Tervellenőrzés, validálás és gyártásközi vizsgálatok felgyorsítása moduláris műszerek és szoftverek használatával

Az autóipari, fogyasztói, ipari, orvosi és egyéb alkalmazási esetekre készített alkatrészek és rendszerek tervellenőrzése, validálása és gyártásközi vizsgálata során számos teszt- és mérőműszerre van szükség. Ezen műszerkészleteknek kompaktnak és nagy teljesítményűnek kell lenniük, és alacsony késleltetési időket, valamint nagy csatornasűrűséget és sávszélességet kell kínálniuk. Emellett, a tervezési és építési igények idővel változhatnak, így a modularitás nagy előnynek számít az ilyen rendszerek jövőbiztosságát illetően. Sok esetben ezek a tesztelési és mérési tevékenységek ismétlődő tesztek végzésével járnak vagy földrajzilag egymástól távol lévő csapatoknak kell együttműködniük egymással, ami azt jelenti, hogy rendkívül kívánatos, ha a rendszerek szoftveralapú tesztelésre is képesek.

Az egyik lehetséges megoldás, ha hagyományos technológiás eszközökből álló készülékcsoportokat használuk. A különböző gyártók készülékeinek azonban egyetlen közös rendszerbe történő integrálásakor több problémát is meg kell oldani, beleértve az információk több képernyőn való megjelenítését, a szoftverek kompatibilitását, a kábelezés tömegét és a számos különálló műszerhez szükséges helyigényt. Mindezekre megoldást találni nem elhanyagolható kihívást jelenthet.

Ehelyett a teszt és mérési rendszerek tervezői dönthetnek a nagy teljesítményű moduláris műszerekből és egyéb I/O modulokból álló készletek használata mellett, mely utóbbiak a speciális szinkronizáltságuknak és kulcsfontosságú szoftverfunkcióiknak köszönhetően úgy az eszközök validálására, mint az automatizált gyártásközi vizsgálatokra is egyaránt képesek. Ezek a készletekbe rendezett egységek egy laptop vagy asztali számítógép Thunderbolt USB-C portján keresztül vezérelhető, kompakt, öt foglalatos PXI Express mérőrendszerek formájában kaphatók.

Ez a cikk a moduláris műszerrendszerek teljesítménymutatóinak rövid áttekintésével kezdődik, beleértve az analóg műszerkategóriákat is. Ezután összehasonlítja a moduláris műszerrendszereknél használt különböző adatbuszok működési paramétereit, majd megvizsgálja a felbontás növelésével és a késleltetés csökkentésével kapcsolatos problémákat. A cikk az NI PXI programozható tápegységeket (PPS-eket) tartalmazó készleteinek bemutatásával zárul, beleértve a digitális multiméterekhez, LCR-mérőkhöz, oszcilloszkópokhoz, többfunkciós I/O-khoz, hullámforma-generátorokhoz és gerjesztő-/mérő egységekhez (SMU-khoz) tartozó modulokat, valamint a tesztelési és mérési folyamatok automatizálására szolgáló szoftvereszközöket.

Milyen típusú mérésre van szükség?

Ha szeretnénk meghatározni, hogy egy-egy adott esetben milyen típusú teszt- és mérőműszerre van szükség, akkor az néhány alapvető kérdés megávlaszolásával kezdődik:

• A mért jel bemenet, kimenet vagy mindkettő?
• Egyenáramú (DC) vagy váltakozó áramú (AC) jel méréséről van-e szó, és ha váltóáramúról, akkor az milyen frekvenciájú: kilohertz, megahertz vagy gigahertz?

Ezeknek a kérdéseknek a megválaszolása segít meghatározni, hogy egyenáram és teljesítmény, kis vagy nagy sebességű analóg jelek, vagy pedig rádiófrekvenciás (RF) és vezeték nélküli rendszerek mérésére képes műszerre van-e szükség (1. táblázat).

