Come accelerare la progettazione, la convalida e il test di un sistema di produzione utilizzando strumenti e software modulari

Sono necessari numerosi strumenti di test e misurazione (T&M) per la progettazione, la convalida e il collaudo di produzione di componenti e sistemi per applicazioni automotive, consumer, industriali, medicali e di altro tipo. Queste suite di strumenti T&M devono essere compatte e avere prestazioni elevate. Hanno bisogno di una bassa latenza e di un'elevata densità di canali e larghezza di banda. Inoltre, le esigenze di progettazione possono cambiare nel tempo, quindi la modularità è un grande vantaggio per rendere il sistema a prova di futuro. In molti casi, le attività di T&M comportano test ripetitivi o la collaborazione tra team geograficamente dispersi, per questo i test definiti da software sono una caratteristica auspicabile.

Una potenziale soluzione è data dall'uso di un gruppo di strumenti convenzionali. Tuttavia questo comporta alcune sfide, come i problemi legati all'integrazione nel sistema di dispositivi di diversi produttori, tra cui la presentazione di informazioni su più schermi, la compatibilità software, le masse di cavi e lo spazio necessario per numerosi strumenti discreti.

I progettisti di sistemi T&M possono invece rivolgersi a bundle di strumenti modulari ad alte prestazioni e altri moduli I/O con funzioni di sincronizzazione e software specializzati, che vanno dalla convalida dei dispositivi ai test di produzione automatizzati. Queste unità in bundle sono disponibili in un sistema di misura PXI Express compatto a cinque slot controllato da un computer portatile o desktop tramite una porta Thunderbolt USB-C.

Questo articolo inizia con una breve rassegna dei parametri di misura delle prestazioni dei sistemi di strumentazione modulare, comprese le categorie di strumentazione analogica. Presenta quindi un confronto delle prestazioni di vari bus per sistemi di strumenti modulari ed esamina le sfide legate all'aumento della risoluzione e alla riduzione delle latenze. Si conclude con la presentazione dei bundle PXI Programmable Power Supply (PPS) di NI, che comprendono moduli per multimetri digitali, misuratori LCR, oscilloscopi, I/O multifunzione, generatori di forme d'onda e unità di misura della sorgente, oltre a strumenti software per automatizzare il processo T&M.

Che tipo di misurazione è necessaria?

Il processo per determinare il tipo di strumento T&M necessario inizia con un paio di domande di base:

• Il segnale misurato è un ingresso, un'uscita o entrambi?
• La frequenza del segnale è in corrente continua (c.c.) o in corrente alternata (c.a.) e, se è in c.a., è in kilohertz (kHz), megahertz (MHz) o gigahertz (GHz)?

Le risposte a queste domande aiutano a determinare se lo strumento necessario è destinato ad applicazioni in c.c. e di potenza, analogiche a bassa velocità, analogiche ad alta velocità o a radiofrequenza (RF) e wireless (Tabella 1).

Tabella 1: Esistono diverse categorie di base di strumenti T&M in funzione delle caratteristiche di ingresso e uscita e dei livelli prestazionali. (Tabella per gentile concessione di NI)

Specifiche degli strumenti analogici

Dopo aver determinato il tipo generale di strumento necessario per un'operazione di misurazione, si passa a identificare gli specifici requisiti prestazionali, tra cui:

• Le basi del segnale includono la garanzia che: il campo di segnali sia sufficientemente ampio da acquisire i segnali richiesti, l'impedenza supporti il carico del dispositivo di prova (DUT) e i requisiti di frequenza della misurazione e l'isolamento da terra supporti i livelli richiesti di immunità al rumore e sicurezza.
• La larghezza di banda, in kHz, MHz o GHz, deve essere adeguata per gestire i segnali da misurare e il convertitore analogico/digitale (ADC) deve essere sufficientemente veloce, ad esempio chilocampioni al secondo (kS/s), megacampioni al secondo (MS/s) o gigacampioni al secondo (GS/s) per registrare le sfumature del segnale richieste.
• Anche la risoluzione e l'accuratezza sono considerazioni importanti. È necessario un livello di risoluzione a 8 bit, 24 bit o altro? Qual è il tasso di errore massimo tollerabile in termini di percentuale o di parti per milione? Inoltre, qual è la sensibilità richiesta in unità assolute come microvolt (µV) o nanovolt (nV)?

I vari tipi di strumenti T&M richiedono diversi intervalli di isolamento e impedenza di ingresso, specifiche di accoppiamento e filtraggio in ingresso, sensibilità degli amplificatori e risoluzione e precisione della misurazione, come mostrato nell'esempio del percorso ingresso-analogico dello strumento di misurazione (Tabella 2).

