Modulare Testsysteme
Effiziente Validierung mittels PCI-eXtensions
Ein multifunktionales, automatisiertes Testsystem für die Validierung von Designs, Komponenten und Produkten aus einzelnen Messgeräten zusammenzusetzen, kann eine Herausforderung sein. Ein modularer Ansatz auf PXI-Basis (PXI steht für PCI eXtensions) ist eine flexible und kostengünstige Alternative.
PXI bietet eine optimale Grundlage für multifunktionale Testumgebungen.
Weil Prüfstände immer komplexer werden, führt die Verwendung von Einzelgeräten oft zu verwirrend vielen Bildschirmen, Frontpanels, Kabeln und zu langsamen Computerschnittstellen der Einzelgeräte. Zudem gestaltet sich die Aktualisierung oder Neukonfiguration von Rack-Testsystemen, etwa um Funktionen oder weitere Kanäle hinzuzufügen, oft schwierig und teuer. Geräte mit nur einer Funktion erfordern sogar den Austausch des gesamten Geräts, um die Funktionalität zu ändern, und die damit verbundene Kommunikation, Synchronisierung und Neuprogrammierung erschweren das Problem zusätzlich.
PXI-Instrumente hingegen bringen die jeweils gewünschten Funktionen in einem standardisierten und kompakten Formfaktor zusammen. Bei diesem Ansatz passen mehrere Instrumente sowie analoge und digitale I/O-Kanäle nebeneinander in ein gemeinsames Gehäuse. PXI vereinfacht auch das Hinzufügen und Integrieren komplexerer Messgeräte wie etwa Oszilloskope, Multimeter 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 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 (Bild 1). Das Testen der Sensorkomponenten eines VSD 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 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.
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Ähnliche Testanforderungen gibt es für Anwendungen in der Robotik, im Automobilbau und in der Industrie, wo jeweils mehrere Sensoren eingesetzt werden.
Multifunktionale I/O-Messgeräte
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 Triggerfunktion (Bild 2). 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 Geräte. PXIe ist eine Untergruppe von PXI, die eine serielle High-Speed-Schnittstelle anstelle des parallelen Datenbusses von PXI verwendet. Eine Thunderbolt-3-Schnittstelle bietet eine schnelle Schnittstelle über einen USB-3.0-Anschluss zu einem Computer. Zwei USB-3.0-Anschlüsse ermöglichen die Verkettung mehrerer PXIe-Chassis. Die vier freien Steckplätze können andere Geräte wie Oszilloskope, Digitalmultimeter, Wellenformgeneratoren, Multiplexer, Quellenmessgeräte und Netzteile aufnehmen.
So besteht beispielsweise das multifunktionale I/O-Bundle 867123-01 von NI 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 (Bild 3).
Die beiden NI-Bundles unterscheiden sich jeweils durch die Anzahl der analogen Ein- und Ausgangskanäle, der digitalen I/O-Kanäle und durch die maximale Abtastrate (Tabelle).
Analoge Kanäle
Die internen Konfigurationen der analogen Eingangskanäle (AI) beider Bundles 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 (Bild 4).
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 potenzialfreie Quellen empfohlenen Differenzschaltung werden zwei der verfügbaren Analogeingänge als invertierende und nichtinvertierende Differenzeingänge verwendet. Die Differenzeingänge sind nicht massebezogen und können an potenzialfreie 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 potenzialfreie 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 mV und ±10 V. 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 μV im ±10-V-Bereich und 3,2 μV im ±100-mV-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 (Bild 5).
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« dient dazu, den analogen Ausgangsbereich zu ändern. Die AO-Referenzauswahl kann auf 10 oder 5 V eingestellt oder eine externe Referenz über die analoge PFI-Leitung (APFI) angelegt werden.
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