Kis méretű és rugalmas automatizált tesztelőrendszer megvalósítása többfunkciós PXI be- és kimenettesztelő dobozok használatával

Az ipari, fogyasztói, járműipari, gyógyászati és egyéb elektronikai rendszerek tervhitelesítésére, alkatrészvizsgálatára és gyártás közbeni tesztelésére szolgáló többfunkciós automatizált ellenőrző rendszerek kialakításához számos ellenőrző és mérőműszerre van szükség. Emellett a korszerű berendezésekben használt nagyszámú érzékelő több analóg és digitális csatornát tesz szükségessé, és egy adott tesztkörnyezetnek könnyen és gazdaságosan méretezhetőnek kell lennie.

Ezeknek a követelményeknek az önálló ellenőrző berendezésekkel történő teljesítése nagy kihívást jelenthet. Ehelyett a tervezők választhatnak valamilyen modulrendszerű, szabványosított méretű megoldást, amilyenek például PXI (PCI eXtensions for Instrumentation, PCI-bővítések műszerekhez) rendszerű eszközök. Ezzel biztosítható a gyorsan változó, többfunkciós és többcsatornás tesztkörnyezethez szükséges rugalmasság és a termelékenységnövekedés, miközben alacsonyan tarthatóak a költségek.

Ez a cikk röviden bemutatja a PXI rendszert, és egy tesztelő mintakészülék segítségével rávilágít annak előnyeire. Ezután ismerteti az NI PXI multifunkciós be- és kimenettesztelő dobozait, és leírja azok beállítását.

A PXI használatának előnyei

Ahogy a tesztkörnyezetek egyre összetettebbé válnak, az önálló berendezésekhez több képernyőt, előlapot, vezetéket és lassú műszeres számítógépes kezelőfelületet kell használni. Ez zűrzavarhoz és szükségtelen hibákhoz vezet, amelyek meghosszabbítják a tesztelési időt, és csökkentik a termelékenységet. Emellett az előre összeállított polcrendszerként kialakított tesztelőrendszerek frissítése vagy összeállításának módosítása például olyan funkciókkal, mint a több csatornásra bővítés, nehéz és költséges lehet. Az egyfunkciós műszerek a funkciók megváltoztatásához a teljes műszer cseréjét igénylik, és a kapcsolódó kommunikáció, szinkronizálás és átprogramozás tovább bonyolítja a műveletet.

A PXI műszerek a szükséges funkciókat szabványos formában és kis méretben kínálják. Ebben a kialakításban több műszer – például analóg és digitális be- és kimeneti (I/O) csatornák – fér el egymás mellett egy közös házban. A PXI leegyszerűsíti az összetettebb műszerek, például oszcilloszkópok, multiméterek és jelgenerátorok hozzáadását és a rendszerbe való beépítését is. A műszerek belül egy közös sínrendszeren keresztül kommunikálnak egymással, biztosítva a szinkron működést, miközben az egységesítő szoftvert futtató számítógép lehetővé teszi az összes műszer egy közös képernyőről történő vezérlését.

Egy gyakori tesztelési mód

Az egyik példa, amely azokat a mérésfajtákat szemlélteti, amelyek kezelésére a többfunkciós be- és kimeneti modulokat tervezték, egy intelligens mozgásvezérlő rendszerben lévő változó fordulatszámú hajtást (VSD, variable speed drive) mutat, amely többféle érzékelőt igényel (1. ábra).

1. ábra: A változó fordulatszámú hajtások több analóg és digitális érzékelőt használnak, amelyeket tesztelni kell, és amelyek működését ellenőrizni kell (ábra: Art Pini)

A változó fordulatszámú hajtás érzékelőinek tesztelése biztosítja a villanymotor hőmérséklet-, fordulatszám-, tengelyhelyzet-, nyomaték- és rezgésszint-érzékelőinek helyes működését. A legtöbb érzékelő kimenőjele kis, kevesebb mint 1 MHz sávszélességű analóg jel. Egyes analóg érzékelők, például az anizotróp magnetorezisztív (AMR, anisotropic magnetoresistive) áramérzékelők és a tengelyhelyzet-érzékelők rezisztív hidakat használnak, és különbségi bemenőjeleket igényelnek a mérőműszerben. Egyes érzékelők, például a fordulatszámmérő, lehetnek digitálisak, és egy vagy több digitális bemenőjelet igényelnek az adott jellemző figyeléséhez.

