Implementarea unui sistem de testare automatizat compact și flexibil prin utilizarea pachetelor de I/O multifuncționale PXI

Punerea în aplicare a unui sistem de testare automatizat multifuncțional pentru validarea proiectării, testarea componentelor și testarea producției pentru sisteme electronice industriale, de consum, de vehicule, medicale și alte sisteme electronice necesită o varietate de instrumente de testare și măsurare. De asemenea, numărul mare de senzori utilizați în proiectele moderne necesită mai multe canale analogice și digitale, iar un anumit banc de testare trebuie să poată fi adaptat cu ușurință și în mod rentabil.

Îndeplinirea acestor cerințe poate fi dificilă dacă se utilizează echipamente de testare autonome. În schimb, proiectanții pot opta pentru o abordare modulară care utilizează un factor de formă standardizat, cum ar fi PCI eXtensions for Instrumentation (PXI). Acest lucru poate oferi flexibilitatea și creșterile de productivitate necesare pentru un mediu de testare multifuncțional și multicanal în schimbare rapidă, menținând în același timp costurile la un nivel minim.

Acest articol oferă o scurtă introducere în PXI și utilizează un exemplu de configurare de testare pentru evidențierea avantajelor sale. Apoi, prezintă pachetele de I/O multifuncționale PXI de la NI și discută despre modul de configurare a acestora.

De ce să folosiți PXI?

Pe măsură ce bancurile de testare devin tot mai complexe, utilizarea de echipamente autonome duce la mai multe ecrane, panouri frontale, cabluri de linie și interfețe de computer lente. Acest lucru cauzează confuzie și erori inutile care prelungesc timpul de testare și reduc productivitatea. În plus, actualizarea sau reconfigurarea sistemelor de testare de tip „rack-and-stack” pentru adăugarea caracteristicilor precum mai multe canale poate fi dificilă și costisitoare. Instrumentele cu o singură funcție necesită schimbarea întregului instrument pentru a schimba funcționalitatea, iar comunicarea, sincronizarea și reprogramarea asociate complică situația.

Instrumentele PXI oferă funcționalitatea necesară într-un factor de formă standard și compact. În acest scenariu, mai multe instrumente, cum ar fi canalele de intrare/ieșire (I/O) analogice și digitale, se potrivesc unul lângă altul într-un șasiu comun. De asemenea, PXI simplifică adăugarea și integrarea unor instrumente mai complexe, cum ar fi osciloscoapele, multimetrele și generatoarele de semnal. Instrumentele comunică intern cu o structură de magistrală comună, asigurând funcționarea sincronă, în timp ce un pe PC care rulează un software de unificare permite controlarea tuturor instrumentelor de pe un ecran comun.

Un scenariu comun de testare

Un exemplu care demonstrează tipul de măsurători pe care modulul multifuncțional I/O este proiectat să le gestioneze include o unitate de acționare cu viteză variabilă (VSD) într-un sistem inteligent de control al mișcării care necesită mai multe tipuri de senzori (Figura 1).

Figura 1: Un VSD utilizează mai mulți senzori analogici și digitali care trebuie să fie testați și a căror funcționalitate trebuie verificată. (Sursa imaginii: Art Pini)

Testarea componentelor senzorilor unui VSD asigură funcționarea corectă a senzorilor pentru temperatura motorului, viteza de rotație, poziția arborelui, cuplu și nivelul de vibrații. Cele mai multe dintre ieșirile senzorilor sunt semnale analogice cu o lățime de bandă de semnal redusă, de sub 1 megahertz (MHz). Unii senzori analogici, cum ar fi senzorii de curent magnetorezistivi anizotropi (AMR) și senzorii de poziție a arborelui, utilizează punți rezistive și necesită intrări diferențiale în instrumentul de măsurare. Unii senzori, cum ar fi tahometrul, pot fi digitali și necesită una sau mai multe intrări digitale pentru monitorizare.

Modulele de testare I/O multifuncționale sunt potrivite pentru testarea acestor tipuri de senzori, oferind intervale de tensiune analogică, lățimi de bandă și rate de eșantionare adaptate la ieșirile senzorilor analogici. De asemenea, acestea includ canale de intrare/ieșire digitale cu rate de eșantionare mai mari decât vitezele de transfer al datelor testate.

Există cerințe de testare similare pentru aplicațiile din robotică, domeniul auto și mediile industriale în care sunt utilizați mai mulți senzori în fiecare aplicație.

