software să fie o caracteristică foarte dorită.

Utilizarea unui grup de instrumente convenționale este o soluție potențială. Cu toate acestea, problemele legate de integrarea în sistem a dispozitivelor de la o gamă largă de producători, inclusiv prezentarea informațiilor pe mai multe ecrane, compatibilitatea software-ului, numărul mare de cabluri și spațiul necesar pentru numeroasele instrumente discrete, pot reprezenta o provocare.

În schimb, proiectanții de sisteme T&M pot utiliza pachete de instrumente modulare de înaltă performanță și alte module de I/O cu sincronizare specializată și caracteristici software cheie, de la validarea dispozitivelor până la testarea automată a producției. Aceste unități combinate sunt disponibile într-un sistem de măsurare compact, cu cinci sloturi PXI Express, care este controlat cu un laptop sau un computer desktop prin intermediul unui port Thunderbolt USB-C.

Acest articol începe cu o scurtă trecere în revistă a indicatorilor de performanță ai sistemelor de instrumente modulare, inclusiv a categoriilor de instrumente analogice. Apoi, prezintă o comparație a performanțelor diferitelor magistrale pentru sistemele de instrumente modulare și analizează provocările legate de creșterea rezoluției și de reducerea latențelor. Se încheie prin prezentarea pachetelor PXI Programmable Power Supply (PPS) de la NI, inclusiv a modulelor pentru multimetre digitale, aparate de măsură LCR, osciloscoape, I/O multifuncționale, generatoare de forme de undă și unități de măsurare a surselor, împreună cu instrumente software pentru automatizarea procesului T&M.

Ce fel de măsurători sunt necesare?

Procesul de determinare a tipului de instrument T&M necesar începe cu câteva întrebări de bază:

• Este semnalul măsurat o intrare, o ieșire sau ambele?
• Frecvența semnalului este curent continuu (c.c.) sau curent alternativ (c.a.), iar dacă este c.a., este în kilohertzi (kHz), megahertzi (MHz) sau gigahertzi (GHz)?

Răspunsurile la aceste întrebări vă ajută să determinați dacă instrumentul necesar este destinat aplicațiilor de curent continuu și putere, analogice de viteză mică, analogice de viteză mare sau de frecvență radio (RF) și wireless (Tabelul 1).

Tabelul 1: Există mai multe categorii de bază de instrumente de T&M bazate pe caracteristicile de intrare și ieșire și pe nivelurile de performanță. (Sursa tabelului: NI)

Specificații pentru instrumentele analogice

După determinarea tipului general de instrument necesar pentru o sarcină de măsurare, este timpul să se identifice cerințele specifice de performanță, inclusiv:

• Bazele semnalului, în cadrul cărora trebuie să se asigure că: domeniul semnalului este suficient de mare pentru a capta semnalele necesare, impedanța suportă încărcarea DUT și cerințele de frecvență ale măsurătorii, iar izolarea de masă suportă nivelurile necesare de imunitate la zgomot și siguranță.
• Lățimea de bandă, în kHz, MHz sau GHz, trebuie să fie adecvată pentru a gestiona semnalele măsurate, iar convertorul analogic-digital (ADC) trebuie să fie suficient de rapid în ceea ce privește eșantioanele pe secundă, cum ar fi kiloeșantioane pe secundă (kS/s), megaeșantioane pe secundă (MS/s) sau gigaeșantioane pe secundă (GS/s) pentru a capta nuanțele de semnal necesare.
• Rezoluția și precizia sunt, de asemenea, considerente importante. Este necesară o rezoluție pe 8 biți, 24 de biți sau un alt nivel de rezoluție? Care este rata maximă de eroare în termeni de procente sau părți pe milion care poate fi tolerată? În plus, care este sensibilitatea în unități absolute, cum ar fi microvolți (µV) sau nanovolți (nV), de care este nevoie?

Diferitele tipuri de instrumente T&M necesită diferite intervale de izolare și impedanță de intrare, specificații de cuplare și filtrare a intrării, sensibilități ale amplificatorului, precum și rezoluție și precizie de măsurare, după cum se arată în exemplul căii de intrare analogică a instrumentului de măsurare (Tabelul 2).

