כיצד להאיץ בדיקת תכנון, תיקוף, וייצור מערכת תוך שימוש במכשירים מודולריים ותוכנה

דרושים מכשירי בדיקה ומדידה (T&M) רבים כשמתכננים, מתקפים ובודקים לאחר ייצור רכיבים ומערכות עבור יישומי רכב, צרכנים, תעשיה, רפואה ואחרים. סטים אלה של מכשירי T&M חייבים להיות קומפקטיים ובעלי ביצועים עיליים. הם חייבים להיות בעלי שיהוי נמוך, צפיפות ערוצים ורוחב פס גבוהים. נוסף לכך, דרישות תכנון יכולות להשתנות עם הזמן, כך שמודולריות היא יתרון גדול עבור עמידה במבחן הזמן של המערכת.‏ במקרים רבים, פעילויות T&M אלו כרוכות בבדיקות חוזרות ונשנות, או שיתוף פעולה בין צוותים מפוזרים גאוגרפית, דבר העושה בדיקות מוגדרות-תוכנה ‏לחלק נחשק ביותר.

השימוש בקבוצת מכשירים‏ קונבנציונליים הוא פתרון פוטנציאלי. עם זאת, סוגיות עם אינטגרציית מערכת של התקנים מיצרנים שונים, כולל אינפורמציה מוצגת על מסכים מרובים, תאימות תוכנה, מספר גדול של כבלים והמקום הדרוש עבור מספר מכשירים בדידים, יכולות להיות מאתגרות.

במקום זה, מתכנני מערכות T&M יכולים לפנות אל חבילות של מכשירים מודולריים ביצועים-עיליים ומודולי I/O אחרים עם סנכרון מיוחד ומאפייני תוכנה חשובים, החל מתיקוף התקן עד בדיקת ייצור אוטומטית. יחידות ארוזות יחד אלו זמינות במערכת מדידה ‏PXI Express בעלת חמישה-חריצים, קומפקטית, מבוקרת באמצעות מחשב נייד או שולחני דרך נקודת-חיבור Thunderbolt USB-C‏ .

מאמר זה מתחיל בסקירה קצרה של מדדי ביצוע של מערכות מכשור מודולריות, כולל קטגוריות של מכשור אנלוגי. אחר כך הוא מציג‏ השוואת ביצועים של אפיקי נתונים שונים עבור מערכות מכשור מודולריות ומסתכל על האתגרים הקשורים בהגדלת רזולוציה והקטנת זמני שיהוי. המאמר מסיים בהצגת חבילות ספקי-כוח ניתנים לתכנות ‏(PPS) ‏PXI מבית NI‏, כולל מודולים עבור רבי-מודד דגיטליים, מודדי LCR, אוסצילוסקופים, I/O מרובה-פונקציות, מחוללי צורות-גל ויחידות מיקור ומדידה (SMUs), יחד עם כלי תוכנה עבור אוטומציה של תהליך ה-T&M.

איזה סוג של מדידות נחוצות?

התהליך לקביעת סוג מכשיר ה-T&M הנחוץ מתחיל עם מספר שאלות בסיסיות:

• האם האות הנמדד הוא אות כניסה, אות יציאה או שניהם?
• האם תדר האות הוא זרם ישר (DC) או זרם חילופין (AC), ואם הוא AC, האם הוא בתחום הקילו-הרץ (kHz), מגה-הרץ (MHz‏) או גיגה-הרץ (GHz‏)?

התשובות לשאלות אלו עוזרות לקבוע אם המכשיר הנדרש הוא עבור DC ואספקת-כוח, אנלוגי מהירות-נמוכה, אנלוגי מהירות-גבוהה, או תדר רדיו (RF) ויישומים אלחוטיים (טבלה 1‏).

טבלה 1‏: ישנן מספר קטגוריות בסיסיות של מכשירי T&M המבוססות על מאפייני כניסה ויציאה ורמות ביצוע. (מקור טבלה: NI)

מפרטי מכשירים אנלוגיים

לאחר קביעת סוג המכשיר הכללי הדרוש עבור משימת מדידה, מגיע הזמן לזהות את דרישות הביצועים הספציפיות, כולל:

