Implementering av ett kompakt och flexibelt automatiserat testsystem med I/O-paket med flera funktioner i PXI-format

Implementering av automatiska testsystem med flera funktioner för konstruktionsvalidering, komponenttester och produktionstester för industriella system, fordonssystem och medicintekniska system samt andra elektroniska system kräver en mängd olika test- och mätinstrument. Det stora antalet givare som används i moderna konstruktioner kräver dessutom flera digitala och analoga kanaler och en given testmiljö måste vara skalbar på ett enkelt och kostnadseffektivt sätt.

Att uppfylla dessa krav med en fristående testutrustning kan vara utmanande. Konstruktörer kan istället välja ett modulärt tillvägagångssätt med ett standardiserat format som PXI. Detta kan skapa den flexibilitet och de produktivitetsvinster som krävs för en snabbt föränderlig testmiljö med flera kanaler och flera funktioner samtidigt som kostnaderna hålls nere.

Artikeln inleder med en kort introduktion till PXI och visar ett exempel på en testkonfiguration för att belysa fördelarna. Därefter presenteras I/O-paket med flera funktioner i PXI-format från NI och hur de konfigureras.

Varför använda PXI?

När testmiljöer blir alltmer komplicerade leder användning av fristående utrustning till flera skärmar, frontpaneler, kablage och långsamma datorgränssnitt för instrumenten. Detta skapar förvirring och onödiga fel som förlänger testtiden och minskar produktiviteten. Det kan dessutom vara svårt och dyrt att uppdatera eller konfigurera om utökningsbara testsystem för att lägga till funktioner som t.ex. fler kanaler. Instrument med endast en funktion måste bytas ut helt och hållet för att ändra funktion, och tillhörande kommunikation, synkronisering och omprogrammering komplicerar det hela.

PXI-instrument har de funktioner som krävs i ett standardiserat och kompakt format. Här sitter flera instrument, som t.ex. analoga och digitala I/O-kanaler, sida vid sida i ett gemensamt chassi. PXI underlättar även tillägg och integration av mer avancerade instrument som t.ex. oscilloskop, multimetrar och signalgeneratorer. Den interna kommunikationen för instrumenten sker via en gemensam busstruktur, som säkerställer synkron drift, medan en dator med enhetlig programvara gör det möjligt att styra alla instrument från en skärm.

Ett vanligt testscenario

Ett exempel som visar vilken typ av mätningar som I/O-modulen med flera funktioner är konstruerad för att hantera är en frekvensomriktare (VSD) i ett intelligent system för rörelsestyrning som kräver flera olika typer av givare (figur 1).

Figur 1: En frekvensomriktare använder flera analoga och digitala givare vars funktion måste testas och verifieras. (Bildkälla: Art Pini)

Att testa givarkomponenter givare i en frekvensomriktare garanterar att givare för motortemperatur, rotationshastighet, axelposition, vridmoment och vibrationsnivå fungerar korrekt. De flesta givarutgångarna är analoga signaler med en signalbandbredd på mindre än 1 MHz. Vissa analoga givare, som t.ex. anisotropiska magnetoresistiva (AMR) strömsensorer och givare för axelposition, använder resistiva bryggor och kräver differentialingångar i mätinstrumentet. Vissa givare, som t.ex. varvräknare, kan vara digitala och kräva en eller flera digitala ingångar för övervakning.

I/O-testmoduler med flera funktioner är väl lämpade för att testa dessa givare eftersom de erbjuder analoga spänningsområden, bandbredder och samplingsfrekvenser som är anpassade till de analoga givarutgångarna. De innehåller också digitala I/O-kanaler med samplingsfrekvenser som är högre än de datahastigheter som testas.

Det finns liknande testkrav för tillämpningar inom robotteknik, fordonsindustri och industrimiljöer där flera givare används i respektive tillämpning.

