Implementierung eines kompakten und flexiblen automatisierten Testsystems mit multifunktionalen PXI-I/O-Instrumenten

Die Implementierung eines multifunktionalen automatisierten Testsystems für die Designvalidierung, den Komponententest und den Produktionstest von Industrie-, Verbraucher-, Fahrzeug-, Medizin- und anderen elektronischen Systemen erfordert eine Vielzahl von Test- und Messinstrumenten. Außerdem erfordert die große Anzahl von Sensoren, die in modernen Designs verwendet werden, mehrere analoge und digitale Kanäle, und ein bestimmter Prüfstand muss einfach und kostengünstig skaliert werden können.

Die Erfüllung dieser Anforderungen kann mit Einzelprüfgeräten eine Herausforderung sein. Stattdessen kann ein modularer Ansatz mit einem standardisierten Formfaktor wie PCI eXtensions for Instrumentation (PXI) genutzt werden. Auf diese Weise lassen sich die Flexibilität und die Produktivitätssteigerungen erzielen, die für eine sich schnell verändernde, multifunktionale und mehrkanalige Testumgebung erforderlich sind, während gleichzeitig die Kosten auf ein Minimum reduziert werden.

Dieser Artikel bietet eine kurze Einführung in PXI und präsentiert anhand einer beispielhaften Einrichtung die Vorteile von PXI. Anschließend werden die PXI-Multifunktions-I/O-Bundles von NI vorgestellt und ihre Konfiguration erläutert.

Warum PXI?

Da die Prüfstände immer komplexer werden, führt die Verwendung von Einzelgeräten zu mehreren Bildschirmen, Frontpanels, Kabeln und langsamen Computerschnittstellen der Einzelgeräte. Dies führt zu Verwirrung und unnötigen Fehlern, die die Testzeit verlängern und die Produktivität verringern. Darüber hinaus kann die Aktualisierung oder Neukonfiguration von Rack-Testsystemen zur Hinzufügung von Funktionen wie z. B. weiteren Kanälen schwierig und teuer sein. Geräte mit nur einer Funktion erfordern den Austausch des gesamten Geräts, um die Funktionalität zu ändern, und die damit verbundene Kommunikation, Synchronisierung und Neuprogrammierung erschweren das Problem.

PXI-Instrumente bieten die erforderliche Funktionalität in einem standardisierten und kompakten Formfaktor. Bei diesem Ansatz passen mehrere Instrumente wie analoge und digitale I/O-Kanäle nebeneinander in ein gemeinsames Gehäuse. PXI vereinfacht auch das Hinzufügen und Integrieren von komplexeren Instrumenten wie Oszilloskopen, Multimetern und Signalgeneratoren. Die Geräte kommunizieren intern über eine gemeinsame Busstruktur, die einen synchronen Betrieb gewährleistet, während ein PC, auf dem eine einheitliche Software läuft, die Steuerung aller Geräte über einen gemeinsamen Bildschirm ermöglicht.

Ein gängiges Testszenario

Ein Beispiel für die Art von Messungen, für die ein Multifunktions-I/O-Modul ausgelegt sein muss, ist ein Antrieb mit variabler Drehzahl (VSD) in einem intelligenten Motorsteuerungssystem, das mehrere Arten von Sensoren benötigt (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ein VSD verwendet mehrere analoge und digitale Sensoren, die getestet und auf ihre Funktionalität hin überprüft werden müssen. (Bildquelle: Art Pini)

Das Testen der Sensorkomponenten eines VSDs gewährleistet den korrekten Betrieb der Sensoren für Motortemperatur, Drehzahl, Wellenposition, Drehmoment und Schwingungspegel. Die meisten Sensorausgänge sind analoge Signale mit einer geringen Signalbandbreite von weniger als 1 Megahertz (MHz). Einige analoge Sensoren, wie anisotrope magnetoresistive (AMR) Stromsensoren und Wellenpositionssensoren, verwenden Widerstandsbrücken und erfordern Differenzeingänge im Messgerät. Einige Sensoren, wie z. B. der Drehzahlmesser, können digital sein und benötigen einen oder mehrere digitale Eingänge zur Überwachung.

Multifunktionale I/O-Testmodule eignen sich gut für das Testen dieser Art von Sensoren und bieten analoge Spannungsbereiche, Bandbreiten und Abtastraten, die auf die analogen Sensorausgänge abgestimmt sind. Sie umfassen auch digitale I/O-Kanäle mit höheren Abtastraten als die zu prüfenden Datenraten.

Ähnliche Testanforderungen gibt es für Anwendungen in der Robotik, im Automobilbau und in der Industrie, wo jeweils mehrere Sensoren eingesetzt werden.

