Hur man påskyndar systemkonstruktion, validering och produktionstest med hjälp av modulära instrument och programvara

Flertalet test- och mätinstrument (T&M) behövs för att konstruera, validera och produktionstesta komponenter och system för tillämpningar i fordon, för konsumenter, inom industri och medicinsk teknik samt övriga tillämpningar. Instrumentserierna för testning och mätning måste vara kompakta och ha hög prestanda. De behöver låg latens samt hög kanaldensitet och bandbredd. Dessutom kan konstruktionsbehoven ändras över tid, så modulär flexibilitet är ett stort plus för att framtidssäkra systemet. I många fall innebär test- och mätprocesser repetitiva tester eller samarbete mellan geografiskt utspridda team vilket gör programvarudefinierad testning till en mycket önskvärd funktion.

Användning av en grupp konventionella instrument är en potentiell lösning. Problemen med systemintegration av enheter från olika tillverkare, inklusive information som presenteras på flera skärmar, programvarukompatibilitet, mängder av kablage och det utrymme som krävs för många separata instrument, kan dock vara en utmaning.

Istället kan systemkonstruktörer av test- och mätinstrument använda sig av paket med högeffektiva modulära instrument och andra I/O-moduler med specialiserad synkronisering och viktiga programvarufunktioner, allt från enhetsvalidering till automatiserad produktionstestning. De kombinerade enheterna är tillgängliga i ett kompakt mätsystem med fem fack från PXI Express som styrs med en bärbar eller stationär dator via en Thunderbolt USB-C-port.

Artikeln inleds med en kort genomgång av prestandamått för modulära instrumentsystem inklusive kategorier med analoga instrument. Därefter presenteras en jämförelse av prestandan hos olika bussar för modulära instrumentsystem och man tittar på utmaningarna i samband med ökande upplösning och minskande latenser. Avslutningsvis presenteras PXI PPS (Programmable Power Supply)-paket från NI, inklusive moduler för digitala multimetrar, LCR-mätare, oscilloskop, flerfunktions I/O, vågformsgeneratorer och SMU (source measurement units), tillsammans med mjukvaruverktyg för automatisering av test- och mätprocessen.

Vilken typ av mätning behövs?

Processen för att avgöra vilken typ av instrument för testning och mätning som behövs börjar med ett par grundläggande frågor:

• Är den signal som mäts en ingång, en utgång eller både och?
• Är signalfrekvensen likström (DC) eller växelström (AC), och om det är växelström, är den i kilohertz (kHz), megahertz (MHz) eller gigahertz (GHz)?

Svaren på dessa frågor gör det lättare att avgöra om det instrument som behövs, behöver hantera likström och effekt, analoga funktioner med låg och hög hastighet, radiofrekvenser (RF) och trådlösa tillämpningar (tabell 1).

Tabell 1: Det finns flera enkla kategorier av test- och mätinstrument som baseras på in- och utgångars egenskaper och prestandanivåer. (Tabellkälla: NI)

Specifikationer för analoga instrument

Efter fastställande av den generella typen av instrument som behövs för en mätuppgift är det dags att identifiera de specifika prestandakraven, inklusive:

• Grundläggande signalkunskaper omfattar säkerställande av: tillräckligt stort signalområde för att fånga in de signaler som krävs, att impedansen stöder belastningen av DUT och kraven på frekvensen för mätningen samt att isoleringen från jord stödjer de nivåer av brusimmunitet och säkerhet som krävs.
• Bandbredden, i kHz, MHz eller GHz, måste vara tillräcklig för att hantera de signaler som mäts, och analog-digitalomvandlaren (ADC) måste vara tillräckligt snabb i fråga om samplingar per sekund, t.ex. kS/s (kilosamplingar per sekund), MS/s (megasampling per sekund) eller Gs/s (gigasampling per sekund) för att fånga de nödvändiga signalnyanserna.
• Upplösning och noggrannhet är också viktiga faktorer. Behövs 8-bitars, 24-bitars eller en annan nivå av upplösning? Vilken är den högsta felprocent i procent eller miljondelar som kan tolereras? Dessutom, vilken känslighet i absoluta enheter som mikrovolt (µV) eller nanovolt (nV) krävs?

Olika typer av test- och mätinstrument kräver olika omfång för ingångsisolering och impedans, ingångskoppling och filterspecifikationer, förstärkarkänslighet samt mätupplösning och noggrannhet, vilket visas i exemplet med en analog ingångsväg för mätinstrument (tabell 2).