• מאפייני יסוד של האותות כוללים הבטחה ש: תחום האותות גדול מספיק ללכידת האותות הדרושים, העכבה תומכת בהעמסה של ההתקן תחת בדיקה (DUT) ודרישות התדר של המדידות, והבידוד הגלווני מארקה תומך ברמות חסינות הרעש והבטיחות הדרושות.
• רוחב-פס, ב-kHz‏‏, MHz‏ או GHz‏‏, חייב להיות מספיק גדול כדי לטפל באותות הנמדדים, והממיר האנלוגי-לדיגיטלי (ADC) חייב להיות מהיר מספיק במונחים של דגימות לשנייה, כגון קילו-דגימות לשנייה (kS/s‏), מגה-דגימות לשנייה (MS/s‏) או גיגה-דגימות לשנייה (GS/s), כדי ללכוד את הניואנסים הדרושים של האות.
• רזולוציה ודיוק הם גם כן שיקולים חשובים. האם דרושה 8‎-bit,‏ ‎24-bit או רמה אחרת של רזולוציה? מהו שיעור השגיאה המקסימלי במונחים של אחוז או חלקים למיליון שאפשר לסבול? נוסף לכך, מה הרגישות הדרושה ביחידות אבסולוטיות כמו מיקרו-וולט (µV‏) או ננו-וולט (nV‏)?

סוגים שונים של מכשירי T&M דורשים תחומי בידוד גלווני כניסה ועכבה שונים, מפרטי צימוד כניסה וסינון, רגישויות מגבר ורזולוציית מדידות ודיוק, כמתואר בדוגמת מסלול הכניסה האנלוגית של מכשיר המדידה (טבלה 2‏).

טבלה 2: מכשירי T&M שונים, כמו DMM ואוסצילוסקופ, יכולים להידרש למאפייני ביצועים שונים בהרבה עבור מדידה נתונה. (מקור טבלה: NI)

אפיקי נתונים, רוחב-פס ושיהוי (Latency‏)

מכשירי ה-T&M חייבים להיות מחוברים אל‏ בקר כדי ליצור מערכת‏ בדיקה. הדרישות לרוחב-פס אות ושיהוי של האפיק המחבר מהווים שיקול חשוב. רוחב-הפס מודד את המהירות בה נתונים משודרים, בדרך כלל במגה-בייט לשנייה, בעוד שיהוי (Latency‏) מודד את ההשהיה של הנתונים המשודרים. אפיקים המשמשים בדרך כלל הם בעלי צרופי רוחב-פס ושיהוי שונים במידה רבה. גורם נוסף הוא מרחק השידור בו האפיק תומך. לדוגמה, אפיק הממשק למטרה כללית (GPIB) והאפיק הטורי האוניברסלי (USB‏) יכולים לתמוך ברמות דומות של שיהוי, אך USB‏ מציע רוחב-פס גבוה יותר. בנוסף, Gigabit Ethernet הוא בעל רוחב-פס בינוני ושיהוי גבוה יותר אך יכול לשדר לאורך מרחקים ארוכים הרבה יותר.

כשמתכננים מערכות T&M, משתמשים לרוב ב-‎PCI ו-PCI Express. הם מתוכננים עבור קישורי טווח-קטן, עד בערך 1 מטר (m), ומספקים רוחב-פס גבוה ושיהוי נמוך (איור 1‏). מאפיין חשוב של PCI Express הוא שהוא מספק רוחב-פס ייעודי עבור כל התקן על האפיק. זה הופך את PCI Express לאפיק החברור המועדף עבור יישומים עתירי נתונים וביצועים-עיליים כמו מערכות T&M זמן-אמת, בהן יש צורך לשלב ולסנכרן את הפעולות של מכשירים מרובים.

איור 1‏: ‏PCI/PXI Express מציע את שילוב הביצועים הגבוהים ביותר של רזולוציה ושיהוי. (מקור תמונה: NI)

חבילות מכשור T&M

מתכננים יכולים לפנות אל חבילות ה-PXI PPS‏ מבית NI‏ כבסיס עבור מערכות T&M ביצועים-עיליים. מודולי ה-PXI PPS‏ מספקים את צורכי אספקת-הכוח הבסיסיים של ה-DUT וניתנים להרחבה על ידי מודולי T&M רבים כדי לתמוך במגוון אפיוני התקנים, תיקוף תכנון ויישומי בדיקת ייצור. השלדה מספקת עד 58 ואט של הספק וקירור עבור מכשירים נוספים, חיברורי PXIe ביצועים-עיליים וקישור Thunderbolt משולב עבור חיבור עם מחשב נייד או שולחני חיצוני, שפועל כבקר המערכת (איור 2‏).

