מימוש מערכת בדיקה אוטומטית, קומפקטית וגמישה באמצעות חבילות PXI I/O מרובות פונקציות

המימוש של מערכת בדיקה אוטומטית רבת-פונקציות לאימות תכנון, בדיקת רכיבים ובדיקת ייצור של מערכות אלקטרוניות תעשייתיות, לצרכנים, רכב, רפואה ואחרות דורש מגוון של מכשירי בדיקה ומדידה. כמו כן, המספר הגדול של חיישנים המשמשים בתכנים מודרניים דורש ערוצים אנלוגיים ודיגיטליים מרובים, ועמדת בדיקה נתונה חייבת להיות יעילה וחסכונית ועם יכולת התרחבות קלה.

עמידה בדרישות אלו עשויה להיות מאתגרת בשימוש בציוד בדיקה עצמאי. במקום זאת, המתכננים יכולים לבחור בגישה מודולרית תוך שימוש בגודל פיזי סטנדרטי כמו PCI eXtensions for Instrumentation‏ (PXI). בחירה זו יכולה לספק את יתרונות הגמישות והפרודוקטיביות הדרושים לסביבת בדיקה משתנה במהירות, רבת-פונקציות ורבת-ערוצים תוך שמירה על מינימום עלויות.

מאמר זה מספק מבוא קצר ל-PXI ומשתמש במערך בדיקת דגימות כדי להדגיש את היתרונות שלו. לאחר מכן הוא מציג חבילות I/O רבות-פונקציות PXI של NI ודן כיצד להגדיר את התצורה שלהן.

מדוע להשתמש ב-PXI?

ככל שעמדות הבדיקה הופכות למורכבות יותר, השימוש בציוד עצמאי מביא למסכים, לוחות קדמיים וכבלי קווים מרובים, ולממשקי מחשב איטיים למכשירים. הדבר מוביל לבלבול ולשגיאות מיותרות שמאריכים את זמן הבדיקה ומפחיתים את הפרודוקטיביות. בנוסף, עדכון או הגדרה-מחדש של מערכות בדיקה בצורת "הערמה-על-מדפים" כדי להוסיף מאפיינים כגון ערוצים נוספים יכולים להיות קשים ויקרים. מכשירים בעלי פונקציה יחידה דורשים החלפה של המכשיר כולו כדי לשנות את הפונקציונליות, והתקשורת, הסינכרון והתכנות-מחדש הקשורים מסבכים את הבעיה.

מכשירי PXI מציעים את הפונקציונליות הדרושה בגודל פיזי סטנדרטי וקומפקטי. בתרחיש זה, מספר מכשירים כמו ערוצי כניסה/יציאה (I/O) אנלוגיים ודיגיטליים מותאימים זה לצד זה במארז משותף. ה-PXI גם מפשט את ההוספה והשילוב של מכשירים מורכבים יותר כמו אוסצילוסקופים, רבי-מודדים ומחוללי אותות. המכשירים מתקשרים פנימית בעזרת מבנה אפיק משותף (Common Bus), ומבטיחים פעולה סינכרונית, בעוד שמחשב המריץ תוכנה מאחדת מאפשר בקרה בכל המכשירים ממסך משותף.

תרחיש בדיקה נפוץ

דוגמה אחת המדגימה את סוג המדידות שמודול ה-I/O מרובה-הפונקציות מתוכנן לטפל בהן כוללת דוחף מהירות משתנה (VSD) במערכת בקרת תנועה חכמה הדורשת מספר סוגים של חיישנים (איור 1).