Tabell 2: Olika test- och mätinstrument, som t.ex. en digital multimeter och ett oscilloskop, kan kräva mycket varierande prestandaegenskaper för en förutbestämd mätning. (Tabellkälla: NI)

Bussar, bandbredd och latens

Test- och mätinstrumenten måste anslutas till en styrenhet för att bilda ett testsystem. Kraven på bandbredden för signal och latens för anslutningsbussen är viktiga faktorer att ta hänsyn till. Bandbredden mäter den hastighet med vilken data överförs, vanligtvis i megabyte per sekund, medan latensen mäter fördröjningen i överföringen av data. Vanligt förekommande bussar har mycket varierande kombinationer av bandbredd och fördröjning. En annan faktor är det överföringsavstånd som bussen stödjer. Exempelvis kan GPIB (General Purpose Interface Bus) och USB (Universal Serial Bus) stödja liknande nivåer av latens, men USB har högre bandbredd. Gigabit Ethernet å sin sida har medelhög bandbredd och högre latens, men kan överföra data över mycket längre avstånd.

Vid utformning av test- och mätsystem används ofta PCI och PCI Express. De är konstruerade för kortdistansförbindelser, upp till ca 1 m och tillhandahåller hög bandbredd och låg latens (figur 1). En viktig egenskap hos PCI Express är att den tillhandahåller dedikerad bandbredd för varje enhet på bussen. Detta gör PCI Express till den sammankopplande buss för högeffektiva och dataintensiva tillämpningar som föredras för test- och mätsystem i realtid, där det är nödvändigt att integrera och synkronisera driften av flera instrument.

Figur 1: PCI/PXI Express erbjuder den bästa kombinationen av upplösning och latens. (Bildkälla: NI)

Paket med test- och mätinstrument

Konstruktörer kan använda sig av PXI PPS-paket från NI som grund för högeffektiva test- och mätsystem. PXI PPS-modulerna tillgodoser det grundläggande strömbehovet för DUT och kan utökas med många test- och mätmoduler för att stödja en rad olika tillämpningar för karakterisering av enheter, validering av konstruktion och tillverkning av tester. Chassit levererar upp till 58 W och kyla för ytterligare instrument, högeffektiva PXIe-anslutningar och en integrerad Thunderbolt-länk för anslutning till en extern stationär eller bärbar dator, som fungerar som systemkontrollenhet (figur 2).

Figur 2: Ett grundpaket av PXI PPS innehåller en styrenhet, en PPS-modul och platser för ytterligare fyra PXI-instrument. (Bildkälla: NI)

PPS:erna kan användas för att leverera programmerbar ström till en DUT och samtidigt styra och övervaka ström- och spänningsnivåerna för att mäta strömförbrukningen. De har två isolerade kanaler på 60 W med fjärravkänning för att kompensera för förluster i systemets kablage, med en typisk verkningsgrad på 78 %. Kanalerna har även utgångskopplingar som kan isolera DUT när den inte testas.

Exempel på utbyggbara paket av PXI PPS med en effekt för DUT på 120 W inkluderar 867117-01 med en PXIe-4112 tvåkanalig PPS (som modell 782857-01) som kan leverera maximalt 1 A vid 60 V DC per kanal, och 867118-01 med en PXI2-4113 tvåkanalig PPS (som modell 782857-02) som kan leverera upp till 6 A vid 10 V DC per kanal (figur 3).

Figur 3: Paket med PXI PPS finns tillgängliga med ett urval av nätaggregat med utgångar på 60 V DC (vänster) eller 10 V DC (höger). (Bildkälla: NI)

Snabbstarta utvecklingen av test- och mätsystem

NI erbjuder konstruktörer en rad olika paket av PXI för att snabbt starta utvecklingen av deras test- och mätsystem. Exempel på detta är:

Paket med PXI vågformsgenerator som kan användas för att generera standardfunktioner och användardefinierade, godtyckliga vågformer. Paketen med PXI vågformsgeneratorer har upp till två utgångskanaler med bandbredder på upp till 80 MHz, ett utgångsområde på ±12 V och en maximal samplingsfrekvens på 800 MS/s. Till exempel innehåller 867119-01 en 20 MHz godtycklig funktionsgenerator.

PXI oscilloskop-paketet har upp till åtta kanaler som kan sampla med hastigheter på upp till 5 GS/s med en analog bandbredd på 1,5 GHz. 867010-01-paketet innehåller en oscilloskopmodul på 60 MHz.

