Implementatie van een compact en flexibel geautomatiseerd testsysteem met multifunctionele PXI I/O-bundels

De implementatie van een multifunctioneel geautomatiseerd testsysteem voor de ontwerpvalidatie, componententest en productietest van industriële, consumenten-, voertuig-, medische en andere elektronische systemen vereist een verscheidenheid aan test- en meetinstrumenten. Bovendien vereist het grote aantal sensoren dat in moderne ontwerpen wordt gebruikt meerdere analoge en digitale kanalen, en een gegeven testopstelling moet gemakkelijk en kosteneffectief kunnen worden opgeschaald.

Het kan een uitdaging zijn om aan deze eisen te voldoen met standalone testapparatuur. In plaats daarvan kunnen ontwerpers kiezen voor een modulaire aanpak met een gestandaardiseerde vormfactor zoals PCI eXtensions for Instrumentation (PXI). Dit kan de flexibiliteit en productiviteitswinst opleveren die nodig zijn voor een snel veranderende, multifunctionele en multichannel testomgeving, terwijl de kosten tot een minimum beperkt blijven.

Dit artikel geeft een korte introductie tot PXI en maakt gebruik van een voorbeeldtestopstelling om de voordelen te benadrukken. Vervolgens worden multifunctionele PXI I/O-bundels van NI geïntroduceerd en wordt besproken hoe deze geconfigureerd kunnen worden.

Waarom PXI gebruiken?

Naarmate testopstellingen complexer worden, resulteert het gebruik van standalone apparatuur in meerdere schermen, frontpanelen, netsnoeren en trage interfaces voor instrumentcomputers. Dit leidt tot verwarring en onnodige fouten die de testtijd verlengen en de productiviteit verlagen. Bovendien kan het bijwerken of herconfigureren van "rack-and-stack" testsystemen om functies toe te voegen zoals meer kanalen moeilijk en duur zijn. Bij instrumenten met één functie moet het hele instrument worden vervangen om de functionaliteit te veranderen, en de bijbehorende communicatie, synchronisatie en herprogrammering compliceren het probleem.

PXI-instrumenten bieden de benodigde functionaliteit in een standaard en compacte vormfactor. In dit scenario passen meerdere instrumenten zoals analoge en digitale input/output (I/O) kanalen naast elkaar in een gemeenschappelijk chassis. PXI vereenvoudigt ook de toevoeging en integratie van complexere instrumenten zoals oscilloscopen, multimeters en signaalgeneratoren. De instrumenten communiceren intern via een gemeenschappelijke busstructuur, waardoor ze synchroon werken, terwijl een pc met uniforme software alle instrumenten vanaf een gemeenschappelijk scherm bedient.

Een veelvoorkomend testscenario

Een voorbeeld dat het type metingen laat zien waarvoor de multifunctionele I/O-module is ontworpen, is een variabele snelheidsaandrijving (VSD) in een intelligent motion control systeem waarvoor meerdere typen sensoren nodig zijn (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Een VSD maakt gebruik van meerdere analoge en digitale sensoren die getest moeten worden en waarvan de werking gecontroleerd moet worden. (Afbeeldingsbron: Art Pini)

Het testen van de sensorcomponenten van een VSD zorgt voor de juiste werking van de motortemperatuur-, draaisnelheid-, aspositie-, koppel- en trillingsniveausensoren. De meeste sensoruitgangen zijn analoge signalen met een lage signaalbandbreedte van minder dan 1 megahertz (MHz). Sommige analoge sensoren, zoals anisotrope magnetoresistieve (AMR) stroomsensoren en aspositiesensoren, maken gebruik van weerstandsbruggen en vereisen differentiële ingangen in het meetinstrument. Sommige sensoren, zoals de toerenteller, kunnen digitaal zijn en vereisen een of meer digitale ingangen voor bewaking.

Multifunctionele I/O-testmodules zijn zeer geschikt voor het testen van dit soort sensoren en bieden analoge spanningsbereiken, bandbreedtes en samplesnelheden die zijn afgestemd op de analoge sensoruitgangen. Ze bevatten ook digitale I/O-kanalen met samplefrequenties die groter zijn dan de datasnelheden die getest worden.

Er zijn vergelijkbare testvereisten voor toepassingen in robotica, auto's en industriële omgevingen waar meerdere sensoren worden gebruikt in elke toepassing.