Tabella 2: Strumenti T&M diversi, come un DMM e un oscilloscopio, possono richiedere caratteristiche prestazionali molto diverse per una determinata misurazione. (Tabella per gentile concessione di NI)

Bus, larghezza di banda e latenza

Gli strumenti T&M devono essere collegati a un controller per formare un sistema di test. I requisiti di larghezza di banda del segnale e di latenza del bus di collegamento sono considerazioni importanti. La larghezza di banda misura la velocità di trasmissione dei dati, tipicamente in megabyte al secondo, mentre la latenza misura il ritardo nella trasmissione dei dati. I bus comunemente utilizzati presentano combinazioni molto diverse di larghezza di banda e latenza. Un altro fattore è la distanza di trasmissione supportata dal bus. Ad esempio, il bus di interfaccia generale (GPIB) e il bus seriale universale (USB) possono supportare livelli di latenza simili, ma USB offre una larghezza di banda superiore. Per contro, Gigabit Ethernet ha una larghezza di banda media e una latenza più elevata, ma può trasmettere su distanze molto più lunghe.

Quando si progettano sistemi T&M, si utilizzano spesso PCI e PCI Express. Sono destinati a collegamenti a corto raggio, fino a circa 1 metro, e forniscono un'elevata larghezza di banda e una bassa latenza (Figura 1). Una caratteristica importante di PCI Express è che fornisce una larghezza di banda dedicata per ogni dispositivo sul bus. Ciò fa di PCI Express il bus di interconnessione preferito per le applicazioni ad alte prestazioni e ad alta intensità di dati, come i sistemi T&M in tempo reale, dove è necessario integrare e sincronizzare il funzionamento di più strumenti.

Figura 1: PCI/PXI Express offre la combinazione più performante di risoluzione e latenza. (Immagine per gentile concessione di NI)

Pacchetti di strumenti T&M

I progettisti possono rivolgersi ai bundle PXI PPS di NI come base per sistemi T&M ad alte prestazioni. I moduli PXI PPS soddisfano le esigenze di alimentazione di base del DUT e possono essere ampliati con numerosi moduli T&M per supportare una serie di applicazioni di caratterizzazione dei dispositivi, convalida dei progetti e test di produzione. Il telaio fornisce fino a 58 W di potenza e raffreddamento per strumenti aggiuntivi, interconnessioni PXIe ad alte prestazioni e un collegamento Thunderbolt integrato verso un computer desktop o laptop, che funge da controller del sistema (Figura 2).

Figura 2: Un bundle PXI PPS di base comprende un controller, un modulo PPS e gli slot per altri quattro strumenti PXI. (Immagine per gentile concessione di NI)

I PPS possono essere utilizzati per fornire alimentazione programmabile a un DUT, controllando e monitorando i livelli di corrente e tensione per misurare il consumo energetico. Hanno due canali isolati da 60 W con rilevamento remoto per correggere le perdite nel cablaggio del sistema, con un'efficienza tipica del 78%. I canali includono anche disconnessioni dell'uscita che possono isolare il DUT quando non è sottoposto a test.

Esempi di bundle PXI PPS espandibili con 120 W di potenza per il DUT sono il modello 867117-01 con un PPS a due canali PXIe-4112 (come il modello 782857-01) che può erogare un massimo di 1 A a 60 V c.c. per canale e il modello 867118-01 con un PPS a due canali PXI2-4113 (come il modello 782857-02) che può erogare fino a 6 A a 10 V c.c. per canale (Figura 3).

Figura 3: I bundle PXI PPS sono disponibili con una scelta di alimentatori con uscite da 60 V c.c. (sinistra) o 10 V c.c. (destra). (Immagine per gentile concessione di NI)

Via allo sviluppo di un sistema T&M

NI offre ai progettisti una serie di bundle PXI per iniziare subito a sviluppare sistemi T&M. Gli esempi includono:

I bundle di generatori di forme d'onda PXI possono essere utilizzati per generare funzioni standard e forme d'onda arbitrarie definite dall'utente. I bundle di generatori di forme d'onda PXI presentano fino a due canali di uscita con larghezze di banda fino a 80 MHz, intervallo di uscita di ±12 V e frequenza di aggiornamento massima di 800 MS/s. Ad esempio, il modello 867119-01 include un generatore di funzioni arbitrarie da 20 MHz.

I bundle di oscilloscopi PXI dispongono di un massimo di otto canali che possono campionare a velocità fino a 5 GS/s con 1,5 GHz di larghezza di banda analogica. Il bundle 867010-01 comprende un modulo oscilloscopio da 60 MHz.

