วิธีเพิ่มความเร็วการออกแบบระบบ การตรวจสอบความถูกต้อง และการทดสอบการผลิตโดยใช้ซอฟต์แวร์และเครื่องมือแบบแยกส่วน

เครื่องมือทดสอบและการวัด (T&M) จำนวนมากเป็นสิ่งจำเป็นในการออกแบบ การตรวจสอบ และการทดสอบการผลิตส่วนประกอบและระบบสำหรับยานยนต์ อุปกรณ์ในครัวเรือน อุตสาหกรรม การแพทย์ และการใช้งานอื่น ๆ โดยชุดเครื่องมือ T&M เหล่านี้จะต้องมีขนาดกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพสูง นอกจากนั้นยังต้องการเวลาแฝงต่ำและความหนาแน่นของช่องสัญญาณและแบนด์วิธสูง ซึ่งความต้องการด้านการออกแบบอาจเปลี่ยนแปลงได้ตลอดเวลา ดังนั้นความเป็นโมดูลาร์ที่สามารถแยกส่วนได้จึงเป็นข้อดีอย่างมากสำหรับการรองรับระบบในอนาคต ในหลายกรณี กิจกรรม T&M เหล่านี้เกี่ยวข้องกับการทดสอบซ้ำๆ หรือการทำงานร่วมกันระหว่างทีมที่กระจายตัวตามพื้นที่ต่าง ๆ ทำให้การทดสอบที่กำหนดโดยซอฟต์แวร์เป็นคุณลักษณะที่ต้องการอย่างมาก

การใช้กลุ่มเครื่องมือทั่วไปเป็นวิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้ อย่างไรก็ตามปัญหาเกี่ยวกับการรวมระบบของอุปกรณ์จากผู้ผลิตหลายราย รวมถึงข้อมูลที่นำเสนอบนหลายหน้าจอ ความเข้ากันได้ของซอฟต์แวร์ สายเคเบิลจำนวนมาก และพื้นที่ที่ต้องใช้สำหรับอุปกรณ์แยกจำนวนมาก อาจเป็นสิ่งท้าทาย

นักออกแบบระบบ T&M สามารถหันไปใช้ชุดอุปกรณ์โมดูลาร์ประสิทธิภาพสูงและโมดูล I/O อื่น ๆ ที่มีการซิงโครไนซ์เฉพาะและฟีเจอร์ซอฟต์แวร์หลัก ตั้งแต่การตรวจสอบอุปกรณ์ไปจนถึงการทดสอบการผลิตอัตโนมัติ ชุดอุปกรณ์เหล่านี้อยู่ในระบบการวัด PXI Express ห้าช่องขนาดกะทัดรัดที่ควบคุมด้วยแล็ปท็อปหรือคอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปผ่านพอร์ต Thunderbolt USB-C

บทความนี้เริ่มต้นด้วยการกล่าวถึงกาประเมินประสิทธิภาพของระบบเครื่องมือแบบโมดูลาร์โดยสังเขป รวมถึงหมวดหมู่เครื่องมือวัดแบบแอนะล็อก จากนั้นจึงนำเสนอการเปรียบเทียบประสิทธิภาพของบัสต่างๆ สำหรับระบบเครื่องมือแบบโมดูลาร์ และศึกษาความท้าทายที่เกี่ยวข้องกับการเพิ่มความละเอียดและเวลาแฝงที่ลดลง ปิดท้ายด้วยการนำเสนอชุด PXI Programmable Power Supply (PPS) จาก NI ประกอบไปด้วยโมดูลสำหรับมัลติมิเตอร์แบบดิจิตอล, มิเตอร์ LCR, ออสซิลโลสโคป, I/O มัลติฟังก์ชัน, เครื่องกำเนิดสัญญาณรูปคลื่น และหน่วยการวัดแหล่งจ่าย พร้อมด้วยเครื่องมือซอฟต์แวร์สำหรับทำให้กระบวนการ T&M เป็นไปโดยอัตโนมัติ

ต้องการการวัดแบบใด?