Az ilyen típusú érzékelők tesztelésére jól használhatók a többfunkciós be- és kimenettesztelő modulok, mivel az analóg érzékelők kimenőjeleihez igazított analóg feszültségtartományokat, sávszélességeket és mintavételi frekvenciákat kínálnak. Emellett tartalmaznak a tesztelt adatátviteli sebességnél nagyobb mintavételi sebességű digitális be- és kimeneti csatornákat is.

Hasonlóak a tesztelési követelmények a robotikai, gépjárműipari és ipari felhasználási területeken is, ahol az egyes készülékekben több érzékelőt használnak.

A többfunkciós be- és kimenettesztelő doboz

Az NI cég PXI-dobozai egy öt bővítőaljzatos PXI házból és két NI multifunkciós be- és kimeneti modulból állnak. A PXI multifunkciós modulok analóg be- és kimenetet, digitális be- és kimenetet, számláló/időzítő és indítójel-kiadási (triggerelési) funkciókat kínálnak (2. ábra).

2. ábra: A PXI multifunkciós be- és kimenettesztelő dobozok önálló automatizált tesztelő- és mérőrendszert kínálnak. A doboz egy multifunkciós PXI be- és kimeneti modult és négy további műszerek csatlakoztatására alkalmas üres bővítőaljzatot tartalmaz (kép: NI)

A ház biztosítja az áramellátást, valamint egy belső sínszerkezetet, amely a hátsó áramköri lapon keresztül összeköti az összes modult. A PXIe sín lehetővé teszi több műszer indítójelének kiadását és több műszer szinkronizálását. A PXIe a PXI egy olyan alcsoportja, amely a PXI párhuzamos adatsín helyett nagy sebességű soros illesztőfelületet használ. A Thunderbolt 3 illesztőfelület USB 3.0 csatlakozón keresztüli gyors csatlakozást tesz lehetővé a számítógéphez. A két USB 3.0 csatlakozó lehetőséget ad több PXIe ház láncba kapcsolására. A négy üres bővítőaljzatba egyéb műszereket, például oszcilloszkópokat, digitális multimétereket, hullámforma-generátorokat, multiplexelő kapcsolókat, forrásjelmérő egységeket és tápegységeket lehet bedugni.

Az NI cég 867123-01 jelű multifunkciós be- és kimenettesztelő doboza például egy öt bővítőaljzatos PXIe-1083 házból, egy PXIe-6345 multifunkciós be- és kimeneti modulból és a kapcsolódó kábelekből áll. Az ennek helyettesítésére használható 867124-01 be- és kimenettesztelő doboznak ugyanaz a háza és kábelezése, de egy PXIe-6363 modul található benne, amelynek előlapján nagyszámú bemenőjel csatlakoztatására szolgáló csatlakozók találhatók (3. ábra).

3. ábra: A PXIe-6363 multifunkciós be- és kimeneti modul részletes nézetén láthatóak az előlapon található, nagyszámú bemenőjel csatlakoztatására szolgáló csatlakozók (kép: NI)

A két doboz közötti különbség az analóg bemeneti csatornák száma, az analóg kimeneti csatornák száma, a digitális be- és kimeneti csatornák száma, valamint a legnagyobb mintavételi frekvencia (kS/s, ezer minta/másodperc vagy Ms/s, millió minta/másodperc) (1. táblázat)

1. táblázat: A PXIe-867123 és a PXIe-867124 multifunkciós be- és kimenettesztelő doboz összehasonlítása (táblázat: Art Pini)

Analóg csatornák

A két doboz analóg bemeneti (AI, analog input – ezúttal nem a mesterséges intelligenciát jelöli a rövidítés) csatornáinak belső kialakítása azonos. Több bemeneti csatorna közösen használ egyetlen analóg–digitális átalakítót (ADC, analog-to-digital converter) egy analóg multiplexer (Mux) segítségével, amely az egyes bemenetek sorrendjét alakítja ki (4. ábra).