I bundle di unità di misura della sorgente (SMU) PXI, come il modello 867111-01, sono progettati per automatizzare le misurazioni e i test in corrente continua. Questi SMU sono caratterizzati da un funzionamento a quattro quadranti, intervalli fino a ±200 V e ±3 A e sensibilità fino a 100 fA. I bundle SMU PXI combinano la capacità di eseguire sweep ad alta potenza e misurazioni a bassa corrente.

I bundle LCR PXI, come il modello 867113-01, possono essere utilizzati per effettuare misurazioni di corrente continua e di impedenza combinando un misuratore LCR e un SMU in un unico strumento. Questo strumento fornisce misurazioni di corrente fA e di capacità femtofarad (fF) in un fattore di forma PXI a slot singolo.

I bundle DMM PXI supportano misurazioni DMM manuali, commutate e automatizzate con elevata precisione e risoluzione fino a 7,5 cifre. Un'elevata velocità di campionamento consente agli utenti di caratterizzare i transitori senza bisogno di un oscilloscopio. Gli utenti possono anche configurare i trigger per l'acquisizione e/o il sequenziamento. Ad esempio, il modello 867115-01 dispone di un display a 6,5 cifre.

I bundle di misuratori nanovolt PXI sono moduli di ingresso analogici ad alta risoluzione con risoluzione fino a 28 bit. Includono una modalità di taglio che utilizza una coppia di canali per fornire alti livelli di reiezione del rumore, che consente misure nV accurate e ripetibili e la media e il filtraggio del segnale su scheda, nonché la commutazione della misura con azzeramento automatico. Il modello 867125-01 dispone di 32 canali, risoluzione a 28 bit e campionamento a 2 MS/s.

I bundle I/O multifunzione PXI, come il modello 867124-01, offrono una combinazione di I/O analogici, I/O digitali, contatori/timer e funzioni di trigger. I bundle I/O multifunzione PXI dispongono di un massimo di quattro canali di uscita analogici, 48 canali digitali bidirezionali, 80 canali di ingresso analogici e una frequenza di campionamento di 2 MS/s.

Il software definisce il sistema

Oltre ai moduli hardware completi, NI offre ai progettisti di sistemi T&M una scelta di ambienti di sviluppo software, tra cui InstrumentStudio e LabVIEW.

Incluso negli strumenti PXI di NI, InstrumentStudio offre agli ingegneri un comune ambiente software senza codice per il monitoraggio e il debug dei sistemi di test automatizzati. Inoltre, gli utenti possono creare schermate che presentano i dati di più strumenti contemporaneamente (Figura 4). Con questi strumenti gli utenti possono acquisire schermate e risultati di misurazione e salvare le configurazioni a livello di progetto per i DUT che possono essere riutilizzate o condivise con altri sviluppatori.

Figura 4: InstrumentStudio può presentare i dati provenienti da più strumenti su un'unica schermata. Ad esempio, da un oscilloscopio (pannello grande a sinistra), da un DMM (pannello alto a destra) e da un generatore di funzioni (pannello basso a destra). (Immagine per gentile concessione di NI)

LabVIEW è l'ambiente di sviluppo di test definiti da software di NI. Grazie all'interfaccia grafica utente (GUI), gli ingegneri possono sviluppare rapidamente sistemi di test automatizzati per la ricerca, la convalida e la produzione. Al livello di base, l'approccio grafico di LabVIEW consente ai non programmatori di trascinare e rilasciare rappresentazioni virtuali degli strumenti per costruire programmi T&M, creare interfacce utente interattive e salvare i dati in file binari .cvs, .tdms o personalizzati.

I programmatori più esperti possono usufruire dei driver disponibili per Python, C, C++, C#, .NET e MATLAB. NI offre anche un bundle di strumenti software per lo sviluppo di ambienti T&M completi, tra cui:

• TestStand per la creazione di sequenze di test automatizzate
• G Web, software di sviluppo per la creazione di applicazioni web
• DIAdem per l'analisi interattiva dei dati
• FlexLogger per l'acquisizione e la registrazione dei dati T&M

Conclusione

La creazione di ambienti di test definiti da software per la progettazione, la convalida e il collaudo in produzione di componenti e sistemi richiede l'uso di diversi strumenti T&M. Invece di utilizzare strumenti di più fornitori con i relativi requisiti di connettività, costo e spazio, gli ingegneri possono rivolgersi ai bundle di strumenti di NI per produrre sistemi di test compatti, flessibili e ad alte prestazioni. NI offre anche una scelta di ambienti software per accelerare lo sviluppo.

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