Wdrażanie kompaktowego i elastycznego zautomatyzowanego systemu probierczego z wykorzystaniem wielofunkcyjnych zestawów wejścia-wyjścia (I/O) PXI

Wdrożenie wielofunkcyjnego zautomatyzowanego systemu probierczego do walidacji projektu, testowania komponentów i przeprowadzania produkcyjnych prób przemysłowych, konsumenckich, motoryzacyjnych, medycznych i innych systemów elektronicznych wymaga różnorodnych przyrządów probierczych i pomiarowych. Ponadto duża liczba czujników wykorzystywanych w nowoczesnych projektach wymaga wielu kanałów analogowych i cyfrowych, a dane stanowisko probiercze musi zapewniać możliwość łatwego i niedrogiego skalowania.

Spełnienie tych wymagań może być trudne, gdy korzysta się z autonomicznych urządzeń probierczych. Zamiast tego projektanci mogą zdecydować się na podejście modułowe z wykorzystaniem znormalizowanego formatu, takiego jak PCI eXtensions for Instrumentation (PXI). Może to zapewnić elastyczność i wzrost wydajności, niezbędne w szybko zmieniającym się, wielofunkcyjnym i wielokanałowym środowisku testowym, przy jednoczesnym utrzymaniu kosztów na minimalnym poziomie.

Niniejszy artykuł zawiera krótkie wprowadzenie do technologii PXI i wykorzystuje przykładową konfigurację probierczą dla podkreślenia jej zalet. Dodatkowo przedstawia wielofunkcyjne zestawy wejścia-wyjścia (I/O) PXI firmy NI i omawia sposób ich konfiguracji.

Dlaczego warto korzystać z technologii PXI?

Stanowiska probiercze stają się coraz bardziej złożone, dlatego użycie autonomicznych urządzeń skutkuje obecnością wielu ekranów, paneli przednich, sznurów zasilających i powolnych komputerowych interfejsów przyrządów. Prowadzi to do zamieszania i niepotrzebnych błędów, które wydłużają czas prób i obniżają wydajność. Ponadto rozbudowa lub modyfikacja montowanych w stelażach systemów probierczych w celu dodania takich funkcji, jak większa liczba kanałów, może być trudna i kosztowna. W celu zmiany funkcjonalności w przypadku przyrządów jednofunkcyjnych wymagana jest wymiana całego przyrządu, a związana z tym komunikacja, synchronizacja i przeprogramowanie komplikują problem.

Przyrządy PXI oferują wymagane funkcje w standardowej i kompaktowej obudowie. W tym scenariuszu, wiele przyrządów, takich jak analogowe i cyfrowe kanały wejścia-wyjścia (I/O), mieści się obok siebie we wspólnej obudowie. Architektura PXI upraszcza również dodawanie i integrację bardziej skomplikowanych przyrządów, takich jak oscyloskopy, multimetry i generatory sygnałów. Przyrządy komunikują się wewnętrznie za pomocą wspólnej magistrali, zapewniając synchroniczne działanie, podczas gdy zunifikowane oprogramowanie uruchomione na komputerze PC pozwala na sterowanie wszystkimi przyrządami ze wspólnego ekranu.

Typowy scenariusz przeprowadzania prób

Jednym z przykładów demonstrujących rodzaj pomiarów, do obsługi których ma służyć wielofunkcyjny moduł wejścia-wyjścia, jest napęd o zmiennej prędkości (VSD) w inteligentnym systemie sterowania ruchami, który wymaga wielu typów czujników (ilustracja 1).

Ilustracja 1: napęd o zmiennej prędkości (VSD) wykorzystuje wiele czujników analogowych i cyfrowych, które należy poddać próbom i których działanie należy zweryfikować. (Źródło ilustracji: Art Pini)

Dzięki próbom komponentów czujnikowych w napędach o zmiennej prędkości (VSD) możemy zapewnić prawidłowe działanie czujników temperatury silnika, prędkości obrotowej, pozycji wału, momentu obrotowego i poziomu drgań. Większość sygnałów wyjściowych z czujników to sygnały analogowe o niskiej szerokości pasma sygnału poniżej 1MHz. Niektóre czujniki analogowe, takie jak anizotropowe czujniki magnetorezystywne (AMR) i czujniki położenia wału, wykorzystują mostki rezystancyjne i wymagają wejść różnicowych w przyrządzie pomiarowym. Niektóre czujniki, takie jak tachometry, mogą być cyfrowe, a ich monitorowanie może wymagać jednego lub kilku wejść cyfrowych.