Multifunktionale I/O-Testgeräte

Die PXI-Bundles von NI bestehen aus einem PXI-Chassis mit fünf Steckplätzen und einem von zwei I/O-Multifunktionsmodulen von NI. Die PXI-Multifunktionsmodule bieten eine Mischung aus analoger I/O, digitaler I/O, Zähler-/Timer- und Triggerfunktionalität (Abbildung 2).

Abbildung 2: Ein Multifunktionales PXI-I/O-Bundle bietet ein eigenständiges automatisiertes Test- und Messsystem, das ein PXI-I/O-Multifunktionsmodul und vier offene Steckplätze für zusätzliche Instrumente umfasst. (Bildquelle: NI)

Das Chassis liefert Strom und eine interne Busstruktur, um alle Module über seine Busplatine zu verbinden. Der PXIe-Bus ermöglicht die Triggerung und Synchronisierung mehrerer Instrumente. PXIe ist eine Untergruppe von PXI, die eine serielle Highspeed-Schnittstelle anstelle des parallelen Datenbusses von PXI verwendet. Eine Thunderbolt-3-Schnittstelle bietet eine schnelle Schnittstelle über einen USB3.0-Anschluss zu einem Computer. Zwei USB3.0-Anschlüsse ermöglichen die Verkettung von mehreren PXIe-Chassis. Die vier freien Steckplätze können andere Instrumente wie Oszilloskope, Digitalmultimeter, Wellenformgeneratoren, Multiplexer, Quellenmessgeräte und Netzteile aufnehmen.

Das multifunktionale I/O-Bundle 867123-01 von NI besteht beispielsweise aus einem PXIe-1083-Chassis mit fünf Steckplätzen, einem I/O-Multifunktionsmodul PXIe-6345 und den dazugehörigen Kabeln. Alternativ dazu verwendet das Paket 867124-01 dasselbe Chassis und dieselbe Verkabelung, aber ein PXIe-6363-Modul mit Eingangsmassenanschlüssen an der Vorderseite (Abbildung 3).

Abbildung 3: Detailansicht des I/O-Multifunktionsmoduls PXIe-6363 mit den Eingangs-Massenanschlüssen auf der Vorderseite. (Bildquelle: NI)

Die beiden Produktpakete unterscheiden sich durch die Anzahl der analogen Eingangskanäle, die Anzahl der analogen Ausgangskanäle, die Anzahl der digitalen I/O-Kanäle und die maximale Abtastrate (in Kilosamples pro Sekunde (kS/s) und Megasamples pro Sekunde (MS/s)) (Tabelle 1).

Tabelle 1: Ein Vergleich der multifunktionalen I/O-Bundles PXIe-867123 und PXIe-867124. (Tabellenquelle: Art Pini)

Analoge Kanäle

Die internen Konfigurationen der analogen Eingangskanäle (AI) beider Pakete sind identisch. Ein einziger Analog/Digital-Wandler (ADC) wird für mehrere Eingangskanäle verwendet, wobei ein analoger Multiplexer (Mux) zur Sequenzierung der einzelnen Eingänge eingesetzt wird (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die Konfiguration der analogen Kanaleingänge umfasst einen Multiplexer, um die individuell konfigurierten Eingänge in einen einzigen ADC zu leiten. (Bildquelle: NI)

Die Eingangssignale werden über den I/O-Anschluss auf der Vorderseite angeschlossen. Darüber hinaus stehen der AI-Sense-Anschluss und die AI-Masse zur Verfügung, um genaue Referenzpegel für Messungen festzulegen. Der Multiplexer wählt einen der Analogeingänge aus; dies kann ein einzelner Kanal für Mehrfachmessungen oder mehrere Kanäle für sequenzielle Messungen sein. Der ausgewählte Kanal wird durch die Auswahl der Analogeingangskonfiguration geleitet. Es gibt drei Eingangskonfigurationen: differenziell, referenziert single-ended (RSE) oder nicht referenziert single-ended (NRSE). Bei der für potentialfreie Quellen empfohlenen Differenzschaltung werden zwei der verfügbaren Analogeingänge als invertierende und nichtinvertierende Differenzeingänge verwendet. Die Differenzeingänge sind nicht massebezogen und können an potentialfreie Quellen angeschlossen werden. Die differenzielle Eingangskonfiguration unterdrückt Gleichtaktstörungen.

Die RSE-Eingangskonfiguration verbindet den invertierenden Eingang (AI-) an einem einzigen Punkt mit der Masse, entweder an der AI-Masse für eine erdfreie Quelle oder an der Quellenmasse für eine geerdete Quelle.

Die NRSE-Konfiguration für eine potentialfreie Quelle verbindet den Eingang AI- mit dem Minuspol der Quelle und mit der AI-Sense-Leitung mit einer ohmschen Rückleitung zur AI-Masse. Bei einer massebezogenen Quelle ist der Anschluss AI- direkt mit der Masse der Quelle und mit der AI-Sense-Leitung verbunden.

