Implementazione di un sistema di test automatizzato compatto e flessibile con bundle I/O PXI multifunzione

L'implementazione di un sistema di test automatizzato multifunzione per la convalida di un progetto, il test dei componenti e il test di produzione di sistemi elettronici industriali, consumer, automotive, medici e di altro tipo richiede una serie di strumenti di test e misurazione. Inoltre, il gran numero di sensori utilizzati nei progetti moderni richiede più canali analogici e digitali e il banco di prova deve essere facile ed economico da scalare.

Soddisfare questi requisiti può essere impegnativo utilizzando apparecchiature di test autonome. I progettisti possono invece optare per un approccio modulare utilizzando un fattore di forma standardizzato come PCI eXtensions for Instrumentation (PXI). Ciò offre flessibilità e aumenta la produttività per un ambiente di test in rapida evoluzione, multifunzione e multicanale, mantenendo i costi al minimo.

Questo articolo fornisce una breve introduzione a PXI e utilizza una configurazione di test di esempio per evidenziarne i vantaggi. Presenta quini i bundle I/O multifunzione PXI di NI e ne illustra la configurazione.

Perché usare PXI?

Più i banchi di prova si fanno complessi, più l'uso di apparecchiature autonome comporta l'uso di schermi multipli, pannelli, cavi di linea e interfacce per i computer degli strumenti. Questo porta a confusione e a errori che allungano i tempi dei test e riducono la produttività. Inoltre, l'aggiornamento o la riconfigurazione dei sistemi di test "rack-and-stack" per aggiungere più funzioni come altri canali può essere difficile e costoso. Gli strumenti monofunzione richiedono la sostituzione dell'intero strumento per cambiare la funzionalità e le relative operazioni di comunicazione, sincronizzazione e riprogrammazione complicano la questione.

Gli strumenti PXI offrono le funzionalità necessarie in un fattore di forma standard e compatto. In questo scenario, più strumenti, come i canali di ingresso/uscita (I/O) analogici e digitali, si affiancano in un telaio comune. PXI semplifica anche l'aggiunta e l'integrazione di strumenti più complessi come oscilloscopi, multimetri e generatori di segnale. Gli strumenti comunicano internamente con una struttura di bus comune, assicurando un funzionamento sincrono, mentre un PC con un software di unificazione consente di controllare tutti gli strumenti da uno schermo comune.

Uno scenario di test comune

Un esempio che dimostra il tipo di misurazioni che può gestire un modulo I/O multifunzione comprende un azionamento a velocità variabile (VSD) in un sistema di controllo del movimento intelligente che richiede diversi tipi di sensori (Figura 1).

Figura 1: Un VSD utilizza più sensori analogici e digitali che devono essere testati e verificati nella loro funzionalità. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

Il test dei componenti dei sensori di un VSD assicura il corretto funzionamento dei sensori di temperatura, velocità di rotazione, posizione dell'albero, coppia e livello di vibrazioni del motore. La maggior parte delle uscite dei sensori è un segnale analogico con una larghezza di banda inferiore a 1 MHz. Alcuni sensori analogici, come i sensori di corrente a magnetoresistenza anisotropa (AMR) e i sensori di posizione dell'albero, utilizzano ponti resistivi e richiedono ingressi differenziali nello strumento di misurazione. Alcuni sensori, come un tachimetro, possono essere digitali e richiedono uno o più ingressi digitali per il monitoraggio.

I moduli di test I/O multifunzione sono adatti a testare questi tipi di sensori, in quanto offrono intervalli di tensione analogica, larghezze di banda e frequenze di campionamento adeguate alle uscite analogiche del sensore. Includono anche canali I/O digitali con velocità di campionamento superiori alle velocità di trasmissione dati da testare.

Esistono requisiti di prova simili per le applicazioni nella robotica, nel settore automotive e negli ambienti industriali, dove vengono utilizzati più sensori per ogni applicazione.

Il bundle di test I/O multifunzione

I bundle PXI di NI consistono in un telaio PXI a cinque slot e in uno dei due moduli I/O multifunzione di NI. I moduli I/O multifunzione PXI forniscono un mix di funzionalità I/O analogica, I/O digitale, contatore/timer e trigger (Figura 2).