Pachetul multifuncțional de testare I/O

Pachetele PXI de la NI constau dintr-un șasiu PXI cu cinci sloturi și una dintre cele două module de I/O multifuncționale NI. Modulele multifuncționale PXI oferă o combinație de I/O analogice, I/O digitale, contor/temporizator și funcționalitate de declanșare (Figura 2).

Figura 2: Un pachet I/O multifuncțional PXI oferă un sistem autonom de testare și măsurare automată, inclusiv un modul I/O multifuncțional PXI și patru sloturi deschise pentru instrumente suplimentare. (Sursa imaginii: NI)

Șasiul asigură alimentarea cu energie electrică și o structură de magistrală internă pentru a lega toate modulele prin intermediul plăcii sale backplane. Magistrala PXIe permite declanșarea și sincronizarea mai multor instrumente. PXIe este un subset al PXI care utilizează o interfață serială de mare viteză în locul magistralei de date paralele PXI. O interfață Thunderbolt 3 oferă o interfață rapidă la un computer prin intermediul unui conector USB 3.0. Doi conectori USB 3.0 permit conectarea în cascadă a mai multor șasiuri PXIe. Cele patru sloturi deschise pot accepta alte instrumente, cum ar fi osciloscoape, multimetre digitale, generatoare de forme de undă, comutatoare multiplexoare, unități de măsurare a surselor și surse de alimentare.

De exemplu, pachetul de I/O multifuncțional 867123-01 de la NI este alcătuit dintr-un șasiu PXIe-1083 cu cinci sloturi, un modul multifuncțional I/O PXIe-6345 și cablurile asociate. Alternativ, pachetul 867124-01 utilizează același șasiu și același cablaj, dar folosește un modul PXIe-6363 cu conectori de terminare în masă pentru intrare pe panoul frontal (Figura 3).

Figura 3: O vedere detaliată a modulului multifuncțional I/O PXIe-6363 care include o vedere a conectorilor de terminare în masă pentru intrare pe panoul frontal. (Sursa imaginii: NI)

Cele două pachete de produse diferă în ceea ce privește numărul de canale de intrare analogice, numărul de canale de ieșire analogice, numărul de canale I/O digitale și rata maximă de eșantionare (în kiloeșantioane pe secundă (kS/s) și megaeșantioane pe secundă (MS/s)) (Tabelul 1).

Tabelul 1: Este prezentată o comparație a pachetelor multifuncționale de I/O PXIe-867123 și PXIe-867124. (Sursa tabelului: Art Pini)

Canale analogice

Configurațiile interne ale canalelor de intrare analogică (AI) ale ambelor pachete sunt identice. Un singur convertor analogic-digital (ADC) este împărțit pe mai multe canale de intrare, utilizând un multiplexor analogic (Mux) pentru a secvenția fiecare intrare (Figura 4).

Figura 4: Configurarea intrărilor canalelor analogice include un Mux pentru direcționarea intrărilor configurate individual către un singur ADC. (Sursa imaginii: NI)

Semnalele de intrare sunt conectate prin intermediul conectorului I/O de pe panoul frontal. În plus, conexiunea de detecție AI și masa AI sunt, de asemenea, disponibile pentru a stabili niveluri de referință precise pentru măsurători. Mux-ul selectează una dintre intrările analogice; aceasta poate fi un singur canal pentru măsurători multiple sau mai multe canale pentru măsurători secvențiale. Canalul selectat este direcționat prin selecția de configurare a intrării analogice. Există trei configurații de intrare: diferențială, cu un singur capăt cu referință (RSE) sau fără referință (NRSE). Conexiunea diferențială, recomandată pentru sursele flotante, utilizează două dintre intrările analogice disponibile ca intrări diferențiale inversoare și neinversoare. Intrările diferențiale nu sunt legate la masă și pot fi conectate la surse flotante. Configurația de intrare diferențială suprimă zgomotul de mod comun.

Configurația de intrare RSE leagă intrarea inversoare (AI-) de masă într-un singur punct, fie la masa AI pentru o sursă flotantă, fie la masa sursei pentru o sursă bazată pe masă.

Configurația NRSE pentru o sursă flotantă conectează intrarea AI- la borna negativă a sursei și la linia de detecție AI cu o întoarcere rezistivă la masa AI. Pentru o sursă cu referință la masă, terminalul AI- se conectează direct la masa sursei și la linia de detecție AI.

