Test analoger und digitaler Strukturen
Mixed-Signal-Analyse wird mobiltauglich
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
FPGA
Als Steuerelement des PTK 4.0 ist ein FPGA verbaut. Es hat eine Microcontroller-ähnliche Struktur mit internem Adressbus-System – AHB (Advanced High-Performance Bus). Dieses Bussystem wiederum umfasst zwei steuernde Komponenten (Bus-Master).
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Diese sind in Bild 4 blau dargestellt. Ein Prozessorkern mit RISC-V-Befehlssatz ermöglicht beim Einschalten des Moduls die Initialisierung der Modulkomponenten sowie eine Programmablaufsteuerung für automatisierte Testabläufe. Datenzugriff und Ansteuerung erfolgen in Form eines QSPI. Dieses stellt den Zugang zur Programmierung von Messabläufen und der direkten Ansteuerung von Hardwarekomponenten der Modulplatine zur Verfügung. Die Slave-Komponenten des AHB (in Bild 4 grün dargestellt) beinhalten Datenspeicher, GPIO-Module (General Purpose Input Output) und digitale Bus-Interfaces wie SPI zur Kontrolle der Analogkanäle.
Eine der Slave-Komponenten ist ein Kommunikationscontroller, der ein spezielles Kommunikationsprotokoll implementiert – das X-FAB Serial Test Interface (XSTI). Dieses wurde nach Kundenspezifikation im FPGA implementiert und zeigt, dass die Modularität der Architektur auch die Ergänzung proprietärer, anwendungsspezifischer Schnittstellen ermöglicht.
Mikrocontroller
Der im FPGA integrierte Mikrocontroller in Form eines RISC-V-Cores implementiert eine Initialisierungssequenz, ein Interface zur Systemsteuerung sowie einen Sequenzer.
Bei der Initialisierung erfolgt ein Funktionscheck der analogen Komponenten, und die Kalibrierdaten werden geladen. LEDs am Frontpanel zeigen den Status der Initialisierung. Somit ist nach Einschalten des Gerätes direkt sichtbar, ob die Hardware einsatzbereit ist oder ein Fehler oder Defekt erkannt wurde.
Danach steht der Mikrocontroller für komplexe Operationen zur Verfügung und stellt eine Ablaufsteuerung in Form eines Sequenzers bereit. Dadurch kann der Anwender automatisierte Testabläufe vorgeben und programmieren. Zusätzlich existieren Sequenzerbefehle für komplexere Operationen, die die Auslastung des Sequenzers reduzieren und gleichzeitig dessen Nutzerfreundlichkeit verbessern. Ein Beispiel hierfür ist die Ansteuerung des Analog-zu-Digital-Converters (ADC), der auf den entsprechenden Analogkanal konfiguriert wird, eine Messung startet und das Ergebnis im Anschluss zurückliest. Während das Sequenzerprogramm läuft, sieht der Anwender anhand der Frontpanel-LEDs, in welchem Zustand sich dieser befindet. So ist schnell ersichtlich, ob dessen Ausführung noch im Gange ist oder ob der Ablauf erfolgreich beendet bzw. mit einer Fehlermeldung unterbrochen wurde.
PC-Ansteuerung
Die Steuerung des PTK 4.0 erfolgt per Software auf einem angeschlossenen PC. Dafür gibt es eine objektorientierte C++-API, die die Steuerung komplexer Operationen auf einer hohen Abstraktionsebene ermöglicht. Gleichzeitig wird aber die Arbeit auf niedrigerer Abstraktionsebene nicht verwehrt, sodass der für die Anwendung gewünschte Abstraktionsgrad nutzbar ist.
Zusammenfassung und Ausblick
Mit dem PTK 4.0 ist ein neues Testsystem mit Analog-Mixed-Signal-Fähigkeit entstanden. Es ist kompatibel zu dem am IMMS entwickelten modularen System AMS ASIC Scope. Im Formfaktor eines mobilen Gerätes kombiniert das PTK 4.0 analoge und digitale Funktionen. Es ist ausgerichtet für den Test von Schaltkreisen mit digitalem seriellem Interface. Dafür können Versorgungspannungen erzeugt und digitale Kommunikationsprotokolle bedient werden. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit, analoge Parameter zu messen, wie Stromfluss und/oder Spannungen.
Der Zugriff auf alle Messfunktionalitäten erfolgt über die USB-Schnittstelle. Zusätzlich gibt es die Möglichkeit, den Test durch die Verwendung des Sequenzers automatisiert auszuführen und ihn somit stark zu beschleunigen.
Ohne zusätzliches Equipment ermöglicht es das Tischgerät, Schaltkreise zu testen, zu messen und zu charakterisieren. Es bringt großes Potenzial mit sich, denn den gleichen Funktionsumfang gibt es sonst nur in sehr teuren und großen Messgeräten – die wiederum so universell sind, dass sehr viel Arbeit in die Testentwicklung investiert werden muss. Das PTK 4.0 hingegen ist direkt darauf ausgerichtet, digitale und Mixed-Signal-Schaltkreise zu betreiben. Das Test-Set-up ist einfach, weil alle Signale an einem Gerät angeschlossen werden. Für die Programmierung mit C++-Schnittstelle werden alle benötigten Funktionen direkt bereitgestellt. Dadurch eignet sich das PTK 4.0 sowohl für ein komplettes Test-Set-up als auch für Ad-hoc-Aufgaben.
Der Autor
Tom Reinhold
Seit dem Studium und dem Masterabschluss ist Tom Reinhold am IMMS tätig. Als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Industrielle Elektronik und Messtechnik entwickelt er in Forschungs- und Industrieprojekten KI-basierte Messtechnik und kundenspezifische Testumgebungen.
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