Przyspieszenie projektowania systemów, walidacji i prób produkcyjnych przy użyciu przyrządów modułowych i oprogramowania

Projektowanie, walidacja i testowanie w produkcji komponentów oraz układów do zastosowań motoryzacyjnych, konsumenckich, przemysłowych czy medycznych wymaga stosowania licznych przyrządów probierczo-pomiarowych (T&M). Ich zestawy muszą cechować się niewielkimi rozmiarami i wysokimi parametrami działania. Powinny również charakteryzować się niskimi opóźnieniami oraz dużą gęstością kanałów i szerokością pasma. Ponadto potrzeby projektowe mogą ulec zmianie, zatem dużą zaletą w kontekście możliwości wykorzystywania ich w przyszłości jest modułowość. Często próby i pomiary obejmują powtarzalne badania lub współpracę zespołów rozproszonych geograficznie, dlatego próby definiowane programowo są wysoce pożądaną funkcją.

Możliwym rozwiązaniem w tym zakresie jest użycie grupy konwencjonalnych przyrządów. Jednak problemy związane z integracją urządzeń różnych producentów, m.in. wyświetlanie informacji na wielu ekranach, kompatybilność oprogramowania, mnóstwo okablowania i ilość miejsca wymagana dla wielu dyskretnych przyrządów, mogą stanowić wyzwanie.

Zamiast tego, projektanci systemów probierczo-pomiarowych (T&M) mogą wykorzystać zestawy wysokowydajnych przyrządów modułowych i innych modułów wejścia-wyjścia ze specjalistyczną synchronizacją i głównymi funkcjami oprogramowania, od walidacji urządzeń po zautomatyzowane próby produkcyjne. Te zestawy urządzeń są dostępne w kompaktowym, pięciogniazdowym systemie pomiarowym PXI Express sterowanym za pomocą laptopa lub komputera stacjonarnego za pośrednictwem portu Thunderbolt USB-C.

Niniejszy artykuł otwiera krótki przegląd wskaźników wydajności modułowych układów przyrządów pomiarowych, w tym kategorii oprzyrządowania analogowego. Następnie przedstawiono w nim porównanie parametrów działania różnych magistral dla modułowych układów przyrządów i wyzwania związane ze zwiększaniem rozdzielczości oraz zmniejszaniem latencji. Na zakończenie zaprezentowano zestawy zasilaczy programowanych (PPS) PXI firmy NI, w tym moduły dla multimetrów cyfrowych, mierników LCR, oscyloskopów, wejść-wyjść wielofunkcyjnych, generatorów przebiegów i źródeł mierzących, jak również narzędzia programowe służące do automatyzacji procesów prób i pomiarów (T&M).

Jaki rodzaj pomiarów jest potrzebny?

Proces określania wymaganego rodzaju przyrządów probierczo-pomiarowych (T&M) rozpoczyna się od kilku podstawowych pytań:

• Czy mierzony sygnał jest sygnałem wejściowym, wyjściowym, czy jednym i drugim?
• Czy sygnał to prąd stały (=) czy zmienny (~), a jeśli jest to prąd zmienny, to czy jego częstotliwość jest wyrażona w kilohercach (kHz), megahercach (MHz) czy gigahercach (GHz)?

Odpowiedzi na te pytania pomagają określić, czy przyrząd będzie przeznaczony do zastosowań związanych z pomiarem prądu stałego i zasilaniem, sygnałami analogowymi wolnozmiennymi, sygnałami analogowymi szybkozmiennymi, czy też częstotliwościami radiowymi oraz komunikacją bezprzewodową (tabela 1).

Tabela 1: istnieje kilka podstawowych kategorii przyrządów probierczo-pomiarowych (T&M) opartych na charakterystykach wejścia i wyjścia oraz poziomach parametrów działania. (Źródło tabeli: NI)

Specyfikacje przyrządów analogowych

Po określeniu ogólnego rodzaju przyrządu potrzebnego do wykonania pomiaru należy zidentyfikować wymagania dotyczące parametrów, w tym:

• Podstawy dotyczące sygnału - czy zakres jest wystarczający do uchwycenia danego sygnału, czy impedancja obsługuje obciążenie badanego urządzenia i jakie są wymagania częstotliwościowe pomiaru, czy izolacja od uziemienia umożliwia zachowanie wymaganego poziomu odporności na zakłócenia i bezpieczeństwa.
• Szerokość pasma (w kHz, MHz lub GHz) musi być odpowiednia dla mierzonych sygnałów, a przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) zapewniać wystarczającą szybkość próbek na sekundę, np. kilopróbki na sekundę, megapróbki na sekundę lub gigapróbki na sekundę ((kS/s, MS/s, GS/s), aby uchwycić wymagane niuanse sygnału.
• Ważnymi czynnikami są również rozdzielczość i dokładność. Czy wymagany jest poziom rozdzielczości 8-bitowy, 24-bitowy, czy inny? Jaki jest maksymalny tolerowany poziom błędu wyrażony w procentach lub częściach na milion? Ponadto, jaka jest wymagana czułość w jednostkach bezwzględnych, takich jak mikrowolt (µV) lub nanowolt (nV)?

Różne typy przyrządów probierczo-pomiarowych (T&M) wymagają różnych zakresów izolacji i impedancji wejściowej, specyfikacji sprzężenia wejściowego i filtrowania, czułości wzmacniacza oraz rozdzielczości i dokładności pomiarowej, jak pokazano na przykładzie toru wejściowego analogowego przyrządu pomiarowego (tabela 2).

Tabela 2: różne przyrządy probiercze i pomiarowe (T&M), jak np. dynamiczny menedżer wieloprotokołowy (DMM) i oscyloskop, mogą wymagać bardzo odmiennej charakterystyki działania dla danego pomiaru. (Źródło tabeli: NI)

Magistrale, szerokość pasma i latencja

Stworzenie systemu probierczego wymaga połączenia przyrządów probierczo-pomiarowych (T&M) do kontrolera. Tu ważnymi kwestiami są wymagania dotyczące szerokości pasma sygnału i latencji magistrali łączącej. Szerokość pasma to miara prędkości przesyłu danych, wyrażona zwykle w megabajtach na sekundę, a latencja jest opóźnieniem w ich przesyle. Powszechnie używane magistrale cechują się bardzo różnymi kombinacjami szerokości pasma i latencji. Kolejnym czynnikiem jest odległość przesyłu obsługiwana przez magistralę. Na przykład uniwersalna magistrala sprzęgająca (GPIB) i uniwersalna magistrala szeregowa (USB) mogą obsługiwać podobne poziomy latencji, ale USB oferuje większą szerokość pasma. Z kolei sieć Gigabit Ethernet cechuje się średnią szerokością pasma i większą latencją, ale umożliwia przesył danych na znacznie większe odległości.

Podczas projektowania systemów probierczo-pomiarowych (T&M) często stosuje się interfejsy komponentów peryferyjnych (PCI) i PCI Express. Są one przeznaczone do połączeń na niewielkie odległości (do ok. 1m) i zapewniają dużą szerokość pasma oraz niską latencję (ilustracja 1). Ważną cechą połączeń PCI Express jest przydzielona szerokość pasma dla poszczególnych urządzeń w magistrali. Dlatego PCI Express jest preferowaną magistralą połączeniową dla zastosowań o wysokiej wydajności i intensywnym przetwarzaniu danych, takich jak systemy probierczo-pomiarowe (T&M) działające w czasie rzeczywistym, wymagające integracji i synchronizacji działania wielu przyrządów.

Ilustracja 1: interfejs PCI/PXI Express oferuje najlepszą kombinację parametrów rozdzielczości i latencji. (Źródło ilustracji: NI)

Zestawy przyrządów probierczo-pomiarowych (T&M)

Projektanci mogą wykorzystać zestawy zasilaczy programowanych (PPS) PXI firmy NI jako podstawę dla wysokowydajnych systemów probierczo-pomiarowych (T&M). Moduły zasilaczy programowanych (PPS) PXI zaspokajają podstawowe potrzeby urządzeń badanych (DUT) pod względem zasilania i mogą być rozbudowywane o wiele modułów probierczo-pomiarowych (T&P) w celu charakteryzacji urządzeń, walidacji projektów i prób produkcyjnych. Obudowa zapewnia do 58W mocy i chłodzenie dodatkowych przyrządów, wysokowydajne połączenia PXIe oraz zintegrowane łącza Thunderbolt służące do łączenia z zewnętrznym komputerem stacjonarnym lub laptopem działającym jako kontroler systemu (ilustracja 2).