Intrarea configurată este direcționată către amplificatorul de instrumentație cu câștig programabil NI (NI-PGIA), care amplifică sau atenuează semnalul de intrare pentru a se potrivi cu domeniul tensiunii de intrare al ADC-ului. Există șapte intervale de tensiune de intrare programabile pentru semnalele analogice între ±100 milivolți (mV) și ±10 volți. Domeniul de intrare al fiecărui canal de semnal de intrare poate fi programat individual, iar câștigul este comutat împreună cu semnalul de intrare. NI-PGIA minimizează timpii de stabilizare pentru toate intervalele de tensiune de intrare pentru a maximiza precizia măsurării tensiunii.

ADC-ul pentru ambele digitizoare are o rezoluție a amplitudinii de 16 biți. Semnalul analogic este cuantificat în 65.536 de niveluri posibile. Aceasta oferă o rezoluție de 320 microvolți (mv) în intervalul ±10 volți și 3,2 mv în intervalul ±100 mV.

Ieșirile digitizate ale ADC sunt stocate în memoria AI de tip „primul intrat, primul ieșit” (AI FIFO).

De asemenea, modulele multifuncționale au o capacitate de ieșire analogică (AO). Există fie două, fie patru ieșiri analogice, în funcție de model, cu un ceas de ieșire comun (Figura 5).

Figura 5: Într-un etaj tipic de ieșire analogică, tamponul de memorie AO FIFO conține valorile de eșantionare a formei de undă descărcate de la gazdă. (Sursa imaginii: NI)

Tamponul de memorie AO FIFO conține valorile de eșantionare a formei de undă descărcate de la computerul gazdă. Faptul că eșantioanele sunt stocate în FIFO înseamnă că formele de undă analogice pot fi emise fără a fi nevoie de o conexiune la computer. Ceasul de eșantionare AO sincronizează datele din FIFO cu convertoarele digital-analogice (DAC) care convertesc valorile de eșantionare digitale într-o tensiune analogică. Selectarea referinței AO este utilizată pentru a modifica intervalul de ieșire analogică. Selectarea referinței AO poate fi setată la 10 sau 5 volți, sau poate fi aplicată o referință externă prin intermediul PFI analogic (APFI).

Canale digitale

Canalele digitale includ atât capacități de intrare, cât și de ieșire pentru achiziționarea sau generarea de semnale digitale pe o linie comună (Figura 6).

Figura 6: Liniile de intrare/ieșire digitale bidirecționale (P0.x) pot achiziționa și genera semnale digitale. (Sursa imaginii: NI)

Liniile P0.x funcționează cu linii digitale statice sau de mare viteză ca intrări sau ieșiri. Modulele din seria PXIe-63xx au, de asemenea, șaisprezece linii de interfață cu funcții programabile (PFI) care pot fi configurate de utilizator ca interfață PFI sau canal de I/O digital. Ca intrare, canalul PFI poate direcționa o sursă externă pentru funcțiile de intrare analogică, ieșire analogică, intrare digitală, ieșire digitală sau contor/temporizator. Ca ieșire, multe dintre funcțiile de intrare analogică, ieșire analogică, intrare digitală, ieșire digitală sau contor/temporizator pot fi direcționate către fiecare terminal PFI.

Toate aceste linii acceptă niveluri logice înalte între 2,2 și 5,25 volți și niveluri logice joase între 0 și 0,8 volți. Liniile digitale sunt sincronizate la o frecvență de până la 10 MHz.

Există un filtru digital pe fiecare linie digitală, folosit pentru a debloca semnalele digitale de intrare. Există trei setări ale filtrului în funcție de frecvența de ceas a filtrului utilizată: scurtă, medie sau mare. Setarea scurtă garantează că va trece o lățime a impulsului mai mare de 160 nanosecunde (ns), setarea medie permite trecerea lățimilor de impuls de 10,24 microsecunde (ms) sau mai mari, iar setarea înaltă permite trecerea lățimilor de impuls de 5,12 milisecunde (ms) sau mai mari. Se garantează suprimarea impulsurilor cu lățimi mai mici decât jumătate din lățimea impulsului transmis.