Wielofunkcyjne moduły pomiarowe wejścia-wyjścia (I/O) dobrze nadają się do testowania tego typu czujników, oferując zakresy napięć analogowych, szerokości pasma i częstotliwości próbkowania dopasowane do analogowych wyjść czujników. Zawierają one również cyfrowe kanały wejścia-wyjścia z częstotliwościami próbkowania wyższymi niż testowane szybkości transmisji danych.

Podobne wymagania w zakresie przeprowadzania prób obowiązują w zastosowaniach w robotyce, motoryzacji i środowiskach przemysłowych, w których zawsze występuje wiele czujników.

Wielofunkcyjny zestaw probierczy wejścia-wyjścia

Zestawy PXI firmy NI składają się z pięciogniazdowej obudowy PXI i jednego z dwóch wielofunkcyjnych modułów wejścia-wyjścia firmy NI. Moduły wielofunkcyjne PXI oferują zarówno wejścia-wyjścia analogowe, jak i wejścia-wyjścia cyfrowe, liczniki/układy czasowe oraz funkcje wyzwalania (ilustracja 2).

Ilustracja 2: wielofunkcyjny zestaw wejścia-wyjścia (I/O) PXI stanowi autonomiczny zautomatyzowany system probierczo-pomiarowy, zawierający wielofunkcyjny moduł wejścia-wyjścia PXI oraz cztery otwarte gniazda na dodatkowe przyrządy. (Źródło ilustracji: NI)

Obudowa zawiera układ zasilania i wewnętrzną magistralę łączącą wszystkie moduły za pośrednictwem płyty montażowej. Magistrala PXIe umożliwia wyzwalanie i synchronizację wielu przyrządów. PXIe jest podzbiorem PXI, który wykorzystuje szybki interfejs szeregowy zamiast równoległej magistrali danych PXI. Interfejs Thunderbolt 3 zapewnia szybką łączność z komputerem za pośrednictwem złącza USB 3.0. Dwa złącza USB 3.0 pozwalają na łączenie łańcuchowe wielu obudów PXIe. Cztery otwarte gniazda mogą pomieścić inne przyrządy, takie jak oscyloskopy, multimetry cyfrowe, generatory przebiegów, przełączniki multiplekserowe, źródła mierzące i zasilacze.

Na przykład wielofunkcyjny zestaw wejścia-wyjścia (I/O) 867123-01 firmy NI składa się z obudowy pięciogniazdowej PXIe-1083, wielofunkcyjnego modułu wejścia-wyjścia (I/O) PXIe-6345 i powiązanych kabli. Inną opcją jest zestaw 867124-01, który wykorzystuje tę samą obudowę i okablowanie, ale inny moduł - PXIe-6363 ze złączami wejściowymi masowego zakańczania na panelu przednim (ilustracja 3).

Ilustracja 3: szczegółowy widok wielofunkcyjnego modułu wejścia-wyjścia PXIe-6363 przedstawia m.in. złącza wejściowe masowego zakańczania na panelu przednim. (Źródło ilustracji: NI)

Te dwa zestawy różnią się liczbą analogowych kanałów wejściowych, liczbą analogowych kanałów wyjściowych, liczbą cyfrowych kanałów wejścia-wyjścia oraz maksymalną częstotliwością próbkowania (w kS/s i MS/s) (tabela 1).

Tabela 1: porównanie wielofunkcyjnych zestawów wejścia-wyjścia (I/O) PXIe-867123 oraz PXIe-867124. (Źródło tabeli: Art Pini)

Kanały analogowe

Konfiguracje wewnętrzne kanałów wejść analogowych (AI) obu zestawów są identyczne. Pojedynczy przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) jest współużytkowany przez wiele kanałów wejściowych dzięki użyciu multipleksera analogowego (Mux) sekwencjonującego poszczególne wejścia (ilustracja 4).