איור 1: ה-VSD משתמש במספר חיישנים אנלוגיים ודיגיטליים שיש לבדוק ולאמת את הפונקציונליות שלהם. (מקור התמונה: Art Pini)

בדיקת רכיבי החיישנים של ה-VSD מבטיחה פעולה נכונה של חיישני טמפרטורת המנוע, המהירות הסיבובית, מיקום ציר, המומנט ורמת הרעידות. רוב יציאות החיישנים הן אותות אנלוגיים עם רוחב פס אות נמוך של פחות מ-1 מגה-הרץ (MHz). חיישנים אנלוגיים מסוימים, כמו חיישני זרם אנאיזוטרופיים מגנטו-התנגדותיים (AMR) וחיישני מיקום ציר, משתמשים בגשרים התנגדותיים ודורשים כניסות הפרשיות במכשיר המדידה. חיישנים אחרים, כמו הטכומטר, עשויים להיות דיגיטליים ולדרוש כניסה דיגיטלית אחת או יותר לצורך הניטור.

מודולי בדיקת I/O מרובי פונקציות מתאימים ביותר לבדיקת סוגי חיישנים אלה, ומציעים תחומי מתחים אנלוגיים, רוחבי פס וקצבי דגימה המותאמים ליציאות החיישנים האנלוגיים. הם כוללים גם ערוצי I/O דיגיטליים עם קצבי דגימה הגבוהים מקצבי הנתונים הנבדקים.

קיימות דרישות בדיקה דומות עבור יישומים ברובוטיקה, רכב וסביבות תעשייתיות בהן נעשה שימוש בחיישנים מרובים בכל יישום.

חבילת בדיקת ה-I/O מרובת הפונקציות

חבילות ה-PXI של NI מורכבות ממארזי PXI בעלי חמישה חריצים ואחד משני מודולי ה-I/O מרובי הפונקציות של NI. המודולים מרובי הפונקציות PXI מציעים שילוב של I/O אנלוגי, I/O דיגיטלי, מונה/טיימר ופונקציונליות טריגרים (איור 2).

איור 2: חבילת I/O מרובת פונקציות PXI מספקת מערכת בדיקה ומדידה אוטומטית עצמאית, הכוללת מודול I/O מרובה פונקציות PXI וארבעה חריצים פתוחים עבור מכשירים נוספים. (מקור התמונה: NI)

השלדה מספקת כוח ומבנה אפיק פנימי כדי לחבר את כל המודולים דרך לוח האם (Backplane) שלה. אפיק ה-PXIe מאפשר הפעלה וסנכרון של מכשירים מרובים. PXIe הוא תת-קבוצה של PXI המשתמשת בממשק טורי במהירות גבוהה במקום באפיק הנתונים המקבילי של PXI. ממשק Thunderbolt 3 מספק ממשק מהיר דרך מחבר USB 3.0 למחשב. שני מחברי USB 3.0 מאפשרים חיבור Daisy-Chain של מארזי PXIe מרובים. ארבעת החריצים הפתוחים יכולים להכיל מכשירים אחרים כגון אוסצילוסקופים, רבי-מודדים דיגיטליים, מחוללי צורת-גל, מתגי מרבבים, יחידות מדידות מקור וספקי כוח.

לדוגמה, חבילת ה-I/O מרובת הפונקציות 867123-01 של NI מורכבת ממארז בעל חמישה חריצים PXIe-1083, ממודול I/O מרובה פונקציות PXIe-6345, ומכבלים נלווים. לחלופין, חבילת ה-867124-01 משתמשת באותו מארז ובאותם כבלים, אבל משתמשת במודול PXIe-6363 עם מחברי סיומת מסיביים בכניסת הלוח הקדמי (איור 3).

איור 3: מבט מפורט על מודול ה-I/O מרובה הפונקציות PXIe-6363 כולל מבט על מחברי הסיומת המסיביים בכניסת הלוח הקדמי. (מקור התמונה: NI)

שתי חבילות המוצרים נבדלות זו מזו במספר ערוצי הכניסה האנלוגיים, במספר ערוצי היציאה האנלוגיים, במספר ערוצי ה-I/O הדיגיטליים, ובקצב הדגימה המקסימלי (בקילו-דגימות לשנייה (kS/s) ובמגה-דגימות לשנייה (MS/s)) (טבלה 1).