Der konfigurierte Eingang wird an den Instrumentenverstärker mit programmierbarer Verstärkung (NI-PGIA) weitergeleitet, der das Eingangssignal verstärkt oder abschwächt, um es an den Eingangsspannungsbereich des ADC anzupassen. Es gibt sieben programmierbare Eingangsspannungsbereiche für die Analogsignale zwischen ±100 Millivolt (mV) und ±10 Volt. Der Eingangsbereich jedes Eingangssignalkanals ist individuell programmierbar, und die Verstärkung wird zusammen mit dem Eingangssignal geschaltet. NI-PGIA minimiert die Einschwingzeiten für alle Eingangsspannungsbereiche, um die Genauigkeit der Spannungsmessung zu maximieren.

Der ADC für beide Digitizer hat eine Amplitudenauflösung von 16 Bit. Das analoge Signal wird in 65.536 mögliche Stufen quantisiert. Dies bietet eine Auflösung von 320 Mikrovolt (μV) im ±10V-Bereich und 3,2 μV im ±100mV-Bereich.

Die digitalisierten Ausgangssignale des ADC werden im AI-FIFO-Speicher abgelegt.

Die Multifunktionsmodule verfügen auch über einen Analogausgang (AO). Je nach Modell gibt es entweder zwei oder vier Analogausgänge mit einem gemeinsamen Ausgangstakt (Abbildung 5).

Abbildung 5: In einer typischen analogen Ausgangsstufe enthält der AO-FIFO-Speicherpuffer die vom Host heruntergeladenen Werte für die Wellenform. (Bildquelle: NI)

Der AO-FIFO-Speicherpuffer enthält die vom Host-Computer heruntergeladenen Werte für die Wellenform. Da die Werte im FIFO gespeichert sind, können analoge Wellenformen ohne Computeranschluss ausgegeben werden. Die Taktleitung „AO Sample Clock“ taktet die Daten aus dem FIFO in die Digital/Analog-Wandler (DACs), die die digitalen Abtastwerte in eine analoge Spannung umwandeln. Die AO-Referenzauswahlleitung „AO Reference Select“ wird verwendet, um den analogen Ausgangsbereich zu ändern. Die AO-Referenzauswahl kann auf 10 oder 5 Volt eingestellt werden, oder es kann eine externe Referenz über die analoge PFI-Leitung (APFI) angelegt werden.

Digitale Kanäle

Digitale Kanäle umfassen sowohl Eingangs- als auch Ausgangsfunktionen zur Erfassung oder Erzeugung digitaler Signale auf einer gemeinsamen Leitung (Abbildung 6).

Abbildung 6: Bidirektionale digitale I/O-Leitungen (P0.x) können digitale Signale erfassen und erzeugen. (Bildquelle: NI)

Die P0.x-Leitungen arbeiten mit statischen oder Highspeed-Digitalleitungen als Ein- oder Ausgänge. Die Module der Serie PXIe-63xx verfügen außerdem über sechzehn PFI-Leitungen (Programmable Function Interface), die vom Benutzer als PFI-Schnittstelle oder als digitaler I/O-Kanal konfiguriert werden können. Als Eingang kann der PFI-Kanal eine externe Quelle für analoge Eingänge, analoge Ausgänge, digitale Eingänge, digitale Ausgänge oder Zähler-/Zeitgeberfunktionen weiterleiten. Als Ausgang können viele der analogen Eingangs-, analogen Ausgangs-, digitalen Eingangs-, digitalen Ausgangs- oder Zähler-/Zeitgeberfunktionen zu jeder PFI-Klemme geleitet werden.

Alle diese Leitungen akzeptieren logische High-Pegel zwischen 2,2 und 5,25 Volt und logische Low-Pegel von 0 bis 0,8 Volt. Die digitalen Leitungen werden mit bis zu 10 MHz getaktet.

Auf jeder digitalen Leitung befindet sich ein digitaler Filter, der zur Entprellung der digitalen Eingangssignale dient. Es gibt drei Filtereinstellungen, die auf der verwendeten Filtertaktfrequenz basieren: kurz, mittel oder hoch. Die kurze Einstellung garantiert, dass eine Impulsbreite von mehr als 160 Nanosekunden (ns) durchgelassen wird, die mittlere Einstellung lässt Impulsbreiten von 10,24 Mikrosekunden (μs) oder mehr durch, und die hohe Einstellung lässt Impulsbreiten von 5,12 Millisekunden (ms) oder mehr durch. Impulse, die schmaler sind als die Hälfte der durchgelassenen Impulsbreite, werden garantiert unterdrückt.