Tabelul 2: Diferite instrumente T&M, cum ar fi un DMM și un osciloscop, pot necesita caracteristici de performanță foarte diferite pentru o anumită măsurătoare. (Sursa tabelului: NI)

Magistrale, lățime de bandă și latență

Instrumentele T&M trebuie să fie conectate la un controler pentru a forma un sistem de testare. Cerințele privind lățimea de bandă a semnalului și latența magistralei de conectare sunt considerente importante. Lățimea de bandă măsoară viteza cu care sunt transmise datele, de obicei în megaocteți pe secundă, în timp ce latența măsoară întârzierea cu care sunt transmise datele. Magistralele utilizate în mod obișnuit au combinații foarte variate de lățime de bandă și latență. Un alt factor este distanța de transmisie pe care o suportă magistrala. De exemplu, magistrala General Purpose Interface Bus (GPIB) și magistrala Universal Serial Bus (USB) pot suporta niveluri similare de latență, dar USB oferă o lățime de bandă mai mare. La rândul său, Gigabit Ethernet are o lățime de bandă medie și o latență mai mare, dar poate transmite pe distanțe mult mai mari.

Atunci când se proiectează sisteme T&M, se utilizează adesea PCI și PCI Express. Acestea sunt concepute pentru legături cu rază scurtă de acțiune, de până la aproximativ 1 metru (m), și oferă o lățime de bandă mare și o latență redusă (Figura 1). O caracteristică importantă a PCI Express este aceea că oferă o lățime de bandă dedicată pentru fiecare dispozitiv de pe magistrală. Acest lucru face ca PCI Express să fie magistrala de interconectare preferată pentru aplicațiile de înaltă performanță și cu utilizare intensivă a datelor, cum ar fi sistemele T&M în timp real, unde este necesară integrarea și sincronizarea funcționării mai multor instrumente.

Figura 1: PCI/PXI Express oferă cea mai bună combinație de performanță în ceea ce privește rezoluția și latența. (Sursa imaginii: NI)

Pachete de instrumente T&M

Proiectanții pot utiliza pachetele PXI PPS de la NI ca bază pentru sisteme T&M de înaltă performanță. Modulele PXI PPS asigură necesitățile de alimentare de bază ale DUT și pot fi extinse cu numeroase module T&M pentru a susține o gamă largă de aplicații de caracterizare a dispozitivelor, de validare a proiectării și de testare a producției. Șasiul furnizează până la 58 de wați de putere și răcire pentru instrumente suplimentare, interconexiuni PXIe de înaltă performanță și o legătură Thunderbolt integrată pentru conectarea cu un computer desktop sau laptop extern, care acționează ca și controler de sistem (Figura 2).

Figura 2: Un pachet PPS PXI de bază include un controler, un modul PPS și sloturi pentru încă patru instrumente PXI. (Sursa imaginii: NI)

PPS-urile pot fi utilizate pentru a furniza energie programabilă unui DUT, controlând și monitorizând în același timp nivelurile de curent și tensiune pentru a măsura consumul de energie. Acestea au două canale izolate de 60 de wați cu detecție la distanță pentru a corecta pierderile din cablajul sistemului, cu o eficiență tipică de 78%. Canalele includ, de asemenea, deconectări de ieșire care pot izola DUT atunci când acesta nu este testat.

Exemple de pachete PXI PPS expandabile cu o putere de 120 de wați pentru DUT includ 867117-01 cu un PPS cu două canale PXIe-4112 (ca modelul 782857-01) care poate furniza maxim 1 amper (A) la 60 de volți c.c. per canal și 867118-01 cu un PPS cu două canale PXI2-4113 (ca modelul 782857-02) care poate furniza până la 6 A la 10 volți c.c. per canal (Figura 3).

Figura 3: Pachetele PXI PPS sunt disponibile cu o gamă de surse de alimentare cu ieșiri de 60 volți c.c. (stânga) sau 10 volți c.c. (dreapta). (Sursa imaginii: NI)

Lansarea dezvoltării sistemelor T&M

NI oferă proiectanților o gamă de pachete PXI pentru a le stimula eforturile de dezvoltare a sistemelor T&M. Printre exemple se numără:

Pachete de generatoare de forme de undă PXI care pot fi utilizate pentru a genera funcții standard și forme de undă arbitrare definite de utilizator. Pachetele de generatoare de forme de undă PXI dispun de până la două canale de ieșire cu lățimi de bandă de până la 80 MHz, un interval de ieșire de ± 12 volți și o rată maximă de eșantionare de 800 MS/s. De exemplu, modelul 867119-01 include un generator de funcții arbitrare de 20 MHz.

Pachetele de osciloscoape PXI dispun de până la opt canale care pot eșantiona la viteze de până la 5 GS/s cu o lățime de bandă analogică de 1,5 GHz. Pachetul 867010-01 include un modul osciloscop de 60 MHz.

Pachetele PXI cu Unitate de măsură la sursă (SMU), cum ar fi 867111-01, sunt concepute pentru a automatiza măsurătorile și testele de curent continuu. Unitățile SMU funcționează în patru cadrane, au intervale de până la ±200 volți și ±3 A și sensibilitate de până la 100 femtoamperi (fA). Pachetele PXI SMU combină capacitatea de a efectua scanări de mare putere și măsurători de curent redus.