4. ábra: Az analóg bemeneti csatornák kialakítását szemléltető blokkvázlaton látható egy multiplexer, amely az egyedileg beállított bemeneteket az egyetlen analóg–digitális átalakítóba irányítja (ábra: NI)

A bemenőjelek az előlapi be- és kimeneti csatlakozón (I/O Connector) keresztül vannak csatlakoztatva. Ezenkívül van analóg bemeneti jelcsatlakozó az érzékelők jelének csatlakoztatására és analóg bemeneti testcsatlakozó a mérések pontos referenciaértékeinek beállításához. A multiplexer mindig egy adott analóg bemenetet választ ki. Ez lehet egy több méréshez használt egyetlen csatorna vagy több egymást követő mérésekhez használt csatorna. A kiválasztott csatorna az analóg bemenet beállításának megfelelően lesz az analóg–digitális átalakítóra irányítva. Három bemeneti beállítás közül lehet választani: különbségi, viszonyítási pontos közös földpontú (RSE, referenced single-ended) vagy viszonyítási pont nélküli közös földpontú (NRSE, non-referenced single-ended). A lebegő jelszintű jelforrásokhoz ajánlott különbségi csatlakozás kettőt használ fel a rendelkezésre álló analóg bemenetek közül invertáló és nem invertáló különbségi bemenetként. A különbségi bemenetek jelének nem a testpont a referenciapontja, és ezek a bemenetek csatlakoztathatóak lebegő jelszintű jelforrásokhoz. A különbségi bemenetes kialakítás elnyomja a közös módusú zajt.

A viszonyítási pontos közös földpontú bemenetes kialakítás az invertáló bemenetet (analóg bemenet) egyetlen ponton köti a testhez. Ez lehet – lebegő jelszintű jelforrás esetén – az analóg bemenet testpontja vagy – testelt jelforrás esetén – a jelforrás testpontja.

A lebegő jelszintű jelforráshoz tartozó, viszonyítási pont nélküli közös földpontú bemenetes kialakítás esetében az analóg bemenet a jelforrás negatív kapocspontjához és az analóg bemeneti érzékelőjel-vezetékhez van kötve, és az áramkör egy ellenálláson át záródik a testre. Testhez viszonyított jelforrás esetén az analóg bemeneti csatlakozó közvetlenül a jelforrás testpontjára és érzékelőjel-vonalára van kötve.

A választott bemenetnek megfelelő típusú bemenőjel az NI állítható erősítésű műszererősítőre (NI-PGIA, programmable gain instrumentation amplifier) kerül, amely a beérkező jelet az analóg–digitális átalakító bemenőfeszültség-tartományának megfelelően erősíti vagy gyengíti. Az analóg jelekhez hét programozható bemenőfeszültség-tartomány tartozik ±100 mV és ±10 V között. Az egyes bemeneti jelcsatornák bemenőfeszültség-tartománya egyedileg állítható be, és az erősítés a bemenőjel szintjének megfelelően változik. Az NI állítható erősítésű műszererősítő a lehető legnagyobb feszültségmérési pontosság elérése érdekében minden bemenőfeszültség-tartományban minimálisra csökkenti a szabályozási időt.

Az analóg–digitális átalakító mindkét doboz esetében 16 bites amplitúdófelbontású. Ez azt jelenti, hogy az analóg jelet 65 536 lehetséges értékre tudja kvantálni. Ez a ±10 V-os tartományban 320 µV-os, míg a ±100 mV-os tartományban 3,2 µV-os felbontást tesz lehetővé.

Az analóg–digitális átalakító digitalizált kimenőjele az AI FIFO (analóg bemeneti FIFO) memóriában tárolódik.

A többfunkciós moduloknak analóg kimenetük (AO, analog output) is van. Típustól függően két vagy négy analóg kimenet van, közös kimeneti órajelekkel (5. ábra).