Ilustracja 4: konfiguracja wejść kanałów analogowych obejmuje multiplekser do kierowania indywidualnie skonfigurowanych wejść do pojedynczego przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). (Źródło ilustracji: NI)

Sygnały wejściowe są podłączane za pośrednictwem złącza wejścia-wyjścia na panelu przednim. Ponadto dostępne jest również połączenie pomiarowe wejścia analogowego (AI) i masa wejścia analogowego (AI), umożliwiające ustalenie dokładnych poziomów referencyjnych na potrzeby pomiarów. Multiplekser wybiera jedno z wejść analogowych - może to być pojedynczy kanał dla wielu pomiarów lub wiele kanałów dla pomiarów sekwencyjnych. Wybrany kanał jest kierowany przez wejście analogowe wybrane w konfiguracji. Istnieją trzy konfiguracje wejść: różnicowe, jednostronne z odniesieniem (RSE) i jednostronne bez odniesienia (NRSE). Połączenie różnicowe, zalecane dla źródeł nieposiadających ustalonego potencjału, wykorzystuje dwa dostępne wejścia analogowe jako odwracające i nieodwracające wejścia różnicowe. Wejścia różnicowe nie posiadają odniesienia do masy i mogą być podłączane do źródeł nieposiadających ustalonego potencjału. Konfiguracja wejścia różnicowego tłumi szumy trybu wspólnego.

Konfiguracja wejścia jednostronnego z odniesieniem (RSE) wiąże odwracające wejście analogowe (AI) z masą w jednym punkcie - na masie wejścia analogowego (AI) w przypadku źródła nieposiadającego ustalonego potencjału, albo na masie źródła w przypadku źródła umasowionego.

W konfiguracji jednostronnej bez odniesienia (NRSE) dla źródła nieposiadającego ustalonego potencjału, wejście analogowe (AI) jest połączone z ujemnym zaciskiem źródła i linią pomiarową wejścia analogowego (AI) oraz z rezystancyjnym powrotem do masy wejścia analogowego (AI). W przypadku źródła z odniesieniem do masy, zacisk wejścia analogowego (AI) łączy się bezpośrednio z masą źródła oraz z linią pomiarową wejścia analogowego (AI).

Skonfigurowane wejście jest kierowane do wzmacniacza instrumentacyjnego o programowanym wzmocnieniu firmy NI (NI-PGIA), który wzmacnia lub tłumi sygnał wejściowy w taki sposób, aby dostosować go do zakresu napięć wejściowych przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). Istnieje siedem programowanych zakresów napięć wejściowych dla sygnałów analogowych w przedziale od ±100mV do ±10V. Zakres wejściowy każdego kanału sygnału wejściowego jest programowany indywidualnie, a wzmocnienie jest przełączane wraz z sygnałem wejściowym. Wzmacniacz NI-PGIA minimalizuje czasy ustalania dla wszystkich zakresów napięć wejściowych, aby zmaksymalizować dokładność pomiaru napięcia.

Przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) obu digitizerów ma 16-bitową rozdzielczość amplitudy. Sygnał analogowy jest kwantyzowany do 65536 możliwych poziomów. Zapewnia to rozdzielczość 320miV w zakresie ±10V oraz 3,2mV w zakresie ±100mV.

Cyfrowe sygnały wyjściowe przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) są przechowywane w pamięci FIFO (pierwszy na wejściu - pierwszy na wyjściu) wejścia analogowego (AI).

Moduły wielofunkcyjne posiadają również funkcję wyjścia analogowego (AO). W zależności od modelu, istnieją dwa lub cztery wyjścia analogowe ze wspólnym zegarem wyjściowym (ilustracja 5).