De multifunctionele I/O-testbundel

NI's PXI-bundels bestaan uit een PXI-chassis met vijf sleuven en een van de twee NI multifunctionele I/O-modules. De multifunctionele PXI-modules bieden een mix van analoge I/O, digitale I/O, teller/timer en triggering-functionaliteit (afbeelding 2).

Afbeelding 2: Een multifunctionele PXI I/O-bundel biedt een standalone geautomatiseerd test- en meetsysteem, inclusief een multifunctionele PXI I/O-module en vier open sleuven voor extra instrumenten. (Afbeeldingsbron: NI)

Het chassis levert stroom en een interne busstructuur om alle modules via de backplane met elkaar te verbinden. De PXIe bus maakt triggering en synchronisatie van meerdere instrumenten mogelijk. PXIe is een subset van PXI die een snelle seriële interface gebruikt in plaats van de parallelle databus van PXI. Een Thunderbolt 3-interface biedt een snelle interface via een USB 3.0-connector naar een computer. Twee USB 3.0 connectoren maken serieschakeling van meerdere PXIe chassis mogelijk. In de vier open sleuven passen andere instrumenten zoals oscilloscopen, digitale multimeters, golfvormgeneratoren, multiplexerschakelaars, bronmeeteenheden en voedingen.

NI's 867123-01 multifunctionele I/O-bundel bestaat bijvoorbeeld uit een PXIe-1083 chassis met vijf sleuven, een PXIe-6345 multifunctionele I/O-module en bijbehorende kabels. Als alternatief gebruikt de 867124-01 bundel hetzelfde chassis en dezelfde bekabeling, maar dan met een PXIe-6363 module met input mass termination connectoren op het frontpaneel (afbeelding 3).

Afbeelding 3: Een gedetailleerd overzicht van de multifunctionele PXIe-6363 I/O-module omvat een overzicht van de aansluitingen voor ingangsmassa's op het frontpaneel. (Afbeeldingsbron: NI)

De twee productbundels verschillen in het aantal analoge ingangskanalen, het aantal analoge uitgangskanalen, het aantal digitale I/O-kanalen en de maximale samplesnelheid (in kilosamples per seconde (kS/s) en megasamples per seconde (MS/s)) (Tabel 1).

Tabel 1: Hier ziet u een vergelijking van de multifunctionele I/O-bundels PXIe-867123 en PXIe-867124. (Tafelbron: Art Pini)

Analoge kanalen

De interne configuraties van de analoge ingangskanalen (AI) van beide bundels zijn identiek. Een enkele analoog-digitaalomzetter (ADC) wordt verdeeld over meerdere ingangskanalen met behulp van een analoge multiplexer (Mux) om elke ingang te rangschikken (afbeelding 4).

Afbeelding 4: De configuratie van de analoge kanaalingangen bevat een Mux om de individueel geconfigureerde ingangen naar een enkele ADC te leiden. (Afbeeldingsbron: NI)

Ingangssignalen worden aangesloten via de I/O-connector op het voorpaneel. Daarnaast zijn ook de AI sense aansluiting en de AI ground beschikbaar om nauwkeurige referentieniveaus voor metingen vast te stellen. De Mux selecteert een van de analoge ingangen; dit kan een enkel kanaal zijn voor meerdere metingen, of meerdere kanalen voor opeenvolgende metingen. Het geselecteerde kanaal wordt gerouteerd via de analoge ingangsconfiguratieselectie. Er zijn drie ingangsconfiguraties: differentieel, referenced single-ended (RSE) of non-referenced single-ended (NRSE). De differentiële aansluiting, aanbevolen voor zwevende bronnen, gebruikt twee van de beschikbare analoge ingangen als inverterende en niet-inverterende differentiële ingangen. De differentiële ingangen hebben geen massareferentie en kunnen worden aangesloten op zwevende bronnen. De differentiële ingangsconfiguratie onderdrukt common-mode ruis.

De RSE ingangsconfiguratie verbindt de inverterende ingang (AI-) op één punt met massa, ofwel op de AI-aarde voor een zwevende bron, of op de bronaarde voor een bron op massa.