Testpaket för I/O med flera funktioner

PXI-paket från NI består av ett PXI-chassi med fem fack och en av två I/O-moduler med flera funktioner från NI. PXI-modulerna med flera funktioner har en blandning av analog och digital I/O, räknare/timer och aktiveringsfunktioner (figur 2).

Figur 2: Ett I/O-paket i PXI-format som tillhandahåller ett fristående automatiserat test- och mätsystem, inklusive en I/O-modul med flera funktioner i PXI-format och fyra fria platser för ytterligare instrument. (Bildkälla: NI)

Chassit har en strömförsörjning och intern busstruktur för att länka samman alla moduler via bakplanet. PXIe-bussen möjliggör aktivering och synkronisering av flera instrument. PXIe är en undergrupp till PXI som använder ett höghastighetsgränssnitt istället för en parallell databuss. Ett gränssnitt för Thunderbolt 3 via ett kontaktdon med USB 3.0 skapar ett snabbt gränssnitt till en dator. Två kontaktdon med USB 3.0 gör det möjligt att koppla ihop flera PXIe-chassin. De fyra fria facken kan användas för andra instrument som t.ex. oscilloskop, digitala multimetrar, vågformsgeneratorer, multiplexeromkopplare, källmätningsenheter och nätaggregat.

I/O-paketet 867123-01 med flera funktioner från NI består till exempel av chassit PXIe-1083 med fem fack, I/O-modulen PXIe-6345 med flera olika funktioner och tillhörande kablage. Alternativt använder paketet 867124-01 samma chassi och kablage men modulen PXIe-6363 med flera kontaktdon för anslutningar på frontpanelen (figur 3).

Figur 3: En detaljerad bild på I/O-modulen PXIe-6363 med flera funktioner tillsammans med en vy över de många anslutningarna för frontpanelens ingångar. (Bildkälla: NI)

De två produktpaketen skiljer sig åt vad gäller antalet analoga in- och utgångskanaler, antalet digitala I/O-kanaler och den maximala samplingsfrekvensen (kS/s och MS/s) (tabell 1).

Tabell 1: Här visas en jämförelse mellan I/O-paketen PXIe-867123 och PXIe-867124. (Tabellkälla: Art Pini)

Analoga kanaler

De båda paketens interna konfigurationer för analoga ingångskanaler (AI) är identiska. Flera ingångskanaler delar på en enda analog-till-digital-omvandlare (ADC) och med hjälp av en analog multiplexer sekvenseras varje ingång (figur 4).

Figur 4: De analoga ingångskanalernas konfiguration inkluderar en multiplexer för att skicka de individuellt konfigurerade ingångarna till en enda analog-till-digital-omvandlare. (Bildkälla: NI)

Ingångarnas signaler ansluts via frontpanelens I/O-kontaktdon. Utöver detta finns anslutningar för AI Sense och AI Ground tillgängliga för att fastställa exakta referensnivåer vid mätningar. Multiplexern väljer en av de analoga ingångarna; detta kan vara en enda kanal vid flera mätningar, eller flera kanaler vid sekventiella mätningar. Den valda kanalen ansluts till den analoga ingångens konfiguration. Det finns tre ingångskonfigurationer: differentiell, enkelbalanserad med referens (RSE) eller enkelbalanserad utan referens (NRSE). Den differentiella anslutningen, som rekommenderas för källor utan referens, använder två av de tillgängliga analoga ingångarna som inverterade och icke-inverterade differentialingångar. Differentialingångarna har ingen jordreferens och kan anslutas till obalanserade källor. Konfigurationen av den differentiella ingången dämpar störningar i common-mode.

Ingångskonfigurationen för enkelbalansering med referens kopplar den inverterade ingången (AI-) till jord vid en enda punkt, antingen vid den analoga ingångens jord för en flytande källa, eller vid källans jord för en källa med jord.

Konfigurationen för enkelbalansering utan referens för en obalanserad källa ansluter den analoga ingången till källans negativa anslutning och till den analoga ingångens Sense-ledning med en resistiv retur till den analoga ingångens jord. För en källa med jordreferens ansluts den analoga ingången direkt till källans jord och till den analoga ingångens Sense-ledning.