กระบวนการกำหนดประเภทของเครื่องมือ T&M ที่จำเป็นเริ่มต้นด้วยคำถามพื้นฐานสองสามข้อ:

• สัญญาณที่วัดเป็นอินพุต เอาต์พุต หรือทั้งสองอย่าง
• ความถี่ของสัญญาณเป็นไฟฟ้ากระแสตรง (DC) หรือไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) และถ้าเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ จะมีหน่วยเป็นกิโลเฮิรตซ์ (kHz) เมกะเฮิรตซ์ (MHz) หรือกิกะเฮิรตซ์ (GHz)

คำตอบสำหรับคำถามเหล่านี้ช่วยในการพิจารณาว่าเครื่องมือที่จำเป็นสำหรับการใช้งาน DC และพลังงาน แอนะล็อกความเร็วต่ำ แอนะล็อกความเร็วสูง หรือความถี่วิทยุ (RF) และแบบไร้สาย (ตารางที่ 1)

ตารางที่ 1: มีเครื่องมือ T&M พื้นฐานหลายประเภทตามลักษณะอินพุตและเอาต์พุตและระดับประสิทธิภาพ (แหล่งที่มาตาราง: NI)

ข้อมูลจำเพาะของเครื่องมือแอนะล็อก

หลังจากกำหนดประเภทเครื่องมือทั่วไปที่จำเป็นสำหรับงานวัดแล้ว ก็ถึงเวลาระบุข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพเฉพาะ ได้แก่:

• พื้นฐานของสัญญาณรวมถึงการตรวจสอบให้แน่ใจว่า: ช่วงสัญญาณกว้างพอที่จะจับสัญญาณที่ต้องการ อิมพีแดนซ์รองรับการโหลด DUT และความต้องการความถี่การวัด และการแยกจากกราวด์รองรับระดับการป้องกันสัญญาณรบกวนและความปลอดภัยที่จำเป็น
• แบนด์วิดท์ในหน่วย kHz, MHz หรือ GHz ต้องเพียงพอต่อการจัดการสัญญาณที่กำลังวัด และตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) ต้องเร็วเพียงพอในหน่วยจำนวนตัวอย่างต่อวินาที เช่น Kilosample ต่อวินาที ( kS/s), Megasample ต่อวินาที (MS/s) หรือ Gigasamples ต่อวินาที (GS/s) เพื่อจับความแตกต่างของสัญญาณที่ต้องการ
• ความละเอียดและความแม่นยำก็เป็นข้อพิจารณาที่สำคัญเช่นกัน ต้องการความละเอียด 8 บิต 24 บิตหรือระดับอื่นหรือไม่ อัตราข้อผิดพลาดสูงสุดในรูปของเปอร์เซ็นต์หรือส่วนต่อล้านที่สามารถยอมรับได้คือเท่าใด นอกจากนี้ ความไวที่ต้องการในหน่วยสัมบูรณ์ เช่น ไมโครโวลต์ (µV) หรือนาโนโวลต์ (nV) คืออะไร

เครื่องมือ T&M ประเภทต่างๆ ต้องการการแยกอินพุตและช่วงอิมพีแดนซ์ที่แตกต่างกัน ข้อมูลจำเพาะของการจับคู่และการกรองอินพุต ความไวของแอมพลิฟายเออร์ และความละเอียดและความแม่นยำในการวัด ดังที่แสดงในตัวอย่างเส้นทางอินพุตแอนะล็อกของเครื่องมือวัด (ตารางที่ 2)

ตารางที่ 2: เครื่องมือ T&M ต่างๆ เช่น DMM และออสซิลโลสโคป อาจต้องการคุณลักษณะด้านประสิทธิภาพที่แตกต่างกันอย่างมากสำหรับการวัดที่กำหนด (แหล่งที่มาตาราง: NI)

บัส แบนด์วิธ และเวลาแฝง

เครื่องมือ T&M ต้องเชื่อมต่อกับตัวควบคุมเพื่อสร้างระบบทดสอบ โดยข้อกำหนดสำหรับแบนด์วิธสัญญาณและเวลาแฝงของบัสเชื่อมต่อเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญ แบนด์วิดธ์วัดความเร็วเมื่อส่งข้อมูล โดยทั่วไปมีหน่วยเป็นเมกะไบต์ต่อวินาที ในขณะที่เวลาแฝงวัดความล่าช้าของข้อมูลที่ส่ง ซึ่งบัสที่ใช้กันทั่วไปมีแบนด์วิธและเวลาแฝงที่ต่างกันมาก อีกปัจจัยหนึ่งคือระยะการส่งสัญญาณที่บัสรองรับ ตัวอย่างเช่น General Purpose Interface Bus (GPIB) และ Universal Serial Bus (USB) สามารถรองรับเวลาแฝงในระดับที่ใกล้เคียงกัน แต่ USB ให้แบนด์วิดท์ที่สูงกว่า โดย Gigabit Ethernet มีแบนด์วิธปานกลางและเวลาแฝงที่สูงกว่า แต่สามารถส่งได้ในระยะทางที่ไกลกว่ามาก