Figura 2: Un bundle I/O multifunzione PXI è un sistema di test e misurazione automatizzato autonomo, comprendente un modulo I/O PXI multifunzione e quattro slot aperti per strumenti aggiuntivi. (Immagine per gentile concessione di NI)

Il telaio fornisce l'alimentazione e una struttura bus interna per collegare tutti i moduli tramite il backplane. Il bus PXIe consente l'attivazione e la sincronizzazione di più strumenti. PXIe è un sottoinsieme di PXI che utilizza un'interfaccia seriale ad alta velocità al posto del bus dati parallelo di PXI. Thunderbolt 3 fornisce un'interfaccia veloce tramite un connettore USB 3.0 a un computer. Due connettori USB 3.0 consentono il collegamento in cascata di più telai PXIe. I quattro slot aperti possono ospitare altri strumenti come oscilloscopi, multimetri digitali, generatori di forme d'onda, commutatori multiplexer, unità di misurazione della sorgente e alimentatori.

Ad esempio, il bundle I/O multifunzione 867123-01 di NI consiste in un telaio PXIe-1083 a cinque slot, un modulo I/O multifunzione PXIe-6345 e i cavi associati. In alternativa, il bundle 867124-01 utilizza lo stesso telaio e cablaggio, ma impiega un modulo PXIe-6363 con connettori di terminazione di massa in ingresso sul pannello frontale (Figura 3).

Figura 3: Una vista dettagliata del modulo I/O multifunzione PXIe-6363 include i connettori di terminazione di massa in ingresso sul pannello frontale. (Immagine per gentile concessione di NI)

I due bundle di prodotti si differenziano per il numero di canali di ingresso analogici, il numero di canali di uscita analogici, il numero di canali I/O digitali e la frequenza di campionamento massima in ksps e Msps (Tabella 1).

Tabella 1: Confronto tra i bundle I/O multifunzione PXIe-867123 e PXIe-867124. (Tabella per gentile concessione di Art Pini)

Canali analogici

Le configurazioni interne dei canali di ingresso analogico (AI) di entrambi i bundle sono identiche. Un singolo convertitore analogico/digitale (ADC) è condiviso su più canali di ingresso utilizzando un multiplexer analogico (Mux) per sequenziare ciascun ingresso (Figura 4).

Figura 4: La configurazione degli ingressi dei canali analogici comprende un Mux per instradare gli ingressi configurati singolarmente in un unico ADC. (Immagine per gentile concessione di NI)

I segnali di ingresso sono collegati tramite il connettore I/O del pannello frontale. Inoltre, per stabilire livelli di riferimento precisi per le misurazioni, sono disponibili anche la connessione di rilevamento AI e la massa AI. Il mux seleziona uno degli ingressi analogici; può trattarsi di un singolo canale per misurazioni multiple o di più canali per misurazioni sequenziali. Il canale selezionato viene instradato attraverso la selezione della configurazione degli ingressi analogici. Sono disponibili tre configurazioni di ingresso: differenziale, sbilanciato referenziato (RSE) o sbilanciato non referenziato (NRSE). Il collegamento differenziale, consigliato per le sorgenti flottanti, utilizza due degli ingressi analogici disponibili come ingressi differenziali invertenti e non invertenti. Gli ingressi differenziali non sono riferiti a massa e possono essere collegati a sorgenti flottanti. La configurazione dell'ingresso differenziale sopprime il rumore di modo comune.

La configurazione dell'ingresso RSE collega l'ingresso invertente (AI-) alla massa in un unico punto, o alla massa AI per una sorgente flottante, o alla massa della sorgente per una sorgente a massa.

La configurazione NRSE per una sorgente flottante collega l'ingresso AI- al terminale negativo della sorgente e alla linea di rilevamento AI con un ritorno resistivo alla massa AI. Per una sorgente con riferimento a massa, il terminale AI- si collega direttamente alla massa della sorgente e alla linea di rilevamento AI.