De NRSE-configuratie voor een zwevende bron verbindt de AI-ingang met de negatieve klem van de bron en met de AI-waarnemingslijn met een resistieve terugkeer naar AI-aarde. Voor een bron met massareferentie is de AI-aansluiting direct verbonden met de massa van de bron en met de AI-waarnemingslijn.

De geconfigureerde ingang wordt naar de NI programmeerbare versterker (NI-PGIA) geleid, die het binnenkomende signaal versterkt of verzwakt zodat het overeenkomt met het ingangsspanningsbereik van de ADC. Er zijn zeven programmeerbare ingangsspanningsbereiken voor de analoge signalen tussen ±100 millivolt (mV) en ±10 volt. Het ingangsbereik van elk ingangssignaalkanaal is afzonderlijk programmeerbaar en de versterking wordt samen met het ingangssignaal geschakeld. De NI-PGIA minimaliseert de settlingtijden voor alle ingangsspanningsbereiken om de nauwkeurigheid van de spanningsmeting te maximaliseren.

De ADC voor beide digitizers heeft een amplituderesolutie van 16 bits. Het analoge signaal wordt gekwantiseerd in 65.536 mogelijke niveaus. Dit levert 320 microvolts (mv) resolutie in het ±10 volt bereik en 3,2 mv in het ±100 mV bereik.

De gedigitaliseerde uitgangen van de ADC worden opgeslagen in het AI first in, first out (AI FIFO) geheugen.

De multifunctionele modules hebben ook een analoge uitgang (AO). Er zijn twee of vier analoge uitgangen, afhankelijk van het model, met een gemeenschappelijke uitgangsklok (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: In een typische analoge eindtrap bevat de AO FIFO-geheugenbuffer de samplewaarden van de golfvorm die van de host zijn gedownload. (Afbeeldingsbron: NI)

De AO FIFO-geheugenbuffer bevat de samplewaarden van de golfvorm die van de hostcomputer zijn gedownload. Doordat de samples in de FIFO zijn opgeslagen, kunnen analoge golfvormen worden uitgevoerd zonder computeraansluiting. De AO Sample Clock klokt de gegevens van de FIFO in de digitaal-naar-analoog omzetters (DAC's) die de digitale samplewaarden omzetten in een analoge spanning. De AO Reference Select wordt gebruikt om het analoge uitgangsbereik te wijzigen. De AO Reference Select kan worden ingesteld op 10 of 5 volt, of er kan een externe referentie worden toegepast via de analoge PFI (APFI).

Digitale kanalen

Digitale kanalen bevatten zowel invoer- als uitvoermogelijkheden om digitale signalen te verwerven of te genereren op een gemeenschappelijke lijn (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Bidirectionele digitale I/O lijnen (P0.x) kunnen digitale signalen ontvangen en genereren. (Afbeeldingsbron: NI)

De P0.x lijnen werken met statische of snelle digitale lijnen als in- of uitgangen. De modules uit de PXIe-63xx serie hebben ook zestien Programmable Function Interface (PFI) lijnen die door de gebruiker geconfigureerd kunnen worden als een PFI interface of een digitaal I/O kanaal. Als ingang kan het PFI-kanaal een externe bron doorsturen voor analoge ingang, analoge uitgang, digitale ingang, digitale uitgang of teller/timerfuncties. Als uitgang kunnen veel van de analoge ingangs-, analoge uitgangs-, digitale ingangs-, digitale uitgangs- of teller/timerfuncties naar elke PFI-klem worden gerouteerd.

Al deze lijnen accepteren logische hoge niveaus tussen 2,2 en 5,25 volt en logische lage niveaus van 0 tot 0,8 volt. De digitale lijnen worden geklokt op maximaal 10 MHz.

Er is een digitaal filter op elke digitale lijn dat wordt gebruikt om de digitale ingangssignalen te debouncen. Er zijn drie filterinstellingen gebaseerd op de gebruikte filterklokfrequentie: kort, medium of hoog. De korte instelling garandeert dat een pulsbreedte van meer dan 160 nanoseconden (ns) wordt doorgelaten, de middelmatige instelling laat pulsbreedtes van 10,24 microseconden (ms) of meer door en de hoge instelling laat pulsbreedtes van 5,12 milliseconden (ms) of meer door. Pulsen met een breedte die smaller is dan de helft van de doorgelaten pulsbreedte worden gegarandeerd onderdrukt.