Revenind la exemplul motorului VSD, intrările digitale pot fi utilizate pentru a decoda poziția arborelui. Poziția arborelui poate fi citită de la ieșirile digitale ale unui codificator optic. Codificatorul optic are trei ieșiri digitale: un impuls de indexare o dată pe rotație și două unde pătrate cu o diferență de fază de 90˚, numite ieșiri în cvadratură. Aceste ieșiri în cvadratură sunt denumite în general „A” și „B”. Prin combinarea impulsului de indexare cu ieșirile în cvadratură, se poate calcula orientarea absolută a arborelui și direcția de rotație.

Contoare/temporizatoare

Ambele module PXIe includ patru etaje de contor/temporizator de 32 de biți de uz general și un etaj generator de frecvență. Există opt căi de intrare a semnalelor la fiecare etaj de contor/temporizator, iar intrarea contorului temporizator poate fi oricare dintre cele paisprezece semnale disponibile. Semnalul selectat trebuie să fie aplicat la ceas; nu există nicio prevedere pentru numărarea inversă a intrării contorului/temporizatorului. Contoarele/temporizatoarele pot fi utilizate pentru a număra marginile, pentru a măsura frecvența sau perioada sau pentru a măsura impulsurile, cum ar fi lățimea, ciclul de funcționare sau timpul dintre două margini.

Un exemplu de aplicație a contorului/temporizatorului este măsurarea frecvenței impulsului de indexare de la codificatorul optic din ilustrația motorului VSD. Frecvența poate fi scalată pentru a citi viteza de rotație a motorului în rotații pe minut.

Ieșirea generatorului de frecvență sau a contorului poate genera un impuls simplu, un tren de impulsuri, o frecvență constantă, o diviziune de frecvență sau un flux de impulsuri de eșantionare în timp echivalent (ETS).

Fluxul de impulsuri ETS produce o ieșire de impulsuri cu o întârziere incrementală față de impulsul porții contorului. Acest lucru poate asigura sincronizarea eșantionării pentru forme de undă repetitive, cu o rată de eșantionare mai mare pentru intrările analogice cu frecvențe mai mari decât frecvența Nyquist a digitizorului.

Asistență software

Mai multe pachete software acceptă modulele de I/O multifuncționale. LabVIEW de la NI oferă un mediu de programare grafică ce simplifică achiziția, prelucrarea și analiza datelor. De asemenea, permite crearea de interfețe interactive cu utilizatorul pentru testare, monitorizare, control și arhivare de date.

Pentru utilizatorii care doresc să își genereze propriul cod, NI furnizează drivere care acceptă limbajul de programare ales, inclusiv Python, C, C++, C#, .NET și MATLAB.

De asemenea, NI oferă un pachet software fără cod numit FlexLogger. FlexLogger permite utilizatorilor să vizualizeze, să salveze și să analizeze datele de testare cu instrumente de procesare încorporate și tablouri de bord personalizabile. Acesta are capacitatea de a stabili limite pentru valorile măsurate și de a emite alarme în cazul în care se depășesc limitele. În plus, FlexLogger permite utilizatorilor să personalizeze instrumentele de vizualizare a interfeței cu utilizatorul prin adăugarea de grafice, indicatori numerici și contoare (Figura 7).

Figura 7: Afișajul FlexLogger arată măsurarea vibrațiilor unui motor cu ajutorul unui accelerometru și al unui tahometru pentru a căuta o rezonanță mecanică. (Sursa imaginii: NI)

În graficul de sus, ecranul afișează nivelul de vibrație scalat în g în funcție de timp. Valorile tahometrului, care măsoară viteza de rotație în rotații pe minut, sunt afișate sub forma unui cadran în colțul din dreapta jos. În graficul de jos se prezintă transformarea rapidă Fourier (FFT) (unul dintre instrumentele disponibile pentru procesarea semnalelor) pentru datele de vibrații care arată nivelul de vibrații în funcție de frecvență.

Concluzie

Sistemele de testare trebuie să se adapteze la cerințele în schimbare ale aplicațiilor care necesită multe intrări/ieșiri. Pachetul de I/O multifuncțional de la NI poate constitui baza unui sistem de testare automatizat cu mai multe canale, oferind o combinație de canale de intrare și ieșire analogice și digitale și mai multe contoare/temporizatoare. Ambalat într-un șasiu PXIe cu sloturi suplimentare pentru alte instrumente modulare de testare și măsurare, acesta oferă utilizatorilor scalabilitatea necesară pentru teste rentabile.