L'ingresso configurato viene indirizzato all'amplificatore strumentale a guadagno programmabile NI (NI-PGIA), che amplifica o attenua il segnale in ingresso per adattarlo all'intervallo di tensione di ingresso dell'ADC. Sono disponibili sette intervalli di tensione di ingresso programmabili per i segnali analogici, compresi tra ±100 mV e ±10 V. L'intervallo di ingresso di ciascun canale del segnale di ingresso è programmabile individualmente e il guadagno viene commutato insieme al segnale di ingresso. NI-PGIA riduce al minimo i tempi di assestamento per tutti gli intervalli di tensione di ingresso per massimizzare l'accuratezza della misurazione di tensione.

L'ADC per entrambi i digitalizzatori ha una risoluzione di ampiezza di 16 bit. Il segnale analogico viene quantizzato in 65.536 livelli possibili. Ciò fornisce una risoluzione di 320 µV nell'intervallo ±10 V e di 3,2 µV nell'intervallo ±100 mV.

Le uscite digitalizzate dell'ADC sono memorizzate nella memoria AI FIFO.

I moduli multifunzione dispongono anche di un'uscita analogica (AO). Le uscite analogiche sono due o quattro, a seconda del modello, con un clock di uscita comune (Figura 5).

Figura 5: In un tipico stadio di uscita analogico, il buffer di memoria AO FIFO contiene i valori di campionamento della forma d'onda scaricati dall'host. (Immagine per gentile concessione di NI)

Il buffer di memoria AO FIFO contiene i valori di campionamento della forma d'onda scaricati dal computer host. La memorizzazione dei campioni in FIFO consente l'emissione di forme d'onda analogiche senza la connessione al computer. Il clock di campionamento AO sincronizza i dati FIFO ai convertitori digitale/analogico (DAC) che convertono i valori digitali del campione in una tensione analogica. La selezione del riferimento AO serve per modificare l'intervallo di uscita analogico. La selezione del riferimento AO può essere impostata su 10 o 5 V, oppure è possibile applicare un riferimento esterno tramite il PFI analogico (APFI).

Canali digitali

I canali digitali comprendono funzionalità di ingresso e di uscita per acquisire o generare segnali digitali su una linea comune (Figura 6).

Figura 6: Le linee I/O digitali bidirezionali (P0.x) possono acquisire e generare segnali digitali. (Immagine per gentile concessione di NI)

Le linee P0.x funzionano con linee digitali statiche o ad alta velocità come ingressi o uscite. I moduli serie PXIe-63xx hanno anche sedici linee PFI (interfaccia funzionale programmabile) che possono essere configurate dall'utente come interfaccia PFI o canale I/O digitale. Come ingresso, il canale PFI può indirizzare una sorgente esterna per funzioni di ingresso analogico, uscita analogica, ingresso digitale, uscita digitale o contatore/timer. Come uscita, molte delle funzioni di ingresso analogico, uscita analogica, ingresso digitale, uscita digitale o contatore/timer possono essere indirizzate a ciascun terminale PFI.

Tutte queste linee accettano livelli logici alti compresi tra 2,2 e 5,25 V e livelli logici bassi compresi tra 0 e 0,8 V. Le linee digitali sono temporizzate fino a 10 MHz.

Su ogni linea digitale è presente un filtro digitale utilizzato per l'antirimbalzo dei segnali di ingresso digitali. Esistono tre impostazioni del filtro in base alla frequenza di clock utilizzata: breve, media o alta. L'impostazione breve garantisce il passaggio di un impulso di larghezza superiore a 160 ns, l'impostazione media il passaggio di impulsi di larghezza pari o superiore a 10,24 µs e l'impostazione alta il passaggio di impulsi di larghezza pari o superiore a 5,12 ms. Gli impulsi di larghezza inferiore alla metà dell'ampiezza dell'impulso passato vengono soppressi.