5. ábra: Egy jellegzetes analóg kimeneti fokozatban az analóg kimeneti AO FIFO memóriapuffer tartalmazza a hullámformák mintavételezésével kapott és az átalakítóból letöltött értékeket (ábra: NI)

A hullámformák mintavételezésével kapott és az átalakítóból letöltött értékeket az AO FIFO memóriapuffer tárolja. A minták FIFO memóriában való tárolása azt jelenti, hogy az analóg hullámformák számítógépes kapcsolat nélkül is a kimenetre küldhetőek. Az analóg kimenet mintavételi órajele (AO Sample Clock) a FIFO memóriából származó adatokat megfelelő időzítéssel a digitális–analóg átalakítókba (DAC, digital-to-analog converter) továbbítja, amelyek a mintavételezéssel kapott digitális értékeket analóg feszültséggé alakítják. Az analóg kimeneti referenciaválasztó (AO Reference Select) az analóg kimeneti tartomány megváltoztatására szolgál. Az analóg kimeneti referenciaválasztó 10 V-ra vagy 5 V-ra állítható, vagy használható valamilyen külső referenciafeszültség a programozható funkciójú analóg illesztőfelületen (APFI, analog programmable function interface) keresztül.

Digitális csatornák

A digitális csatornák be- és kimeneti funkciókra is alkalmasak, hogy digitális jeleket fogadhassanak és küldhessenek egy közös vonalon keresztül (6. ábra).

6. ábra: A kétirányú digitális be- és kimeneti vonalak (P0.x) digitális jeleket tudnak fogadni és küldeni (ábra: NI)

A P0.x vonalak statikus vagy nagy sebességű digitális vonalak be- vagy vagy kimeneteiként használhatóak. A PXIe-63xx sorozatú moduloknak tizenhat programozható funkciójú illesztőfelületi (PFI, programmable function interface) vonaluk is van, amelyeket a felhasználó beállíthat programozható funkciójú illesztőfelületként vagy digitális be- és kimeneti csatornaként. Bemenetként használva a programozható funkciójú illesztőfelületi (PFI) csatorna külső forrást irányíthat valamelyik analóg bemenetre, analóg kimenetre, digitális bemenetre, digitális kimenetre vagy a számláló/időzítő funkciókhoz. Kimenetként használva számos analóg bemeneti, analóg kimeneti, digitális bemeneti, digitális kimeneti vagy számláló/időzítő funkciót lehet mindegyik programozható funkciójú illesztőfelületi csatlakozóra irányítani.

Ezek a vonalak 2,2 V és 5,25 V közötti logikai magas szintet, illetve és 0 V és 0,8 V közötti logikai alacsony szintet fogadnak. A digitális vonalak akár 10 MHz-es órajelen is képesek működni.

Minden digitális vonalon van egy digitális szűrő, amely a digitális bemenőjelek késleltető szűrésére szolgál. Három szűrőbeállítás létezik a használt szűrő órajel-frekvenciája alapján: rövid, közepes és hosszú. A rövid beállítás a 160 ns, a közepes beállítás a 10,24 µs, a hosszú beállítás pedig az 5,12 ms vagy annál nagyobb szélességű impulzusok átjutását garantálja. Az átjutó impulzusszélesség felénél kisebb szélességű impulzusok garantáltan el lesznek nyomva.

Visszatérve a változó fordulatszámú hajtás villanymotorjának példájához, a digitális bemenetek felhasználhatók a tengely helyzetének dekódolására is. A tengely helyzete egy optikai kódoló digitális kimeneteiről olvasható le. Az optikai kódolónak három digitális kimenete van: egy fordulatonként egyszeri indeximpulzus és két 90˚ fáziskülönbségű négyszöghullám, az úgynevezett negyedhullám eltérésű (vagy idegen szóval kvadratúra-) kimenetek. Ezeket a negyedhullám eltérésű kimeneteket általában A és B kimenetnek nevezik. Az indeximpulzus és a negyedhullám eltérésű kimenetek kombinálásával kiszámítható a tengely abszolút helyzete és forgásiránya.

Számlálók/időzítők

Mindkét PXIe modul négy általános célú 32 bites számláló/időzítő fokozatot és egy frekvenciagenerátor fokozatot tartalmaz. Minden számláló/időzítő fokozathoz nyolc jelbemeneti útvonal tartozik, és a számláló/időzítő bemenete a tizennégy rendelkezésre álló jel bármelyike lehet. A kiválasztott jelet órajelként kell használni. A számláló/időzítő bemenet esetében visszaszámlálásra nincs lehetőség. A számláló/időzítők használhatók élek számlálására, frekvencia vagy periódus mérésére, valamint impulzusok különböző értékeinek – például impulzusszélesség, munkaciklus vagy két él közötti idő – mérésre.