เมื่อออกแบบระบบ T&M มักใช้ PCI และ PCI Express ซึ่งออกแบบมาสำหรับการเชื่อมต่อระยะสั้น สูงสุดประมาณ 1 เมตร (ม.) และให้แบนด์วิธสูงและเวลาแฝงต่ำ (รูปที่ 1) คุณลักษณะที่สำคัญของ PCI Express คือให้แบนด์วิธเฉพาะสำหรับอุปกรณ์แต่ละเครื่องบนบัส สิ่งนี้ทำให้ PCI Express เป็นบัสเชื่อมต่อที่ต้องการสำหรับการใช้งานที่มีประสิทธิภาพสูงและใช้ข้อมูลมาก เช่น ระบบ T&M แบบเรียลไทม์ ซึ่งจำเป็นต้องรวมและซิงโครไนซ์การทำงานของเครื่องมือหลายตัว

รูปที่ 1: PCI/PXI Express มอบการผสมผสานประสิทธิภาพสูงสุดระหว่างความละเอียดและเวลาแฝง (แหล่งที่มาภาพ: NI)

ชุดเครื่องมือ T&M

นักออกแบบสามารถหันไปใช้ ชุด PXI PPS จาก NI เป็นพื้นฐานสำหรับระบบ T&M ประสิทธิภาพสูง โดยโมดูล PXI PPS ตอบสนองความต้องการพลังงานขั้นพื้นฐานของ DUT และสามารถขยายได้ด้วยโมดูล T&M จำนวนมาก เพื่อรองรับลักษณะเฉพาะของอุปกรณ์ การตรวจสอบการออกแบบ และการทดสอบการผลิต แชสซีจ่ายพลังงานและระบายความร้อนได้สูงสุด 58 วัตต์สำหรับเครื่องมือเพิ่มเติม การเชื่อมต่อระหว่างกัน PXIe ประสิทธิภาพสูง และการเชื่อมต่อ Thunderbolt ในตัวสำหรับเชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปหรือแล็ปท็อปภายนอก ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวควบคุมระบบ (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: ชุด PXI PPS พื้นฐานประกอบด้วยคอนโทรลเลอร์ โมดูล PPS และช่องสำหรับอุปกรณ์ PXI อีกสี่ชุด (แหล่งที่มาภาพ: NI)

สามารถใช้ PPS เพื่อจ่ายพลังงานที่ตั้งโปรแกรมได้ให้กับ DUT ในขณะที่ควบคุมและตรวจสอบระดับกระแสและแรงดันเพื่อวัดการใช้พลังงาน มีช่อง 60 วัตต์แบบแยกสองช่องพร้อมการตรวจวัดจากระยะไกลเพื่อแก้ไขการสูญเสียในการเดินสายของระบบ โดยมีประสิทธิภาพโดยทั่วไปที่ 78% ซึ่งช่องเหล่านี้ยังรวมถึงการตัดการเชื่อมต่อเอาต์พุตที่สามารถแยก DUT ได้เมื่อไม่ได้ทดสอบ

ตัวอย่างของชุด PXI PPS ที่ขยายได้พร้อมกำลังไฟ 120 วัตต์สำหรับ DUT ได้แก่ 867117-01 ด้วย PXIe-4112 สองช่องสัญญาณ PPS (เหมือนรุ่น 782857-01) ที่สามารถส่งได้สูงสุด 1 แอมแปร์ (A) ที่ 60 โวลต์ DC ต่อช่องสัญญาณ และ 867118-01 ด้วย PPS สองช่อง PXI2-4113 (เหมือนรุ่น 782857-02) ที่สามารถส่งได้ถึง 6 A ที่ 10 โวลต์ DC ต่อช่อง (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: ชุด PXI PPS มีตัวเลือกแหล่งจ่ายไฟที่มีเอาต์พุต 60 โวลต์ DC (ซ้าย) หรือ 10 โวลต์ DC (ขวา) (แหล่งที่มาภาพ: NI)

การพัฒนาระบบ T&M แบบก้าวกระโดด

NI เสนอชุดอุปกรณ์ PXI ที่หลากหลายให้กับนักออกแบบเพื่อเริ่มต้นความพยายามในการพัฒนาระบบ T&M อย่างรวดเร็ว ตัวอย่าง ได้แก่:

ชุดเครื่องกำเนิดสัญญาณ PXI ที่สามารถใช้เพื่อสร้างฟังก์ชันมาตรฐานและรูปคลื่นที่ผู้ใช้กำหนด ชุดเครื่องกำเนิดสัญญาณ PXI มีช่องสัญญาณเอาต์พุตสูงสุด 2 ช่องพร้อมแบนด์วิดท์สูงสุด 80 MHz, ช่วงเอาต์พุต ±12 โวลต์ และอัตราการสุ่มตัวอย่างสูงสุด 800 MS/s ตัวอย่างเช่น 867119-01 รวมถึงตัวสร้างฟังก์ชันตามกำหนด 20 MHz

ชุดออสซิลโลสโคป PXI นำเสนอช่องสัญญาณสูงสุดแปดช่องที่สามารถสุ่มตัวอย่างด้วยความเร็วสูงสุด 5 GS/s พร้อมแบนด์วิธแบบแอนะล็อก 1.5 GHz ชุด 867010-01 รวมโมดูลออสซิลโลสโคป 60 MHz

ชุดหน่วยวัดแหล่งจ่ายของ PXI (SMU) เช่นเดียวกับ 867111-01 ที่ได้รับการออกแบบมาเพื่อทำให้การวัดและการทดสอบ DC เป็นไปโดยอัตโนมัติ SMU มีการทำงานแบบสี่ควอแดรนท์ ช่วงสูงสุด ±200 โวลต์และ ±3 A และความไวต่ำถึง 100 เฟมโตแอมแปร์ (fA) ชุดรวม PXI SMU รวมความสามารถในสวีฟพลังงานสูงและการวัดกระแสต่ำ

ชุด PXI LCR เช่น 867113-01 สามารถใช้ทำการวัด DC และอิมพีแดนซ์ได้โดยการรวมมิเตอร์ LCR และ SMU ไว้ในเครื่องเดียว เครื่องมือนี้ให้การวัดค่าความจุกระแส fA และ femtofarad (fF) ในฟอร์มแฟคเตอร์ PXI ช่องเดียว

ชุด PXI DMM รองรับการวัด DMM ด้วยโพรบ สวิตช์ และแบบอัตโนมัติด้วยความแม่นยำสูงและความละเอียดสูงถึง 7.5 หลัก ความเร็วในการสุ่มตัวอย่างสูงช่วยให้ผู้ใช้สามารถระบุลักษณะชั่วคราวได้โดยไม่จำเป็นต้องใช้ออสซิลโลสโคป ผู้ใช้ยังสามารถกำหนดค่าทริกเกอร์สำหรับการรับและ/หรือการจัดลำดับ ตัวอย่างเช่น 867115-01 มีหน้าจอ 6.5 หลัก

ชุด PXI นาโนโวลต์มิเตอร์ เป็นโมดูลอินพุตแบบแอนะล็อกความละเอียดสูงที่มีความละเอียดสูงสุด 28 บิต รวมถึงช็อปปิ้งโหมดที่ใช้ช่องสัญญาณคู่หนึ่งเพื่อให้การปฏิเสธสัญญาณรบกวนในระดับสูง ซึ่งช่วยให้การวัด nV แม่นยำและทำซ้ำได้ ตลอดจนการหาค่าเฉลี่ยและการกรองสัญญาณออนบอร์ด ตลอดจนการสวิตช์การวัดค่าเป็นศูนย์อัตโนมัติ โมเดล 867125-01 มี 32 ช่อง ความละเอียด 28 บิต และการสุ่มตัวอย่าง 2 MS/s

ชุด I/O มัลติฟังก์ชั่น PXI เช่นเดียวกับ 867124-01 ที่ให้การผสมผสานระหว่าง I/O แอนะล็อก, I/O ดิจิทัล, ตัวนับ/ตัวจับเวลา และฟังก์ชันทริกเกอร์ ชุด I/O มัลติฟังก์ชั่น PXI มีช่องสัญญาณเอาต์พุตแบบแอนะล็อกสูงสุด 4 ช่อง ช่องสัญญาณดิจิทัลแบบสองทิศทาง 48 ช่อง ช่องสัญญาณอินพุตแบบแอนะล็อก 80 ช่อง และอัตราการสุ่มตัวอย่าง 2 MS/s

ซอฟต์แวร์กำหนดระบบ

นอกจากโมดูลฮาร์ดแวร์ที่ครอบคลุมแล้ว NI ยังเสนอทางเลือกให้กับนักออกแบบระบบ T&M สำหรับสภาพแวดล้อมการพัฒนาซอฟต์แวร์ ซึ่งรวมถึง InstrumentStudio และ LabVIEW