טבלה 1: מוצגת השוואה בין חבילות ה-I/O מרובות הפונקציות PXIe-867123 ו-PXIe-867124. (מקור הטבלה: Art Pini‏)

ערוצים אנלוגיים

התצורות הפנימיות של ערוץ הכניסה האנלוגי (AI) בשתי החבילות זהות. ממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC) יחיד משותף על פני מספר ערוצי כניסה באמצעות מרבב (Mux) אנלוגי כדי ליצור רצף של כל כניסה (איור 4).

איור 4: תצורת כניסות הערוצים האנלוגיים כוללת מרבב לניתוב הכניסות המוגדרות בנפרד לממיר ADC יחיד. (מקור התמונה: NI)

אותות הכניסה מחוברים דרך מחבר ה-I/O של הלוח הקדמי. בנוסף, חיבור חישת ה-AI והארקת ה-AI זמינים גם הם כדי לקבוע רמות ייחוס מדויקות למדידות. המרבב בוחר באחת מהכניסות האנלוגיות; זה יכול להיות ערוץ יחיד למספר מדידות, או מספר ערוצים למדידות ברצף. הערוץ הנבחר מנותב דרך בחירת תצורת הכניסה האנלוגית. ישנן שלוש תצורות כניסה: הפרשית, קצה-יחיד עם ייחוס (RSE‏), או קצה-יחיד ללא ייחוס (NRSE‏). החיבור ההפרשי, המומלץ למקורות צפים, משתמש בשתיים מהכניסות האנלוגיות הזמינות בתור הכניסות ההפרשיות ההופכת והלא-הופכת. לכניסות ההפרשיות אין ייחוס להארקה וניתן לחבר אותן למקורות צפים. תצורת הכניסה ההפרשית משככת רעשי אופן משותף (CM).

תצורת כניסת ה-RSE קושרת את הכניסה ההופכת (‎AI-‎) להארקה בנקודה יחידה, או בהארקת ה-AI עבור מקור צף, או בהארקת המקור עבור מקור מבוסס-הארקה.

תצורת ה-NRSE עבור מקור צף מחברת את כניסת ה- ‎AI-‎ להדק השלילי של המקור ולקו חישת ה-AI עם החזרה התנגדותית להארקת ה-AI. עבור מקור עם ייחוס להארקה, הדק ה-AI מתחבר ישירות להארקת המקור ולקו חישת ה-AI.

הכניסה המוגדרת מנותבת למגבר המכשור הניתן לתכנות ההגבר (NI-PGIA) של NI, אשר מגביר או מנחית את האות הנכנס כדי להתאימו לתחום מתחי הכניסה של ממיר ה-ADC. ישנם שבעה תחומי מתחי כניסה הניתנים לתכנות עבור האותות האנלוגיים בין ±100 מילי-וולט (mV) עד ±10 וולט. תחום מתחי הכניסה של כל ערוץ אות כניסה ניתן לתכנות בנפרד, וההגבר מתחלף יחד עם אות הכניסה. ה-NI-PGIA מקטין למינימום את זמני ההתייצבות עבור כל תחומי מתחי הכניסה כדי למקסם את דיוק מדידת המתח.

לממיר ה-ADC עבור שני הדיגיטייזרים יש רזולוציית אמפליטודה של ‎16-bit. האות האנלוגי עובר קוונטיזציה ל-65,536 רמות אפשריות. זה מספק רזולוציה של 320 מיקרו-וולט (‎µV) בתחום של ±10 וולט, ו-‎3.2 ‎µV בתחום של ‎±100 mV.

היציאות הדיגיטליות של ממיר ה-ADC מאוחסנות בזיכרון מסוג "ראשון נכנס ראשון יוצא" (FIFO) של ה-AI.

למודולים מרובי הפונקציות יש גם יכולת יציאה אנלוגית (AO‏). ישנן שתיים או ארבע יציאות אנלוגיות, בהתאם לדגם, עם שעון יציאה משותף (איור 5).