איור 2‏: חבילת PXI PPS בסיסית כוללת‏ בקר, מודול‏ PPS‏ וחריצים עבור ארבעה מכשירי PXI נוספים. (מקור תמונה: NI)

ספקי ה-PPS יכולים לשמש לאספקת-כוח ניתנת-לתכנות ל-DUT תוך כדי בקרה וניטור רמות הזרם והמתח כדי למדוד צריכת הספק. הם בעלי שני ערוצי 60 ואט‏ מבודדים עם חישה מרחוק כדי לפצות עבור הפסדים בחיווט המערכת, עם נצילות אופיינית של 78%. הערוצים כוללים גם מנתקי יציאה שיכולים לבודד את ה-DUT כשאינו נבדק.

דוגמאות של חבילות PXI PPS‏ ניתנות להרחבה עם 120 ואט הספק עבור ה-DUT כוללות את ה-867117-01 עם PPS שני-ערוצים‏ PXIe-4112 (כמו דגם 782857-01) היכול לספק זרם מקסימלי של 1 אמפר (A‏) ב-60 וולט DC‏ לערוץ, וה-867118-01 עם PPS שני-ערוצים‏ PXI2-4113 (כמו דגם 782857-02) היכול לספק עד A‏ 6‏ ב-‏10 וולט DC‏ לערוץ (איור 3‏).

איור 3‏: חבילות PXI PPS‏ זמינות עם‏ מבחר ספקי-כוח בעלי יציאות של 60 וולט DC‏ (שמאל) או ‏10 וולט DC‏ (ימין). (מקור תמונה: NI)

צעדים ראשונים בפיתוח מערכות T&M

NI מציעה למתכננים מגוון חבילות PXI כדי להתניע את מאמצי הפיתוח שלהם של מערכת T&M. הדוגמאות כוללות:

חבילות מחוללי צורות-גל PXI הניתנות לשימוש כמחוללי פונקציות סטנדרטיות וצורות-גל שרירותיות, מוגדרות-משתמש. חבילות מחוללי צורות-גל PXI כוללות עד שני ערוצי יציאה עם רוחבי-פס של עד ‎80 MHz, תחום יציאה של ±12 וולט וקצב דגימה מקסימלי של MS/s‏ 800‏. לדוגמה, ה-867119-01 כולל ‏מחולל פונקציות שרירותיות של MHz‏ 20‏.

חבילות אוסצילוסקופ PXI כוללות עד שמונה ערוצים היכולים לדגום במהירויות של עד ‏‎5 GS/s עם רוחב-פס אנלוגי של GHz‏ 1.5‏. חבילת 867010-01 כוללת ‏מודול אוסצילוסקופ של MHz‏ 60‏.

חבילות יחידת מיקור ומדידה (SMU)‏ PXI, כמו ה-867111-01, מתוכננות עבור הפיכת מדידות ובדיקות DC לאוטומטיות. יחידות ה-SMU כוללות four-quadrant operation, מספקות עד ±200 וולט ו-‏3‎ A±‏, ורגישות עד כדי ‎100 פמטו-אמפר‏ (fA‏). חבילות PXI SMU משלבות את היכולת לבצע מעברים מהירים בהספק גבוה ומדידות זרם-נמוך.

חבילות PXI LCR כמו ה-867113-01 יכולות לשמש לביצוע מדידות DC‏ ועכבה על ידי שילוב מודד‏ LCR ו-SMU במכשיר אחד. מכשיר זה מספק מדידות זרם fA‏ וקיבוליות פמטו-פאראד (fF‏) בגורם צורה PXI של חריץ-יחיד.

חבילות PXI DMM תומכות במדידות DMM ידניות, ממותגות ואוטומטיות בדיוק גבוה ורזולוציה של עד 7.5 ספרות. מהירות דגימה‏ גבוהה מאפשרת למשתמשים לאפיין טרנזיינטים ללא הצורך באוסצילוסקופ. משתמשים יכולים גם להגדיר טריגרים עבור איסוף ו/או תזמון רצף. לדוגמה, ה-867115-01 כולל תצוגה של‏ 6.5-ספרות.