1. táblázat: A bemeneti és kimeneti jellemzők és a működési teljesítményszintek alapján a teszt- és mérőműszerek több alapvető kategóriába sorolhatók (táblázat: NI)

Analóg műszerek műszaki adatai

A mérési feladathoz szükséges műszer általános típusának meghatározása után meg kell határozni a műszertől elvárt konkrét teljesítménybeli követelményeket, beleértve a következőket:

• A jelek mérését illetően alapvetően biztosítani kell többek között a következőket: a jeltartománynak elég nagynak kell lennie a szükséges jelek rögzítéséhez, a mérőműszer impedanciájának meg kell felelnie a vizsgált eszköz impedanciájának és a mérés frekvenciakövetelményeinek, a földhöz viszonyított leválasztásnak meg kell felelnie a szükséges zajártalmi és biztonsági szinteknek.
• A műszer kHz, MHz vagy GHz-es sávszélességének elég nagynak kell lennie, hogy képes legyen a mérendő jelek mérésére, és az analóg-digitális átalakító (ADC) másodpercenkénti mintavételezési sebességének is – kilominta/másodperc (kS/s), megaminta/másodperc (MS/s) vagy gigaminta/másodperc (GS/s) – megfelelőnek kell lennie az apróbb jelváltozások rögzíthetőségéhez.
• A felbontás és a pontosság szintén fontos szempontok. 8 bites, 24 bites vagy más szintű felbontásra van szükség? Mekkora a százalékban vagy milliomodrészben kifejezett maximálisan tolerálható hibaarány? Mekkora továbbá az abszolút mértékegységekben, például mikrovoltban vagy nanovoltban kifejezett szükséges érzékenység?

A különböző típusú teszt- és mérőműszereknél különböző bemeneti szigetelésre és impedanciatartományokra, bemeneti csatolási és szűrési specifikációkra, erősítési érzékenységre, valamint más-más mérési felbontásra és pontosságra van szükség, amint az látható a mérőműszerek analóg bemeneti útvonalainak példáiból (2. táblázat).

2. táblázat: A különböző teszt- és mérőműszerek, például egy digitális multiméter vagy egy oszcilloszkóp esetén egy-egy adott méréshez nagyon eltérő műszaki teljesítménybeli jellemzőkre lehet szükség (táblázat: NI)

Buszok, sávszélesség és késleltetés

Ahhoz, hogy a teszt- és mérőműszerek egy vizsgálati rendszert képezzenek, szükséges egy vezérlő, melyhez csatlakoztatni kell őket. Fontos megfontolandó szempont a jelek sávszélessége valamint a kapcsolatot biztosító buszon fellépő késés és az ezekre vonatkozó követelmények. A sávszélesség a jellemzően megabájt/másodpercben mért adatátviteli sebesség, míg a késés az adatátviteli késleltetésre vonatkozik. Az általánosan elterjedt buszok nagyon eltérő sávszélesség-késleltetés értékekkel rendelkeznek. Egy másik tényező a busz által támogatott átviteli távolság. Például az általános célú illesztősín (GPIB) és az univerzális soros busz (USB) késleltetési szintjei hasonlóak, de az USB nagyobb sávszélességet kínál. A maga részéről a Gigabit Ethernet közepes sávszélességet kínál nagyobb késleltetési értékekkel, de ugyanakkor sokkal nagyobb átviteli távolságokkal.

A teszt- és mérőrendszerek tervezésekor gyakran használnak PCI és PCI Express kártyákat. Ezeket rövid hatótávolságú, legfeljebb kb. 1 méteres kapcsolatokra tervezték, és nagy sávszélességet biztosítanak alacsony késleltetéssel (1. ábra). A PCI Express fontos jellemzője, hogy a buszon lévő minden egyes eszköz számára dedikált sávszélességet biztosít. Ez teszi a PCI Express-t előnyösen használható összekötő busszá a nagy teljesítményű és intenzív adatforgalmú rendszereknél – például a valós idejű teszt és mérőrendszereknél, ahol több műszer integrált és szinkronizált működésére van szükség.

1. ábra: A PCI/PXI Express szabványok rendelkeznek a legjobb értékekkel a felbontás kontra késleltetés terén (kép: NI)

Teszt- és mérőműszer készletek

Nagy teljesítményű teszt- és mérőrendszerek megépítésekor a tervezők számára kezdőalapként rendelkezésre állnak az NI PXI PPS készletei. A PXI PPS modulok biztosítják a tápellátást a vizsgált eszköz számára, valamint a rendszer számos, különböző eszközjellemzők mérésére, tervellenőrzésre és gyártásközi vizsgálati feladatokra alkalmas teszt- és mérőmodullal bővíthető. A ház akár 58 watt teljesítményt és hűtést tud biztosítani további műszerek, nagy teljesítményű PXIe-összekötőelemek, valamint egy, a rendszer vezérlőjeként működő asztali vagy laptop számítógéppel való kapcsolat kialakítására használható integrált Thunderbolt-kapcsolat számára (2. ábra).