Den konfigurerade ingången skickas till instrumentförstärkare från NI med programmerbar förstärkning (NI-PGIA), som förstärker eller dämpar den inkommande signalen för att motsvara analog-till-digitalomvandlarens inspänningsområde. Det finns sju programmerbara inspänningsområden mellan ±100 mV och ±10 V för de analoga signalerna. Inspänningsområdet för respektive insignals kanal är individuellt programmerbar, och förstärkningen växlar tillsammans med insignalen. NI-PGIA minimerar inställningstiderna för alla inspänningar för att maximera spänningsmätningens noggrannhet.

Analog-till-digitalomvandlaren för båda digitaliseringsenheterna har en amplitudupplösning på 16 bitar. Den analoga signalen kvantifieras till 65 536 möjliga nivåer. Detta ger en upplösning på 320 mV vid ±10 V och 3,2 mV vid ±100 mV.

De digitaliserade utsignalerna från analog-till-digitalomvandlaren lagras i den analoga ingångens FIFO-minne (först in, först ut).

Modulerna med flera funktioner har även en analog utgång (AO). Det finns antingen två eller fyra analoga utgångar, beroende på modell, med en gemensam utgångsklocka (figur 5).

Figur 5: I ett typiskt analogt utgångssteg innehåller minnesbufferten för den analoga utgångens FIFO-minne de samplingsvärden för vågformen som laddats ned från värdenheten. (Bildkälla: NI)

Minnesbufferten för den analoga utgångens FIFO-minne innehåller de samplingsvärden för vågformen som laddats ned från värdenheten. Att samplingen lagras i FIFO-minnet innebär att analoga vågformer kan matas ut utan en ansluten dator. Den analoga utgångens Sample Clock klockar data från FIFO-minnet till den digital-till-analog-omvandlare (DAC) som omvandlar digitala samplingsvärden till en analog spänning. Den analoga utgångens Reference Select används för att ändra det analoga utgångsområdet. Den analoga utgångens Reference Select kan ställas in på 10 eller 5 V, eller så kan en extern referens användas via analog PFI (APFI).

Digitala kanaler

Digitala kanaler har både in- och utgångsfunktioner för att ta emot eller generera digitala signaler på gemensamma linjer (figur 6).

Figur 6: Dubbelriktade digitala I/O-linjer (P0.x) kan ta emot och generera digitala signaler. (Bildkälla: NI)

P0.x-linjerna arbetar med statiska eller snabba digitala linjer som in- och utgångar. Modulerna i serien PXIe-63xx har också 16 st PFI-linjer (Programmable Function Interface) som kan konfigureras av användaren som ett PFI-gränssnitt eller en digital I/O-kanal. Som ingång kan PFI-kanalen styra en extern källa för analog in- och utgång, digital in- och utgång eller räkne-/timerfunktion. Som utgång kan många av de analoga in-och utgångarna samt digitala in- och utgångarna eller räknare/timer styras till respektive PFI-anslutning.

Alla dessa linjer accepterar logiskt höga nivåer mellan 2,2 och 5,25 V och logiskt låga nivåer mellan 0 och 0,8 V. De digitala linjerna har en klockfrekvens på upp till 10 MHz.

På varje digital linje finns ett digitalt filter som används för att dämpa de digitala insignalerna. Det finns tre filterinställningar som baseras på den använda filterklockfrekvensen; låg, medel eller hög. Den låga inställningen garanterar att en pulsbredd på mer än 160 ns passerar. För inställningarna medel och hög passerar pulsbredder på 10,24 µs respektive 5,12 ms eller mer. Pulser med en bredd som är smalare än hälften av den passerade pulsbredden dämpas garanterat.