Um auf das Beispiel des VSD-Motors zurückzukommen, können die digitalen Eingänge zur Dekodierung der Wellenposition verwendet werden. Die Wellenposition kann an den digitalen Ausgängen eines optischen Encoders abgelesen werden. Der optische Encoder hat drei digitale Ausgänge: einen Indeximpuls pro Umdrehung und zwei Rechteckwellen mit einer Phasendifferenz von 90˚, die sogenannten Quadraturausgänge. Diese Quadraturausgänge werden allgemein als „A“ und „B“ bezeichnet. Durch Kombination des Indeximpulses mit den Quadraturausgängen kann die absolute Orientierung der Welle berechnet werden.

Zähler/Timer

Beide PXIe-Module enthalten vier universelle 32-Bit-Zähler/Timer-Stufen und eine Frequenzgeneratorstufe. Es gibt acht Signaleingangswege zu jeder Zähler/Timer-Stufe, und der Eingang des Zähler-Timers kann eines von vierzehn verfügbaren Signalen sein. Das gewählte Signal muss an den Taktgeber angelegt werden; es ist nicht vorgesehen, den Zähler/Timer-Eingang herunterzuzählen. Die Zähler/Timer können zum Zählen von Flanken, zum Messen von Frequenz oder Periode oder zum Messen von Impulsen wie Breite, Tastverhältnis oder der Zeit zwischen zwei Flanken verwendet werden.

Ein Beispiel für eine Zähler/Timer-Anwendung ist die Messung der Frequenz des Indeximpulses des optischen Encoders in der Abbildung des VSD-Motors. Die Frequenz kann skaliert werden, um die Motordrehzahl in Umdrehungen pro Minute abzulesen.

Der Frequenzgenerator- oder Zählerausgang kann einen einfachen Impuls, eine Impulsfolge, eine konstante Frequenz, eine Frequenzteilung oder einen äquivalenten Zeitabtastimpulsstrom (ETS) erzeugen.

Der ETS-Impulsstrom erzeugt einen Impulsausgang mit einer zunehmenden Verzögerung vom Zählertorimpuls. Dies kann das Abtast-Timing für sich wiederholende Wellenformen liefern, mit einer höheren Abtastrate für analoge Eingänge mit Frequenzen, die höher sind als die Nyquist-Frequenz des Digitalisierers.

Software-Unterstützung

Mehrere Softwarepakete unterstützen die I/O-Multifunktionsmodule. LabVIEW von NI bietet eine grafische Programmierumgebung, die die Datenerfassung, -verarbeitung und -analyse vereinfacht. Es ermöglicht auch die Erstellung interaktiver Benutzeroberflächen für Tests, Überwachung, Steuerung und Datenarchivierung.

Für Teams, die ihren eigenen Code generieren möchten, bietet NI Treiber an, die die Programmiersprache ihrer Wahl unterstützen, darunter Python, C, C++, C#, .NET und MATLAB.

NI bietet auch ein Softwarepaket namens FlexLogger an, das ohne Code auskommt. Mit FlexLogger können Testdaten mit integrierten Funktionen und anpassbaren Dashboards angezeigt, gespeichert und analysiert werden. Es bietet die Möglichkeit, Grenzwerte für Messwerte festzulegen und bei Überschreitung der Grenzwerte Alarm zu geben. FlexLogger ermöglicht es auch, die Visualisierungstools der Benutzeroberfläche durch Hinzufügen von Diagrammen, numerischen Anzeigen und Messgeräten anzupassen (Abbildung 7).

Abbildung 7: Das FlexLogger-Display zeigt die Messung der Vibrationen eines Motors mit Hilfe eines Beschleunigungsmessers und eines Tachometers, um eine mechanische Resonanz zu finden. (Bildquelle: NI)

Der Bildschirm zeigt im oberen Diagramm den skalierten Schwingungspegel in g über der Zeit an. Die Tachometeranzeige, die die Drehzahl in RPM (U/min) misst, wird als Messuhr in der unteren rechten Ecke angezeigt. Die schnelle Fourier-Transformation (FFT) (eines der verfügbaren Signalverarbeitungstools) der Schwingungsdaten zeigt im unteren Diagramm den Schwingungspegel im Vergleich zur Frequenz.

Fazit

Testsysteme müssen sich an die wechselnden Anforderungen von Anwendungen anpassen, die viele I/O benötigen. Das multifunktionale I/O-Bundle von NI kann die Grundlage für ein automatisiertes Mehrkanal-Testsystem bilden, das eine Kombination aus analogen und digitalen Ein- und Ausgangskanälen sowie mehreren Zählern/Timern bietet. In einem PXIe-Chassis mit zusätzlichen Steckplätzen für andere modulare Test- und Messinstrumente bietet es die nötige Skalierbarkeit für kostengünstige Tests.