เมื่อรวมกับเครื่องมือ NI PXI แล้ว InstrumentStudio ช่วยให้วิศวกรทดสอบมีสภาพแวดล้อมซอฟต์แวร์เดียวที่ไม่ต้องเขียนโค้ดเพื่อตรวจสอบและดีบักระบบทดสอบอัตโนมัติ นอกจากนี้ ผู้ใช้ยังสามารถสร้างหน้าจอที่แสดงข้อมูลจากหลายเครื่องมือพร้อมกัน (รูปที่ 4) เครื่องมือช่วยให้ผู้ใช้สามารถจับภาพหน้าจอและผลการวัด และบันทึกการกำหนดค่าระดับโครงการสำหรับ DUT ที่สามารถนำมาใช้ซ้ำหรือแชร์กับนักพัฒนารายอื่นได้

รูปที่ 4: InstrumentStudio สามารถนำเสนอข้อมูลจากหลาย ๆ เครื่องมือการวัดบนหน้าจอเดียว ตัวอย่างเช่น จากออสซิลโลสโคป (แผงด้านซ้ายขนาดใหญ่) DMM (แผงด้านขวาบน) และตัวสร้างฟังก์ชัน (แผงด้านขวาล่าง) (แหล่งที่มาภาพ: NI)

LabVIEW เป็นสภาพแวดล้อมการพัฒนาการทดสอบที่กำหนดโดยซอฟต์แวร์ของ NI ด้วยส่วนติดต่อผู้ใช้แบบกราฟิก (GUI) วิศวกรทดสอบสามารถพัฒนาระบบการวิจัยอัตโนมัติ การตรวจสอบความถูกต้อง และระบบทดสอบการผลิตได้อย่างรวดเร็ว ในระดับพื้นฐาน วิธีการแบบกราฟิกของ LabVIEW ช่วยให้ผู้ที่ไม่ใช่โปรแกรมเมอร์สามารถลากและวางการแสดงเครื่องมือเสมือนเพื่อสร้างโปรแกรม T&M สร้างอินเทอร์เฟซผู้ใช้แบบโต้ตอบ และบันทึกข้อมูลลงในไฟล์ .cvs, .tdms หรือไฟล์ไบนารีที่กำหนดขึ้นเอง

โปรแกรมเมอร์ขั้นสูงจะได้รับประโยชน์จากไดรเวอร์ที่มีอยู่สำหรับ Python, C, C++, C#, .NET และ MATLAB นอกจากนั้น NI ยังมีชุดเครื่องมือซอฟต์แวร์สำหรับการพัฒนาสภาพแวดล้อม T&M ที่ครอบคลุม ได้แก่:

• TestStand สำหรับสร้างลำดับการทดสอบอัตโนมัติ
• G Web ซอฟต์แวร์พัฒนาสำหรับสร้างเว็บแอปพลิเคชัน
• DIAdem สำหรับการวิเคราะห์ข้อมูลเชิงโต้ตอบ
• FlexLogger สำหรับการได้มาและบันทึกข้อมูล T&M

สรุป

การสร้างสภาพแวดล้อมการทดสอบที่กำหนดโดยซอฟต์แวร์สำหรับการออกแบบ การตรวจสอบ และการทดสอบการผลิตส่วนประกอบและระบบจำเป็นต้องใช้เครื่องมือ T&M หลายอย่าง แทนที่จะใช้เครื่องมือจากซัพพลายเออร์หลายรายที่มีข้อกำหนดด้านการเชื่อมต่อ ต้นทุน และพื้นที่ที่เกี่ยวข้อง วิศวกรทดสอบสามารถหันไปใช้ชุดเครื่องมือจาก NI ที่สามารถใช้ในการผลิตระบบทดสอบที่มีขนาดกะทัดรัด ยืดหยุ่น และมีประสิทธิภาพสูง นอกจากนั้น NI ยังมีสภาพแวดล้อมซอฟต์แวร์ให้เลือกมากมายเพื่อเพิ่มความเร็วให้กับกระบวนการพัฒนา

บทความแนะนำ

1. วิธีการสร้างระบบเก็บรวบรวมข้อมูลที่กะทัดรัด
2. ใช้ฟีเจอร์ความสามารถในการตั้งโปรแกรม เครือข่าย และการสำรวจระยะไกลไร้สารตะกั่วของพาวเวอร์ซัพพลายแบบตั้งโต๊ะ