Ilustracja 5: w typowym analogowym stopniu wyjściowym, bufor pamięci FIFO (pierwszy na wejściu - pierwszy na wyjściu) wejścia analogowego (AI) przechowuje wartości próbek przebiegu pobrane z hosta. (Źródło ilustracji: NI)

Bufor pamięci FIFO (pierwszy na wejściu - pierwszy na wyjściu) wejścia analogowego (AI) przechowuje wartości próbek przebiegu pobrane z komputera hosta. Dostępność próbek zapisanych w pamięci FIFO (pierwszy na wejściu - pierwszy na wyjściu) oznacza, że przebiegi analogowe mogą być wyprowadzane bez połączenia z komputerem. Zegar próbkowania wyjścia analogowego (AO) przekazuje dane z pamięci FIFO (pierwszy na wejściu - pierwszy na wyjściu) do przetworników cyfrowo-analogowych (DAC), które konwertują wartości próbek cyfrowych na napięcie analogowe. Opcja wyboru wartości referencyjnej dla wyjścia analogowego (AO) służy do zmiany zakresu wyjścia analogowego. Wartość referencyjną dla wyjścia analogowego (AO) można ustawić na 10 lub 5V. Można również zastosować zewnętrzne źródło referencyjne, używając analogowego wejścia-wyjścia PFI (APFI).

Kanały cyfrowe

Kanały cyfrowe obejmują zarówno wejścia, jak i wyjścia do akwizycji lub generowania sygnałów cyfrowych na wspólnej linii (ilustracja 6).

Ilustracja 6: dwukierunkowe cyfrowe linie wejścia-wyjścia (P0.x) mogą odbierać i generować sygnały cyfrowe. (Źródło ilustracji: NI)

Linie P0.x współpracują ze statycznymi lub szybkimi liniami cyfrowymi pełniącymi rolę wejść lub wyjść. Moduły z serii PXIe-63xx mają również szesnaście linii programowanych interfejsów funkcyjnych (PFI), które mogą być skonfigurowane przez użytkownika jako interfejsy PFI lub kanały wejścia-wyjścia (I/O) cyfrowego. Jako wejście, kanał PFI może przekierować zewnętrzne źródło dla wejścia analogowego, wyjścia analogowego, wejścia cyfrowego, wyjścia cyfrowego lub funkcji licznika/układu czasowego. Jako wyjście, do poszczególnych zacisków PFI może być kierowane wejście analogowe, wyjście analogowe, wejście cyfrowe, wyjście cyfrowe oraz funkcje licznika/układu czasowego.

Wszystkie te linie akceptują wysokie stany logiczne od 2,2 do 5,25V i niskie stany logiczne od 0 do 0,8V. Linie cyfrowe są taktowane do 10MHz.

Na każdej linii cyfrowej znajduje się filtr cyfrowy, który służy do eliminacji zjawiska odbijania sygnałów wejść cyfrowych. Istnieją trzy ustawienia filtra, w zależności od używanej częstotliwości zegara filtra: krótkie, średnie i wysokie. Krótkie ustawienie gwarantuje, że będą przechodziły impulsy powyżej 160ns, średnie przepuszcza impulsy 10,24µs lub dłuższe, a przy wysokim ustawieniu przepuszczane są impulsy 5,12ms lub dłuższe. Gwarantowane jest tłumienie impulsów o szerokości mniejszej niż połowa szerokości przekazywanego impulsu.

Wracając do przykładu z silnikiem napędu o zmiennej prędkości (VSD), wejścia cyfrowe można wykorzystać do zdekodowania położenia wału. Położenie wału można odczytać z wyjść cyfrowych enkodera optycznego. Enkoder optyczny posiada trzy wyjścia cyfrowe: wyjście impulsu indeksującego raz na obrót oraz dwa wyjścia w postaci fali prostokątnej o różnicy fazowej 90˚ zwane wyjściami kwadraturowymi. Wspomniane wyjścia kwadraturowe są ogólnie określane jako „A” i „B”. Na podstawie kombinacji wyjścia impulsu indeksującego i wyjść kwadraturowych, można obliczyć bezwzględną orientację wału i kierunek obrotów.