Om vi återgår till exemplet med motorn med frekvensomriktaren kan de digitala ingångarna användas för att koda axelpositionen. Axelpositionen kan avläsas från de digitala utgångarna på en optisk kodare. Den optiska kodaren har tre digitala utgångar; en indexpuls per varv och två fyrkantsvågor med en fasskillnad på 90˚ som kallas för kvadraturutgångar. Dessa kvadraturutgångar benämns i allmänhet "A" och "B". Genom att kombinera indexpulsen med kvadraturutgångarna kan den absoluta axelorienteringen och rotationsriktningen beräknas.

Räknare/timer

De båda PXIe-modulerna innehåller fyra räkne-/timersteg på 32 bitar för allmänt bruk och ett steg för frekvensgenerering. Till varje räkne-/timersteg finns det åtta ingångsvägar för signaler, och ingången till räknaren/timern kan vara vilken som helst av fjorton tillgängliga signaler. Den valda signalen måste tillämpas för klockan; det finns ingen möjlighet att räkna ned räknaren/timerns ingång. Räknare/timer kan användas för att räkna flanker, mäta frekvenser eller perioder, eller för att mäta pulser som t.ex. bredd, arbetscykel eller tiden mellan två flanker.

Ett exempel på en tillämpning med räknare/timer är att mäta frekvensen för indexpulsen från den optiska kodaren i exemplet med motorn med frekvensomriktare. Frekvensen är skalbar för att kunna avläsa motorns rotationshastighet i varv per minut.

Frekvensgeneratorns eller räknarens utgång kan generera en enkel puls, ett pulståg, en konstant frekvens, frekvensdelning eller en pulsström med ekvivalent tidssampling (ETS).

Pulsström med ekvivalent tidssampling genererar en utgångspuls med en stegvis ökande fördröjning från räknarens grindpuls. Detta kan ge samplingstiming för repetitiva vågformer, med en högre samplingsfrekvens för analoga ingångar med frekvenser högre än digitaliseringsenhetens Nyquist-frekvens.

Programvarustöd

Flera programvarupaket har stöd för I/O-moduler med flera funktioner. LabVIEW från NI är en grafisk programmeringsmiljö som förenklar datainsamling, bearbetning och analysering. Programmet möjliggör skapande av interaktiva användargränssnitt för testning, övervakning, kontroll och dataarkivering.

För användare som vill generera sin egen kod tillhandahåller NI drivrutiner som stöder det valda programmeringsspråket, inklusive Python, C, C++, C#, .NET och MATLAB.

NI erbjuder också ett programvarupaket utan kod som heter FlexLogger. Med hjälp av inbyggda bearbetningsverktyg och anpassningsbara instrumentpaneler kan användare av FlexLogger visa, spara och analysera testdata. I Flexlogger finns det möjlighet att sätta gränser för uppmätta värden och larm för när gränsvärden överskrids. FlexLogger gör det även möjligt användaren att anpassa användargränssnittets visualiseringsverktyg genom att lägga till grafer, numeriska indikatorer och mätare (figur 7).

Figur 7: FlexLogger visar en vibrationsmätning av en motor med hjälp av en accelerometer och en varvräknare för att leta efter en mekanisk resonans. (Bildkälla: NI)

Skärmen visar den skalade vibrationsnivån i g som funktion av tiden i det övre diagrammet. Varvräknarens avläsning, som mäter rotationshastigheten i varv per minut, visas som en mätklocka i det nedre högra hörnet. Den snabba Fourier-omvandlingen (FFT) (ett av de tillgängliga signalbehandlingsverktygen) för vibrationsdata visar vibrationsnivån kontra frekvens i det nedre diagrammet.

Sammanfattning

Testsystem måste anpassas till förändrade krav i tillämpningar som kräver många I/O. I/O-paket med flera funktioner från NI kan utgöra grunden i ett automatiserat testsystem med flera kanaler och med en kombination av analoga och digitala in- och utgångskanaler samt flera räknare/timer. Monterad i ett PXIe-chassi, med extra fack för andra modulära test- och mätinstrument, får användarna den skalbarhet som krävs för kostnadseffektiva tester.