חבילות מודד ננו-וולט PXI הן מודולי כניסה אנלוגיים רזולוציה-גבוהה עם רזולוציה של עד 28‎-bit. הן כוללות אופן עבודה של‏ קיצוץ, המשתמש‏ בזוג ערוצים כדי לספק רמות גבוהות של דחיית רעש, שמאפשר מדידות nV‏ מדויקות וחוזרות ומיצוע וסינון אותות על הלוח, כמו גם מעבר למדידת אפס אוטומטי (auto-zero measurement switching). דגם 867125-01 כולל 32 ערוצים, רזולוציה של ‎-bit‏28‏ ודגימה של 2‎ MS/s.

חבילות PXI Multifunction I/O, כמו ה-867124-01, מספקות‏ תמהיל של I/O אנלוגי, I/O דיגיטלי, מונה/קוצב-זמן ופונקציות טריגר. חבילות ה-PXI Multifunction I/O כוללות עד ארבעה ערוצי יציאה אנלוגיים, 48 ערוצים דיגיטליים דו-כיווניים, 80 ערוצי כניסה אנלוגיים וקצב דגימה של 2‎ MS/s‏.

תוכנה מגדירה את המערכת

בנוסף למודולי חומרה מקיפים, NI‏ מציעה למתכנני מערכת ‏T&M מבחר סביבות פיתוח תוכנה, כולל InstrumentStudio ו-LabVIEW‏.

כלולה עם מכשירי NI PXI, ‏InstrumentStudio נותנת למהנדסי בדיקה סביבת תוכנה לא-קוד יחידה לנטר ולנפות שגיאות של מערכות בדיקה אוטומטיות. נוסף לכך, משתמשים יכולים ליצור מסכים המציגים נתונים ממכשירים מרובים בו-זמנית (איור 4‏). כלים מאפשרים למשתמשים ללכוד צילומי-מסך ותוצאות מדידות ולשמור תצורות ברמת פרויקט עבור התקני DUT הניתנות לשימוש חוזר או לשיתוף עם מפתחים אחרים.

איור 4‏: InstrumentStudio יכולה להציג נתונים ממכשירים מרובים על מסך אחד. לדוגמה, מאוסצילוסקופ (חלונית גדולה שמאלית), רב-מודד דיגיטלי (DMM) (חלונית ימנית עליונה) ומחולל פונקציות (חלונית ימנית תחתונה). (מקור תמונה: NI)

LabVIEW‏ היא סביבת פיתוח בדיקה מוגדרת-תוכנה של NI‏. עם ממשק המשתמש הגרפי שלה (GUI), מהנדסי בדיקה יכולים לפתח במהירות מערכות בדיקה אוטמטיות של מחקר, תיקוף וייצור. ברמה בסיסית, הגישה הגרפית של LabVIEW מאפשרת ללא-מתכנתים לגרור ולשחרר יצוגים וירטואליים של מכשירים כדי לבנות תוכניות T&M, ליצור ממשקי משתמש אינטראקטיביים ולשמור נתונים ב-cvs.,‏ tdms., או בקבצים בינאריים מוגדרים אישית.

מתכנתים מתקדמים יותר יכולים להפיק תועלת מדרייברים זמינים עבור Python‏, C,‏ ++C,‏ #C, ‏NET. ו-MATLAB‏. חברת NI‏ גם מציעה‏ חבילה של כלי תוכנה עבור הפיתוח של סביבות T&M מקיפות, כולל:

• TestStand עבור יצירת רצפי בדיקה אוטומטיים
• G Web תוכנת פיתוח עבור בניית יישומי אינטרנט
• DIAdem עבור ניתוח נתונים אינטראקטיביים
• FlexLogger עבור איסוף ורישום נתוני T&M

סיכום

יצירת סביבות בדיקה מוגדרות-תוכנה עבור בדיקות תכנון, תיקוף וייצור של רכיבים ומערכות דורשת את השימוש במספר מכשירי T&M. במקום להשתמש במכשירים מספקים מרובים עם דרישות חיבוריות, עלות ומקום קשורות, מהנדסי בדיקה יכולים לפנות אל חבילות מכשירים מבית NI‏ היכולות לשמש ליצר מערכות בדיקה קומפקטיות, גמישות ובעלות ביצועים-עיליים. NI‏ גם מציעה‏ מבחר של סביבות תוכנה כדי להאיץ את תהליך הפיתוח.

קריאה מומלצת

1. כיצד לבנות מערכת איסוף נתונים קומפקטית
2. ישם מאפייני יכולת-תכנות, רישות וחישה-מרחוק ללא חוטים מוליכים (Leadless) של ספקי-כוח לשולחן עבודה