Terugkomend op het voorbeeld van de VSD-motor, kunnen de digitale ingangen worden gebruikt om de aspositie te decoderen. De aspositie kan worden afgelezen van de digitale uitgangen van een optische encoder. De optische encoder heeft drie digitale uitgangen: een indexpuls van één keer per omwenteling en twee vierkante golven met een faseverschil van 90˚ die kwadratuuruitgangen worden genoemd. Deze kwadratuuruitgangen worden meestal "A" en "B" genoemd. Door de indexpuls te combineren met de kwadratuuruitgangen kunnen de absolute asoriëntatie en de draairichting worden berekend.

Teller/timers

Beide PXIe-modules bevatten vier universele 32-bits teller/timerstappen en een frequentiegeneratorstap. Er zijn acht signaalingangen naar elke teller/timerfase en de ingang van de tellertimer kan elk van de veertien beschikbare signalen zijn. Het geselecteerde signaal moet worden toegepast op de klok; er is geen voorziening om de teller/timer-ingang af te tellen. De tellers/timers kunnen worden gebruikt om flanken te tellen, frequentie of periode te meten, of pulsmetingen uit te voeren zoals breedte, duty cycle of de tijd tussen twee flanken.

Een voorbeeldtoepassing voor tellers/timers is het meten van de frequentie van de indexpuls van de optische encoder in de illustratie van de VSD-motor. De frequentie kan worden geschaald om de rotatiesnelheid van de motor in omwentelingen per minuut af te lezen.

De frequentiegenerator of telleruitgang kan een eenvoudige puls, een pulstrein, een constante frequentie, frequentiedeling of een equivalente tijdsbemonstering (ETS) pulsstroom genereren.

De ETS-pulsstroom produceert een pulsuitgang met een oplopende vertraging vanaf de poortpuls van de teller. Dit kan bemonsteringstijdstip bieden voor repetitieve golfvormen, met een hogere bemonsteringssnelheid voor analoge ingangen met frequenties hoger dan de Nyquist-frequentie van de digitizer.

Software-ondersteuning

Verschillende softwarepakketten ondersteunen multifunctionele I/O-modules. NI's LabVIEW biedt een grafische programmeeromgeving die gegevensverwerving, -verwerking en -analyse vereenvoudigt. Het maakt het ook mogelijk om interactieve gebruikersinterfaces te maken voor testen, bewaking, controle en gegevensarchivering.

Voor gebruikers die hun eigen code willen genereren, levert NI drivers die de programmeertaal van hun keuze ondersteunen, waaronder Python, C, C++, C#, .NET en MATLAB.

NI biedt ook een softwarepakket zonder code genaamd FlexLogger. Met FlexLogger kunnen gebruikers testgegevens bekijken, opslaan en analyseren met ingebouwde verwerkingshulpmiddelen en aanpasbare dashboards. Het biedt de mogelijkheid om limieten in te stellen op meetwaarden en om alarmen te geven voor omstandigheden die buiten de limiet vallen. Met FlexLogger kunnen gebruikers ook de visualisatiehulpmiddelen van de gebruikersinterface aanpassen door grafieken, numerieke indicatoren en meters toe te voegen (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: Het FlexLogger-display toont de meting van de trilling van een motor met behulp van een versnellingsmeter en een toerenteller om te zoeken naar een mechanische resonantie. (Afbeeldingsbron: NI)

Het scherm toont het geschaalde trillingsniveau in g versus tijd in de bovenste grafiek. De uitlezing van de toerenteller, die de rotatiesnelheid in RPM meet, wordt rechtsonder weergegeven als een wijzerplaat. De snelle Fourier-transformatie (FFT) (een van de beschikbare signaalverwerkingsprogramma's) van de trillingsgegevens toont het trillingsniveau versus de frequentie in de onderste grafiek.

Conclusie

Testsystemen moeten zich aanpassen aan veranderende eisen voor toepassingen die veel I/O vereisen. De NI multifunctionele I/O-bundel kan de basis vormen van een meerkanaals geautomatiseerd testsysteem met een combinatie van analoge en digitale in- en uitgangskanalen en meerdere tellers/timers. Verpakt in een PXIe chassis met extra slots voor andere modulaire test- en meetinstrumenten, biedt het gebruikers de schaalbaarheid die nodig is voor kosteneffectieve tests.