Egy példa a számláló/időzítő használatára az optikai kódolóból származó indeximpulzus frekvenciájának mérése a változó fordulatszámú hajtás villanymotorjának esetében. A frekvenciaskála beállítható úgy, hogy a villanymotor fordulatszámát percenkénti fordulatszámban (f/perc) lehessen leolvasni.

A frekvenciagenerátor vagy a számláló kimenete lehet egyszerű impulzus, impulzussorozat, állandó frekvencia, frekvenciaosztásos multiplexelt jel vagy egyenértékű mintavételezési frekvenciájú mintavételezéses (ETS, equivalent-time sampling) impulzusfolyam.

Az egyenértékű mintavételezési frekvenciájú mintavételezéses impulzusfolyam a számláló kapuimpulzusától kezdve egyre növekvő késleltetésekkel állít elő kimenőimpulzusokat. Ez egy ismétlődő hullámformákhoz használható mintavételezésiidőzítés-fajta, amely a digitalizálóeszköz Nyquist-frekvenciájánál nagyobb frekvenciájú analóg bemenőjelek esetében úgy tűnik, mintha a valóságosnál nagyobb mintavételi frekvenciával történne a mintavételezés (ezzel a nagyobb mintavételi frekvenciával egyenértékűnek tűnik – innen a név).

Szoftvertámogatás

A többfunkciós be- és kimeneti modulok használatát több szoftvercsomag is segíti. Az NI cég LabVIEW programja olyan grafikus programozási környezetet kínál, amely leegyszerűsíti az adatgyűjtést, -feldolgozást és -elemzést. Ezenfelül lehetővé teszi párbeszédes felhasználói felületek létrehozását teszteléshez, felügyelethez, figyeléshez, ellenőrzéshez és adatarchiváláshoz.

Azon felhasználók számára, akik saját kódot szeretnének előállítani, az NI a választott programozási nyelvet támogató illesztőprogramokat kínál többek közt a Python, a C, a C++ és a C# programozási nyelvhez, valamint a .NET és a MATLAB platformhoz.

Az NI egy programozást nem igénylő szoftvercsomagot is kínál FlexLogger néven. A FlexLogger lehetővé teszi a felhasználók számára a tesztadatok beépített feldolgozóeszközökkel és testreszabható műszerfalakkal történő megtekintését, mentését és elemzését. Lehetőség van a mért értékek határértékének beállítására és a határértékeken túli értékek esetén riasztás kiadására. A FlexLogger lehetővé teszi a felhasználók számára a felhasználói felület képi megjelenítő eszközeinek grafikonok, számjegyes értékek és mérőeszközök hozzáadásával történő testreszabását (7. ábra).

7. ábra: A FlexLogger kijelzőjén egy villanymotor gyorsulásmérő és fordulatszámmérő segítségével, mechanikai rezonancia keresése céljából végzett rezgésmérésének grafikonja látható (kép: NI)

A képernyőn látható felső grafikonon a rezgésszint G-ben van ábrázolva az idő függvényében. A fordulatszámot 1/percben (vagy f/percben) mérő fordulatszámmérő kijelzőjének a jobb alsó sarokban lévő mutatós számlap felel meg. Az alsó grafikonon a rezgési adatok gyors Fourier-transzformációja (FFT, fast Fourier transform) (az egyik rendelkezésre álló jelfeldolgozó eszköz) mutatja a rezgésszintet a frekvencia függvényében.

Összegzés

A tesztelőrendszereknek a sok be- és kimenetet igénylő felhasználási területeken alkalmazkodniuk kell a változó követelményekhez. Az NI analóg és digitális be- és kimeneti csatornák és több számláló/időzítő kombinációját kínáló többfunkciós be- és kimenettesztelő dobozai egy többcsatornás automatizált tesztelőrendszer alapját képezhetik. Az eszköz egy további modulrendszerű tesztelő- és mérőműszerek számára plusz bővítőhelyeket tartalmazó PXIe házba szerelve a költségtakarékos tesztekhez elengedhetetlen méretezhetőséget tesz lehetővé.