איור 5: בדרגת יציאה אנלוגית טיפוסית, חוצץ זיכרון FIFO‏ AO מאחסן בערכי דגימת צורת הגל שהורדו מהמארח. (מקור התמונה: NI)

חוצץ זיכרון FIFO‏ AO מאחסן את ערכי דגימת צורת הגל שהורדו מהמחשב המארח. אחסון הדגימות ב-FIFO משמעותו שניתן להוציא צורות גל אנלוגיות ללא חיבור למחשב. שעון דגימות AO‏ (AO Sample Clock) מלווה את הנתונים מה-FIFO לממירי הדיגיטלי-לאנלוגי (DAC) הממירים את ערכי הדגימה הדיגיטליים למתח אנלוגי. בחירת ייחוס ה-AO‏ (AO Reference Select) משמשת לשינוי תחום היציאה האנלוגית. ניתן להגדיר את ה-AO Reference Select ל-10 או 5 וולט, או שניתן ליישם ייחוס חיצוני באמצעות ה-PFI האנלוגי (APFI).

ערוצים דיגיטליים

הערוצים הדיגיטליים כוללים יכולות כניסה ויציאה לאיסוף או הפקת אותות דיגיטליים על קו משותף (איור 6).

איור 6: קווי I/O דיגיטליים דו-כיווניים (P0.x) יכולים לאסוף ולהפיק אותות דיגיטליים. (מקור התמונה: NI)

קווי ה-P0.x עובדים עם קווים דיגיטליים סטטיים או מהירים ככניסות או כיציאות. למודולים בסדרת PXIe-63xx יש גם שישה-עשר קווי ממשק פונקציות ניתנות-לתכנות (PFI) הניתנות להגדרה על ידי המשתמש כממשק PFI או כערוץ I/O דיגיטלי. ככניסה, ערוץ ה-PFI יכול לנתב מקור חיצוני לכניסה אנלוגית, יציאה אנלוגית, כניסה דיגיטלית, יציאה דיגיטלית או פונקציות מונה/טיימר. כיציאה, ניתן לנתב רבות מפונקציות הכניסה האנלוגית, היציאה האנלוגית, הכניסה הדיגיטלית, היציאה הדיגיטלית או המונה/טיימר לכל הדק PFI.

כל הקווים הללו מקבלים רמות לוגיקה גבוה בין 2.2 ל-5.25 וולט ורמות לוגיקה נמוך מ-0 עד 0.8 וולט. הקווים הדיגיטליים מקבלים שעון במהירות של עד ‎10 MHz.

על כל קו דיגיטלי ישנו מסנן דיגיטלי המשמש לשיכוך ניתורים של אותות הכניסה הדיגיטליים. ישנן שלוש הגדרות סינון המבוססות על תדר שעון המסנן בו נעשה שימוש: קצר, בינוני או גבוה. הגדרת הקצר מבטיחה שרוחב פולס של יותר מ-160 ננו-שניות (ns) יעבור, הגדרת הבינוני מעבירה רוחב פולס של 10.24 מיקרו-שניות (‎µ‎s) או יותר, והגדרת הגבוה מעבירה רוחב פולס של 5.12 מילי-שניות (ms) או יותר. מובטח כי פולסים ברוחב צר יותר ממחצית רוחב הפולס המועבר יונחתו.

אם נחזור לדוגמה של מנוע ה-VSD, ניתן להשתמש בכניסות הדיגיטליות כדי לפענח את מיקום הציר. ניתן לקרוא את מיקום הציר מהיציאות הדיגיטליות של אנקודר אופטי. לאנקודר האופטי יש שלוש יציאות דיגיטליות: פולס אינדקס פעם-בסיבוב ושני גלים ריבועיים עם הפרש פאזה של ‎90˚‎ הנקראים יציאות רביעוניות (Quadrature). יציאות רביעוניות אלה מכונות בדרך כלל "A" ו-"B". על ידי שילוב של פולס האינדקס עם יציאות רביעוניות, ניתן לחשב את כיוון הציר המוחלט ואת כיוון הסיבוב.