2. ábra: Egy alap PXI PPS készlet egy vezérlőt, egy PPS modult és négy csatlakozóhelyet tartalmaz további PXI műszerek számára (kép: NI)

A programozható PPS tápegységek felhasználhatók a vizsgált eszköz tápellátásának biztosítására, szabályozva és figyelve az áram- és feszültségszinteket, és közben mérve a fogyasztást. Két egymástól elszigetelt, 60 wattos csatornával rendelkeznek, távérzékeléssel a rendszer kábelezési veszteségeinek korrekciójához; jellemzően 78%-os hatásfokúak. A csatornákhoz kimeneti leválasztók is tartoznak, amelyekkel a vizsgált eszköz leválasztható, amikor nincs tesztelés alatt.

Léteznek 120 wattos teljesítményű, bővíthető PXI PPS-készletek is, például a következők: a 867117-01, amely egy kétcsatornás PXIe-4112 típusú PPS modullal (például 782857-01) rendelkezik és csatornánként max. 1 A amper leadására képes 60 V egyenfeszültségen, és a 867118-01 egy PXI2-4113 kétcsatornás PPS modulllal (például 782857-02), amely csatornánként max. 6 A-t tud adni 10 V egyenfeszültségen (3. ábra).

3. ábra: A PXI PPS készletek 60 voltos (balra) vagy 10 voltos (jobbra) egyenáramú kimenetű tápegységű változatokban kaphatók (kép: NI)

Gyors kezdeti lépések teszt- és mérőrendszerek fejlesztésekor

Az NI számos olyan PXI-készletet kínál a tervezőknek, amelyekkel a teszt- és mérőrendszerek megépítése gyorsan beindítható. Ilyenek például a következők:

PXI hullámforma-generátor készletek, amelyek szabványos függvények és felhasználó által meghatározott, tetszőleges hullámformák létrehozására használhatók. A PXI hullámforma generátorai két kimeneti csatornával rendelkezhetnek, akár 80 MHz sávszélességgel, ±12 V kimeneti tartománnyal és 800 MS/s maximális mintavételi sebességgel. A 867119-01 például tartalmaz egy 20 MHz-es tetszőlegesfüggvény-generátort.

Az akár nyolc csatornás PXI-oszcilloszkóp-készletek, max. 5 GS/s sebességű mintavételezéssel és 1,5 GHz analóg sávszélességgel. A 867010-01 készlet tartalmaz egy 60 MHz-es oszcilloszkóp modult.

A PXI gerjesztő-/mérő egység (SMU) készletek, mint például a 867111-01, egyenáramú mérések és tesztek automatizálására szolgálnak. Az SMU-k mind a négy kvadránsban működnek, ±200 voltig és ±3 A-ig terjedő tartományokkal, akár 100 fA érzékenységgel. A PXI SMU-készleteiben a nagy teljesítmények lefedése van egyesítve az alacsony áramú mérések lehetőségével.

A PXI LCR-készletek, mint például a 867113-01, egy LCR-mérő és egy SMU egyetlen műszerbe történő egyesítésével egyenáramú és impedancia mérések végzésére használhatók. Ez a műszer fA és fF nagyságrendű mérésekre képes egy egyfoglalatos PXI-méretformátúmú egység formájában.

A PXI digitális multiméter készletek a kézi mérésen alapuló, kapcsolt és automatizált digitális multiméterrel végzett mérésekre használhatók, nagy pontossággal és akár 7,5 számjegyű felbontással. A nagy mintavételi sebesség lehetővé teszi a felhasználók számára a tranziens impulzusok oszcilloszkóp nélküli kielemzését is, továbbá triggereket is beállíthatnak adatgyűjtéséhez és/vagy szekvenáláshoz. A 867115-01 például egy 6,5 számjegyű kijelzővel rendelkezik.