Tornando all'esempio del motore VSD, gli ingressi digitali possono essere utilizzati per decodificare la posizione dell'albero. La posizione dell'albero può essere letta dalle uscite digitali di un encoder ottico. L'encoder ottico ha tre uscite digitali: un impulso di indicizzazione singolo per rivoluzione e due onde quadre con una differenza di fase di 90°, chiamate uscite in quadratura. Queste uscite in quadratura sono generalmente denominate "A" e "B". Combinando l'impulso di indicizzazione alle uscite in quadratura, si possono calcolare l'orientamento assoluto dell'albero e il senso di rotazione.

Contatori/timer

Entrambi i moduli PXIe includono quattro stadi contatore/timer generici a 32 bit e uno stadio generatore di frequenza. Vi sono otto percorsi di ingresso del segnale per ogni stadio contatore/timer e l'ingresso del contatore/timer può essere uno qualsiasi dei quattordici segnali disponibili. Il segnale selezionato deve essere applicato al clock; non è previsto il conto alla rovescia dell'ingresso del contatore/timer. I contatori/timer possono essere utilizzati per contare i fronti, misurare la frequenza o il periodo o effettuare misurazioni di impulsi come la larghezza, il ciclo di lavoro o il tempo tra due fronti.

Un esempio di applicazione del contatore/timer è la misurazione della frequenza dell'impulso di indicizzazione dell'encoder ottico nell'illustrazione del motore VSD. La frequenza può essere scalata per leggere la velocità di rotazione del motore in giri al minuto.

L'uscita del generatore o del contatore di frequenza può generare un impulso semplice, un treno di impulsi, una frequenza costante, una divisione di frequenza o un flusso di impulsi a campionamento temporale equivalente (ETS).

Il flusso di impulsi ETS produce un'uscita impulsiva con un ritardo crescente rispetto all'impulso del gate contatore. In questo modo si possono ottenere tempi di campionamento per forme d'onda ripetitive, con una frequenza di campionamento più elevata per gli ingressi analogici con frequenze superiori alla frequenza di Nyquist del digitalizzatore.

Supporto software

Diversi bundle software supportano i moduli I/O multifunzione. LabVIEW di NI è un ambiente di programmazione grafica che semplifica l'acquisizione, l'elaborazione e l'analisi dei dati. Consente inoltre di creare interfacce utente interattive a scopo di test, monitoraggio, controllo e archiviazione dei dati.

Per gli utenti che desiderano generare codice proprio, NI fornisce driver che supportano il linguaggio di programmazione preferito, tra cui Python, C, C++, C#, .NET e MATLAB.

NI offre anche un bundle software senza codice chiamato FlexLogger. Con FlexLogger, gli utenti possono visualizzare, salvare e analizzare i dati dei test con strumenti di elaborazione integrati e dashboard personalizzabili. È in grado di impostare limiti sui valori misurati e di avvisare in caso di condizioni fuori limite. FlexLogger consente inoltre di personalizzare gli strumenti di visualizzazione dell'interfaccia utente aggiungendo grafici, indicatori numerici e contatori (Figura 7).

Figura 7: Il display di FlexLogger mostra la misurazione delle vibrazioni di un motore utilizzando un accelerometro e un tachimetro per individuare una risonanza meccanica. (Immagine per gentile concessione di NI)

La schermata mostra il livello di vibrazione scalato in g rispetto al tempo nel grafico superiore. La lettura del tachimetro, che misura la velocità di rotazione in giri al minuto, è mostrata come un indicatore a quadrante nell'angolo in basso a destra. La trasformata di Fourier veloce (FFT) (uno degli strumenti di elaborazione del segnale disponibili) dei dati di vibrazione mostra il livello di vibrazione rispetto alla frequenza nel grafico inferiore.

Conclusione

I sistemi di collaudo devono adattarsi ai mutevoli requisiti delle applicazioni che richiedono molti I/O. Il bundle I/O multifunzione di NI può fungere da base per un sistema di test automatizzato multicanale che offre una combinazione di canali di ingresso e uscita analogici e digitali e di contatori/timer multipli. Confezionato in un telaio PXIe con slot aggiuntivi per altri strumenti di test e misurazione modulari, offre agli utenti la scalabilità necessaria per eseguire i test in modo economico.