מונים/טיימרים

שני מודולי ה-PXIe כוללים ארבע דרגות מונה/טיימר ‎32-bit לשימוש כללי ודרגת מחולל תדרים. לכל דרגת מונה/טיימר ישנם שמונה נתיבי כניסת אותות, והכניסה של טיימר המונה יכולה להיות כל אחד מארבעה עשר האותות הזמינים. האות שנבחר חייב להיות מיושם לשעון; אין תנאי לספירה מטה של כניסת המונה/הטיימר. ניתן להשתמש במונים/טיימרים כדי לספור קצוות, למדוד את התדר או זמן המחזור, או לבצע מדידות פולסים כמו רוחב, יחס מחזור או הזמן בין שני קצוות.

יישום מונה/טיימר לדוגמה הוא מדידת תדר פולס האינדקס מהאנקודר האופטי באיור מנוע VSD. ניתן להתאים את התדר כדי לקרוא את מהירות הסיבוב של המנוע בסיבובים לדקה.

מחולל התדרים או יציאת המונה יכולים ליצור פולס פשוט, שרשרת פולסים, תדר קבוע, חלוקת תדר או זרם פולסים של דגימת זמן שוות ערך (ETS).

זרם הפולסים של ה-ETS מייצר יציאת פולסים עם שיהוי אינקרמנטלי מפולס שער המונה. זה יכול לספק תזמון דגימה עבור צורות גל חוזרות ונשנות, עם קצב דגימה גבוה יותר עבור כניסות אנלוגיות עם תדרים גבוהים מתדר נייקוויסט של הדיגיטייזר.

תמיכת תוכנה

מספר חבילות תוכנה תומכות במודולי ה-I/O מרובי הפונקציות. תוכנת LabVIEW של NI מספקת סביבת תכנות גרפית המפשטת את איסוף, עיבוד וניתוח הנתונים. היא מאפשרת גם יצירת ממשקי משתמש אינטראקטיביים לבדיקה, ניטור, בקרה ואחסון נתונים בארכיון.

עבור משתמשים הרוצים ליצור קוד משלהם, NI מספקת מנהלי התקנים התומכים בשפת התכנות הרצויה, כולל Python‏, C‏, C++‎‏, C#‎‏, ‎.NET ו-MATLAB.

חברת NI מציעה גם חבילת תוכנה ללא-קוד בשם FlexLogger. חבילת FlexLogger מאפשרת למשתמשים להציג, לשמור ולנתח נתוני בדיקה עם כלי עיבוד מובנים ולוחות מחוונים הניתנים להתאמה-מיוחדת. היא מצוידת ביכולת להגדיר גבולות על הערכים הנמדדים ולהתריע על מצבי חציית גבולות. חבילת FlexLogger גם מאפשרת למשתמשים התאמה-מיוחדת של כלי ההדמיה של ממשק המשתמש על ידי הוספת גרפים, מחוונים נומריים ומונים (איור 7).

איור 7: תצוגת FlexLogger מציגה את מדידת רעידות המנוע באמצעות מד תאוצה וטכומטר כדי לחפש תהודה מכנית. (מקור התמונה: NI)

בגרף העליון, המסך מציג את רמת הרעידות בקנה מידה ב-g לעומת הזמן. קריאת הטכומטר, המודד מהירות סיבובית בסל"ד, מוצגת כמונה חוגה בפינה הימנית התחתונה. בגרף התחתון, התמרת פורייה מהירה (FFT) (אחד מכלי עיבוד האותות הזמינים) של נתוני הרעידות מציגה את רמת הרעידות לעומת התדר.

סיכום

מערכות בדיקה חייבות להסתגל לדרישות המשתנות בין יישומים הדורשים כניסות/יציאות רבות. חבילת ה-I/O מרובת הפונקציות של NI יכולה להוות בסיס למערכת בדיקה אוטומטית רב-ערוצית המציעה שילוב של ערוצי כניסה ויציאה אנלוגיים ודיגיטליים ומספר מונים/טיימרים. היא נתונה בשלדה PXIe עם חריצים נוספים עבור מכשירי בדיקה ומדידה מודולריים אחרים, ומספקת למשתמשים את יכולת ההרחבה הדרושה לבדיקות יעילות וחסכוניות.