A PXI nanovoltmérő készletei akár 28 bites, nagy felbontásra képes analóg bemeneti modulok. Chopping üzemmódban való működésre is képesek, amikor egy páros csatornát használnak nagyfokú zajelhárításra, ami pontos és megismételhető nV nagyságrendű méréseket és chipre integrált jelátlagolást és szűrést, valamint automatikus nullpont-beállított méréseket tesz lehetővé. A 867125-01 típus 32 csatornával, 28 bites felbontással és 2 MS/s mintavételi sebességgel rendelkezik.

A PXI multifunkciós I/O készletek, mint például a 867124-01, kevert formában analóg I/O-kat, digitális I/O-kat, valamint számláló/időzítő és trigger funkciókat tartalmaznak. A PXI multifunkciós I/O készletek akár négy analóg kimeneti csatornával, 48 kétirányú digitális csatornával és 80 analóg bemeneti csatornával rendelkezhetnek, 2 MS/s mintavételi sebességgel.

A rendszerek a szoftverre épülnek

Az átfogó hardvermodulok mellett az NI a teszt- és mérőrendszerek tervezőinek többféle szoftverfejlesztő környezetet kínál, köztük az InstrumentStudio és a LabVIEW programokat.

Az NI a PXI műszereihez az InstrumentStudio-t is mellékeli, amely a tesztmérnökök számára az automatizált tesztrendszerek felügyeletéhez és a hibakereséshez egyetlen, kódolás nélküli szoftverkörnyezetet biztosít. A felhasználók emellett olyan képernyőket is létrehozhatnak, amelyek egyszerre több műszer adatainak megjelenítésére képesek (4. ábra). A szoftveren belül különböző eszközök állnak rendelkezésre, melyek segítségével a felhasználók képernyőképeket készíthetnek, rögzíthetik a mérési eredményeket, valamint a vizsgált eszközökre vonatkozólag projektszintű, újrafelhasználható vagy más fejlesztőkkel megosztható konfigurációkat menthetnek el.

4. ábra: Az InstrumentStudio több műszer adatait is képes egyetlen képernyőn megjeleníteni. Például egyszerre egy oszcilloszkópét (bal oldali nagy ablak), egy digitális multiméterét (jobb felső ablak) és egy függvénygenerátorét (jobb alsó ablak) (kép: NI)

A LabVIEW az NI szoftveralapú tesztelési fejlesztőkörnyezete. Grafikus felhasználói felülete (GUI) lehetővé teszi a tesztmérnökök számára automatizált kutatási, validálási és gyártásközi vizsgálórendszerek gyors kifejlesztését. Alapszinten, a LabVIEW grafikus felülete lehetővé teszi a programozni nem tudók számára is, hogy virtuális műszerek drag-and-drop rendezésével tesztelési és mérési programokat készítsenek, interaktív felhasználói felületeket hozzanak létre és adatokat mentsenek el .cvs, .tdms vagy egyénileg definiált bináris fájlok formájában.

A haladóbb programozóknak a rendelkezésre álló Python, C, C++, C#, .NET és MATLAB illesztőprogramok jelentenek előnyt. Az NI szoftvereszközöket is kínál átfogó teszt- és mérési környezetek fejlesztéséhez, többek között a következőket:

• TestStand automatizált tesztsorozatok létrehozásához
• G Web szoftver webes alkalmazások fejlesztéséhez
• DIAdem interaktív adatelemzéshez
• FlexLogger teszt- és mérési adatgyűjtéshez és naplózáshoz

Összegzés

Alkatrészek és rendszerek készítésekor, a tervek ellenőrzéséhez, a validáláshoz és a gyártásközi vizsgálatokhoz szükséges szoftveres tesztkörnyezetek létrehozásakor számos teszt- és mérőműszer használatára van szükség. Ahelyett, hogy több beszállítótól származó műszereket használnának az ezzel járó összekapcsolási problémákkal, költségekkel és helyigényükkel együtt, a tesztmérnökök számára elérhetők az NI műszerkészletei, amelyek segítségével kompakt, rugalmas és komoly feladatokra képes tesztrendszerek építhetők. Az NI ezenkívül többféle szoftverkörnyezetet is kínál a fejlesztési folyamatok felgyorsítására.

Ajánlott olvasnivaló

1. Kisméretű adatgyűjtő rendszer tervezése
2. Az asztali tápegységek programozhatóságának, hálózatba kapcsolhatóságának és vezeték nélküli távérzékelési jellemzőinek hasznosítása