Pachetele PXI LCR, cum ar fi 867113-01, pot fi utilizate pentru a efectua măsurători de curent continuu și de impedanță prin combinarea unui aparat de măsură LCR și a unui SMU într-un singur instrument. Acest instrument oferă măsurători de curent fA și de capacitate în femtofarazi (fF) într-un factor de formă PXI cu o singură fantă.

Pachetele DMM PXI acceptă măsurători DMM manuale, comutate și automate, cu o precizie ridicată și o rezoluție de până la 7,5 cifre. O viteză mare de eșantionare permite utilizatorilor să caracterizeze curenții tranzitorii fără a avea nevoie de un osciloscop. De asemenea, utilizatorii pot configura declanșatori pentru achiziție și/sau secvențiere. De exemplu, modelul 867115-01 are un afișaj de 6,5 cifre.

Pachetele aparatelor de măsură în nanovolți PXI sunt module de intrare analogică de înaltă rezoluție, cu o rezoluție de până la 28 de biți. Acestea includ un mod de întrerupere periodică care utilizează o pereche de canale pentru a oferi niveluri ridicate de respingere a zgomotului, ceea ce permite măsurători nV precise și repetabile și medierea și filtrarea integrată a semnalului, precum și comutarea automată a măsurătorilor la zero. Modelul 867125-01 are 32 de canale, rezoluție pe 28 de biți și eșantionare de 2 MS/s.

Pachetele de I/O multifuncționale PXI, cum ar fi 867124-01, oferă o combinație de I/O analogice, I/O digitale, contor/temporizator și funcții de declanșare. Pachetele de I/O multifuncționale PXI au până la patru canale de ieșire analogice, 48 de canale digitale bidirecționale, 80 de canale de intrare analogice și o rată de eșantionare de 2 MS/s.

Software-ul definește sistemul

Pe lângă modulele hardware complete, NI oferă proiectanților de sisteme T&M o gamă de medii de dezvoltare software, inclusiv InstrumentStudio și LabVIEW.

Inclus cu instrumentele PXI de la NI, InstrumentStudio oferă inginerilor de testare un singur mediu software fără cod pentru monitorizarea și depanarea sistemelor de testare automate. În plus, utilizatorii pot crea ecrane care prezintă simultan date de la mai multe instrumente (Figura 4). Instrumentele permit utilizatorilor să înregistreze capturi de ecran și rezultate de măsurare și să salveze configurații la nivel de proiect pentru DUT-uri care pot fi reutilizate sau partajate cu alți dezvoltatori.

Figura 4: InstrumentStudio poate prezenta date de la mai multe instrumente pe un singur ecran. De exemplu, de la un osciloscop (panoul mare din stânga), un DMM (panoul din dreapta sus) și un generator de funcții (panoul din dreapta jos). (Sursa imaginii: NI)

LabVIEW este mediul de dezvoltare a testelor definite prin software de la NI. Cu ajutorul interfeței grafice cu utilizatorul (GUI), inginerii de testare pot dezvolta rapid sisteme automate de testare pentru cercetare, validare și producție. La un nivel de bază, abordarea grafică a LabVIEW permite celor care nu sunt programatori să tragă și să fixeze reprezentări virtuale ale instrumentelor pentru a construi programe T&M, să creeze interfețe interactive cu utilizatorul și să salveze date în fișiere .cvs, .tdms sau în fișiere binare definite de client.

Programatorii mai avansați pot beneficia de driverele disponibile pentru Python, C, C++, C#, .NET și MATLAB. De asemenea, NI oferă un pachet de instrumente software pentru dezvoltarea unor medii T&M complete, inclusiv:

• TestStand pentru crearea secvențelor de testare automată
• Software de dezvoltare G Web pentru crearea de aplicații web
• DIAdem pentru analiza interactivă a datelor
• FlexLogger pentru achiziția și înregistrarea datelor T&M

Concluzie

Crearea unor medii de testare definite de software pentru proiectarea, validarea și testarea în producție a componentelor și sistemelor necesită utilizarea mai multor instrumente T&M. În loc să folosească instrumente de la mai mulți furnizori, cu cerințele de conectivitate, costuri și spațiu asociate, inginerii de testare pot utiliza pachetele de instrumente de la NI, care pot fi utilizate pentru a produce sisteme de testare compacte, flexibile și de înaltă performanță. NI oferă, de asemenea, o gamă de medii software pentru a accelera procesul de dezvoltare.

Lectură recomandată

1. Cum se construiește un sistem compact de achiziție de date
2. Aplicarea funcțiilor de programabilitate, conectare în rețea și detectare de la distanță fără cabluri pentru sursele de alimentare de laborator