Ilustracja 2: podstawowy zestaw zasilacza programowanego (PPS) PXI zawiera kontroler, moduł zasilacza programowanego i gniazda dla czterech dodatkowych przyrządów PXI. (Źródło ilustracji: NI)

Zasilacze programowane (PPS) mogą służyć do dostarczania programowanego zasilania do urządzenia badanego (DUT) oraz jednoczesnego kontrolowania i monitorowania poziomu prądu i napięcia w celu pomiaru poboru mocy. Posiadają dwa izolowane kanały 60W z funkcją zdalnego pomiaru w celu korekcji strat w okablowaniu układu, działające z typową sprawnością na poziomie 78%. Kanały zawierają również odłączniki wyjściowe izolujące urządzenie badane (DUT), gdy nie jest poddawane próbom.

Przykładowe rozbudowywane zestawy zasilacza programowanego (PPS) PXI o mocy 120W dla urządzeń badanych (DUT) to 867117-01 z dwukanałowym zasilaczem programowanym (PPS) PXIe-4112 (jak model 782857-01), który może dostarczać maksymalnie 1A przy 60V= na kanał, oraz 867118-01 z dwukanałowym zasilaczem programowanym (PPS) PXI2-4113 (jak model 782857-02), który może dostarczyć maksymalnie 6A przy 10V= na kanał (ilustracja 3).

Ilustracja 3: zestawy zasilaczy programowanych (PPS) PXI są dostępne w wersjach o napięciu wyjściowym 60V= (po lewej) lub 10V= (po prawej). (Źródło ilustracji: NI)

Szybkie opracowywanie systemów probierczo-pomiarowych (T&M)

Firma NI oferuje szeroką gamę zestawów PXI umożliwiających projektantom rozpoczęcie prac nad opracowaniem systemów probierczo-pomiarowych (T&M). Przykłady:

Zestawy generatorów przebiegów PXI, które mogą być wykorzystywane do generowania standardowych funkcji i zdefiniowanych przez użytkownika arbitralnych przebiegów. Zestawy generatorów przebiegów PXI zawierają maksymalnie dwa kanały wyjściowe o szerokości pasma do 80MHz, zakres wyjściowy ±12V i maksymalną częstotliwość próbkowania 800MS/s. Przykładowo zestaw 867119-01 zawiera arbitralny generator funkcyjny 20MHz.

Zestawy oscyloskopów PXI posiadają maksymalnie osiem kanałów próbkujących z szybkością do 5GS/s oraz szerokość pasma analogowego 1,5GHz. Zestaw 867010-01 zawiera moduł oscyloskopu 60MHz.

Zestawy źródła mierzącego (SMU) PXI, takie jak 867111-01, służą do automatyzacji prób i pomiarów prądu stałego. Źródła mierzące charakteryzują się czterokwadrantowym działaniem, zakresami do ±200V i ±3A oraz czułością 100fA. Zestawy źródeł mierzących (SMU) PXI umożliwiają wykonywanie omiatania dużej mocy, jak również pomiarów niskoprądowych.

Zestawy LCR PXI, takie jak 867113-01, mogą być stosowane do pomiarów prądu stałego i impedancji poprzez połączenie miernika LCR i źródła mierzącego (SMU) w jednym urządzeniu. Przyrząd ten zamknięty w jednogniazdowej obudowie PXI zapewnia pomiary prądu w fA i pojemności w fF.

Zestawy DMM PXI obsługują ręczne, przełączane i zautomatyzowane pomiary dynamicznego menedżera wieloprotokołowego (DMM) z wysoką dokładnością i rozdzielczością do 7,5 cyfry. Wysoka prędkość próbkowania pozwala użytkownikom na charakteryzowanie stanów nieustalonych bez konieczności stosowania oscyloskopu. Użytkownicy mogą również konfigurować wyzwalacze pod kątem akwizycji i sekwencjonowania. Przykładowy model 867115-01 posiada 6,5-cyfrowy wyświetlacz.