PXI SMU (Source Measure Unit)-paketet, som t.ex. 867111-01, är utformat för att automatisera likströms- och testmätningar. SMU-enheterna har fyra kvadrantfunktioner, mätområden på upp till ±200 V och ±3 A samt en känslighet så låg som 100 fA (femtoampere). Paket med PXI SMU kombinerar möjligheten att utföra svep med hög effekt och mätningar med låg strömstyrka.

PXI LCR-paket som exempelvis 867113-01 kan användas för mätningar av likström och impedans genom att kombinera en LCR-mätare och en SMU i ett enda instrument. Detta instrument tillhandahåller mätningar i fA för ström och fF (femtofarad) för kapacitans i en PXI-formfaktor med ett fack.

PXI DMM-paketet stödjer manuellt uppmätta, switchade och automatiserade mätningar med digital multimeter med hög noggrannhet och upplösning på upp till 7,5 siffror. Den höga samplingshastigheten gör det möjligt att karakterisera transienter utan att behöva använda ett oscilloskop. Användarna kan även konfigurera triggers för insamling och/eller sekvensering. Till exempel har 867115-01 en display med 6,5 siffror.

PXI Nanovolt Meter-paketet är högupplösta analoga ingångsmoduler med en upplösning på upp till 28 bitar. De inkluderar ett chopping-läge som använder ett par kanaler för att ge höga brusreduceringsnivåer, vilket möjliggör noggranna och upprepade mätningar i nV, inbyggt signalmedelvärde och filtrering, samt automatisk nollställning vid byte av mätområde. Modellen 867125-01 har 32 kanaler, en upplösning på 28 bitar och sampling på 2 MS/s.

PXI Multifunction I/O-paketen, som 867124-01, ger en blandning av analoga och digitala I/O, räknare/timer och triggerfunktioner. De multifunktionella I/O-paketen i PXI har upp till fyra analoga utgångskanaler, 48 dubbelriktade digitala kanaler, 80 analoga ingångskanaler och en samplingsfrekvens på 2 MS/s.

Programvaran definierar systemet

NI tillhandahåller, förutom omfattande hårdvarumoduler, ett urval av miljöer för mjukvaruutveckling till konstuktörer av test- och mätsystem, inklusive InstrumentStudio och LabVIEW.

InstrumentStudio ingår i PXI-instrument från NI och ger testingenjörer en enda mjukvarumiljö för övervakning och felsökning av automatiserade testsystem utan kodning. Dessutom kan användarna skapa skärmar som presenterar data från flera instrument samtidigt (figur 4). Med hjälp av verktygen kan användarna ta skärmbilder och mätresultat och spara konfigurationer för DUT-enheter på projektnivå som kan återanvändas eller delas med andra utvecklare.

Figur 4: InstrumentStudio kan presentera data från flera instrument på en enda skärm. Till exempel från ett oscilloskop (stora vänstra panelen), en digital multimeter (övre högra panelen) och en funktionsgenerator (nedre högra panelen). (Bildkälla: NI)

LabVIEW är en mjukvarudefinierad utvecklingsmiljö för testning från NI. Med det grafiska användargränssnittet (GUI) kan testingenjörer snabbt utveckla automatiserade testsystem för forskning, validering och produktion. På en grundläggande nivå gör LabVIEW:s grafiska tillvägagångssätt det möjligt för icke-programmerare att dra och släppa virtuella representationer av instrument för att bygga program för testning och mätning, skapa interaktiva användargränssnitt och spara data till .cvs, .tdms eller egendefinierade binära filer.

Programmerare på en mer avancerad nivå kan dra nytta av tillgängliga drivrutiner för Python, C, C++, C#, .NET och MATLAB. NI erbjuder även ett paket med mjukvaruverktyg för utveckling av omfattande miljöer för testning och mätning, inklusive

• TestStand för att skapa automatiserade testsekvenser
• G Web utvecklingsprogramvara för att bygga webbapplikationer
• DIAdem för interaktiv dataanalys
• FlexLogger för insamling och loggning av test- och mätdata

Sammanfattning

Kravet för att skapa programvarudefinierade testmiljöer för konstruktion, validering och produktionstestning av komponenter och system är användning av olika test- och mätinstrument. Istället för att använda instrument från flera olika leverantörer med tillhörande krav på anslutningar, kostnader och utrymme, kan testingenjörer använda sig av instrumentpaket från NI som kan användas för att skapa kompakta, flexibla och högeffektiva testsystem. NI erbjuder också ett urval av mjukvarumiljöer för att påskynda utvecklingsprocessen.

Rekommenderad läsning

1. Hur man bygger ett kompakt datainsamlingssystem
2. Tillämpa funktioner för programmerbarhet, nätverk och kabelfri fjärravkänning i nätaggregat för stationära datorer