Liczniki i układy czasowe

Obydwa moduły PXIe zawierają cztery 32-bitowe stopnie licznika/układu czasowego ogólnego przeznaczenia oraz jeden stopień generatora częstotliwości. Do każdego stopnia licznika/układu czasowego doprowadzanych jest osiem ścieżek sygnałowych, a rolę wejścia licznika/układu czasowego może pełnić jeden z czternastu dostępnych sygnałów. Wybrany sygnał musi być podawany na zegar. Nie ma możliwości odliczania na wejściu licznika/układu czasowego. Liczniki/układy czasowe mogą być używane do zliczania zboczy, pomiaru częstotliwości lub okresu, bądź do pomiaru parametrów impulsów, takich jak szerokość, cykl roboczy lub czas między dwoma zboczami.

Przykładem zastosowania licznika/układu czasowego jest pomiar częstotliwości impulsu indeksującego z enkodera optycznego w zilustrowanym silniku napędu o zmiennej prędkości (VSD). Częstotliwość można skalować w celu odczytania prędkości obrotowej w obrotach na minutę.

Generator częstotliwości lub wyjście licznika może generować prosty impuls, ciąg impulsów lub strumień impulsów o stałej częstotliwości, strumień impulsów o stałej częstotliwości z podziałem częstotliwości lub strumień impulsów z próbkowaniem w czasie równoważnym (ETS).

Strumień impulsów z próbkowaniem w czasie równoważnym (ETS) generuje wyjściowy impuls z narastającym opóźnieniem od impulsu bramki licznika. Pozwala to na taktowanie próbkowania dla powtarzających się przebiegów z wyższą częstotliwością próbkowania dla wejść analogowych o częstotliwościach wyższych niż częstotliwość Nyquista digitizera.

Obsługa oprogramowania

Wielofunkcyjne moduły wejścia-wyjścia są obsługiwane przez wiele pakietów oprogramowania. Oprogramowanie LabVIEW® firmy NI udostępnia graficzne środowisko programowania, które upraszcza akwizycję, przetwarzanie i analizę danych. Pozwala również na tworzenie interaktywnych interfejsów użytkownika na potrzeby testowania, monitorowania i archiwizacji danych oraz sterowania nimi.

Użytkownikom, którzy chcą generować własny kod, firma NI oferuje sterowniki obsługujące wybrane języki programowania, w tym Python, C, C++, C#, .NET i MATLAB.

Firma NI oferuje również pakiet oprogramowania o nazwie FlexLogger, który nie wymaga kodowania. Pakiet FlexLogger pozwala użytkownikom wyświetlać, zapisywać i analizować dane testowe za pomocą wbudowanych narzędzi przetwarzania i dostosowywanych pulpitów nawigacyjnych. Posiada możliwość ustawiania wartości granicznych mierzonych wielkości oraz alarmowania o stanach przekraczających wartości graniczne. Oprogramowanie FlexLogger pozwala również użytkownikom na dostosowanie narzędzi wizualizacji interfejsu użytkownika poprzez dodawanie wykresów, wskaźników numerycznych i mierników (ilustracja 7).

Ilustracja 7: ekran w oprogramowaniu FlexLogger, na którym widać pomiar drgań silnika za pomocą przyspieszeniomierza i tachometru, w celu wykrycia rezonansu mechanicznego. (Źródło ilustracji: NI)

Na górnym wykresie ekran przedstawia poziom drgań w funkcji czasu, wyskalowany w g. W prawym dolnym rogu przedstawiono odczyt z tachometru mierzącego prędkość obrotową w obr./min w postaci z tarczowej skali pomiarowej. Na dolnym wykresie szybka transformacja Fouriera (FFT) (jedno z dostępnych narzędzi przetwarzania sygnału) danych dotyczących drgań pokazuje poziom drgań w funkcji częstotliwości.

Podsumowanie

Systemy probiercze muszą być dostosowane do zmieniających się wymagań w zastosowaniach wymagających dużej liczby wejść-wyjść. Wielofunkcyjny zestaw wejść-wyjść firmy NI może stanowić podstawę wielokanałowego zautomatyzowanego systemu probierczego, oferując kombinację analogowych i cyfrowych kanałów wejściowych i wyjściowych oraz wiele liczników/układów czasowych. Posiada obudowę PXIe z dodatkowymi gniazdami na inne modułowe przyrządy pomiarowe i probiercze, zapewniając użytkownikom skalowalność niezbędną do przeprowadzania ekonomicznych prób.