Zestawy pomiarowe PXI Nanovolt są modułami wejść analogowych o wysokiej rozdzielczości do 28 bitów. Posiadają one tryb przerywania, który wykorzystuje parę kanałów w celu zapewnienia wysokiego poziomu tłumienia szumów, co umożliwia dokładne i powtarzalne pomiary na poziomie nV oraz stosowanie wbudowanej funkcji uśredniania i filtrowania sygnału, a także automatycznego zerowania przełączania pomiarów. Model 867125-01 posiada 32 kanały, 28-bitową rozdzielczość i umożliwia próbkowanie z prędkością 2MS/s.

Wielofunkcyjne zestawy wejścia-wyjścia PXI, takie jak model 867124-01, zawierają kombinację analogowych wejść-wyjść, cyfrowych wejść-wyjść, licznika i układu czasowego oraz funkcji wyzwalania. Wielofunkcyjne zestawy wejścia-wyjścia PXI oferują maksymalnie cztery analogowe kanały wyjściowe, 48 dwukierunkowych kanałów cyfrowych, 80 analogowych kanałów wejściowych oraz częstotliwość próbkowania 2MS/s.

Oprogramowanie definiuje system

Oprócz wszechstronnych modułów sprzętowych, firma NI oferuje projektantom systemów probierczo-pomiarowych (T&M) środowiska programistyczne, w tym InstrumentStudio i LabVIEW.

Oprogramowanie InstrumentStudio dołączone do przyrządów PXI firmy NI zapewnia inżynierom-badaczom wspólne środowisko programowe do nadzoru i debugowania zautomatyzowanych układów probierczych. Dodatkowo użytkownicy mogą tworzyć ekrany wyświetlające dane z wielu przyrządów jednocześnie (ilustracja 4). Narzędzia umożliwiają rejestrację zrzutów ekranu i wyników pomiarów oraz zapis konfiguracji na poziomie projektu dla urządzenia badanego (DUT) w celu ponownego wykorzystania lub udostępnienia innym projektantom.

Ilustracja 4: oprogramowanie InstrumentStudio może wyświetlać dane z wielu przyrządów na jednym ekranie. Na przykład z oscyloskopu (duży lewy panel), dynamicznego menedżera wieloprotokołowego (DMM) (prawy górny panel) i generatora funkcyjnego (prawy dolny panel). (Źródło ilustracji: NI)

LabVIEW firmy NI to definiowane programowo środowisko probiercze. Dzięki graficznemu interfejsowi użytkownika inżynierowie-badacze mogą szybko opracowywać zautomatyzowane systemy badawcze, walidacyjne i produkcyjne. Na podstawowym poziomie, graficzna strona LabVIEW umożliwia osobom niebędącym programistami przeciąganie i upuszczanie wirtualnych przyrządów w celu tworzenia programów probierczo-pomiarowych (T&M), interaktywnych interfejsów użytkownika oraz zapisywanie danych w formatach .cvs, .tdms lub niestandardowych formatach binarnych.

Bardziej zaawansowani programiści mogą wykorzystać sterowniki dla języków Python, C, C++, C#, .NET i MATLAB. Firma NI oferuje również zestaw narzędzi programowych do tworzenia kompleksowych środowisk probierczo-pomiarowych (T&M), w tym:

• TestStand do przygotowywania zautomatyzowanych sekwencji probierczych
• G Web - oprogramowanie rozwojowe do tworzenia aplikacji sieciowych
• DIAdem do interaktywnej analizy danych
• FlexLogger do akwizycji i rejestracji danych probierczo-pomiarowych (T&M)

Podsumowanie

Opracowywanie definiowanych programowo środowisk probierczych do projektowania, walidacji oraz prób produkcyjnych komponentów i systemów wymaga użycia szeregu przyrządów probierczo-pomiarowych (T&M). Korzystanie z przyrządów wielu dostawców wiąże się z problemami dotyczącymi łączności, kosztów i przestrzeni, dlatego inżynierowie- badacze mogą wykorzystać zestawy przyrządów firmy NI umożliwiające łatwe opracowanie kompaktowych, elastycznych i wysokowydajnych systemów probierczych. Firma NI oferuje również środowiska programistyczne przyspieszające proces ich rozwoju.

Rekomendowane artykuły

1. Tworzenie kompaktowych systemów akwizycji danych
2. Wykorzystanie możliwości programowania zasilaczy stacjonarnych, funkcji sieciowych i bezprzewodowych funkcji pomiaru zdalnego