Como agilizar o projeto de sistemas, a validação e o teste de produção usando instrumentos modulares e software

Diversos instrumentos de teste e medição (T&M) são necessários ao projetar, validar e testar a produção de componentes e sistemas para aplicações automotivas, de consumo, industriais, médicas e outras. Esses conjuntos de instrumentos de T&M precisam ser compactos e ter alto desempenho. Eles precisam de baixa latência, além de alta densidade de canal e largura de banda. Além disso, as necessidades de projeto podem mudar com o tempo, portanto, a modularidade é uma grande vantagem para preparar o sistema para o futuro. Em muitos casos, essas atividades de T&M envolvem testes repetitivos ou colaboração entre equipes geograficamente dispersas, o que torna os testes definidos por software um recurso altamente desejável.

O uso de um grupo de instrumentos convencionais é uma possível solução. No entanto, os problemas com a integração de sistemas de dispositivos de diversos fabricantes, incluindo a apresentação de informações em várias telas, a compatibilidade de software, a grande quantidade de cabos e o espaço necessário para vários instrumentos discretos, podem ser um desafio.

Em vez disso, os projetistas de sistemas de T&M podem recorrer a pacotes de instrumentos modulares de alto desempenho e outros módulos de E/S com sincronização especializada e recursos de software importantes, que vão desde a validação de dispositivos até testes de produção automatizados. Essas unidades agrupadas estão disponíveis em um sistema de medição PXI Express compacto, com cinco slots, que é controlado por um laptop ou computador de mesa por meio de uma porta Thunderbolt USB-C.

Este artigo começa com uma breve revisão das métricas de desempenho dos sistemas de instrumentos modulares, incluindo as categorias de instrumentação analógica. Em seguida, ele apresenta uma comparação do desempenho de vários barramentos para sistemas de instrumentos modulares e analisa os desafios relacionados ao aumento da resolução e à diminuição das latências. Ele conclui apresentando os pacotes de fontes de alimentação programáveis (PPS) PXI da NI, incluindo módulos para multímetros digitais, medidores LCR, osciloscópios, E/S multifuncionais, geradores de forma de onda e unidades de medição de fonte, juntamente com ferramentas de software para automatizar o processo de T&M.

Que tipo de medição é necessária?

O processo para determinar que tipo de instrumento de T&M é necessário começa com algumas perguntas básicas:

• O sinal que está sendo medido é uma entrada, uma saída ou ambos?
• A frequência do sinal é de corrente contínua (CC) ou corrente alternada (CA) e, se for CA, é em quilohertz (kHz), megahertz (MHz) ou gigahertz (GHz)?

As respostas a essas perguntas ajudam a determinar se o instrumento necessário é para aplicações de CC e energia, analógicas de baixa velocidade, analógicas de alta velocidade ou de radiofrequência (RF) e sem fio (Tabela 1).

Tabela 1: Há várias categorias básicas de instrumentos de T&M com base nas características de entrada e saída e nos níveis de desempenho. (Fonte da tabela: NI)

Especificações de instrumentos analógicos

Depois de determinar o tipo geral de instrumento necessário para uma tarefa de medição, é hora de identificar os requisitos específicos de desempenho, incluindo:

• Os princípios básicos do sinal incluem garantir que: a faixa de sinal seja grande o suficiente para capturar os sinais necessários, a impedância suporte o carregamento do dispositivo em teste (DUT) e os requisitos de frequência da medição, e a isolação do terra suporte os níveis necessários de imunidade a ruídos e segurança.
• A largura de banda, em kHz, MHz ou GHz, precisa ser adequada para lidar com os sinais que estão sendo medidos, e o conversor analógico-digital (ADC) precisa ser rápido o suficiente em termos de amostras por segundo (S/s), como kS/s, MS/s ou GS/s para capturar as nuanças de sinal necessárias.
• A resolução e a precisão também são considerações importantes. É necessário um nível de resolução de 8 bits, 24 bits ou outro? Qual é a taxa de erro máxima em termos de porcentagem ou partes por milhão que pode ser tolerada? Além disso, qual é a sensibilidade necessária em unidades absolutas, como microvolts (µV) ou nanovolts (nV)?

Vários tipos de instrumentos de T&M exigem diferentes faixas de isolação e impedância de entrada, acoplamento de entrada e especificações de filtragem, sensibilidades de amplificador e resolução e precisão de medição, conforme mostrado no exemplo do caminho de entrada analógica do instrumento de medição (Tabela 2).

Tabela 2: Diferentes instrumentos de T&M, como um DMM e um osciloscópio, podem exigir características de desempenho muito diferentes para uma determinada medição. (Fonte da tabela: NI)

Barramentos, largura de banda e latência

Os instrumentos de T&M precisam ser conectados a um controlador para formar um sistema de teste. Os requisitos para a largura de banda do sinal e a latência do barramento de conexão são considerações importantes. A largura de banda mede a velocidade com que os dados são transmitidos, normalmente em megabytes por segundo, enquanto a latência mede o atraso na transmissão dos dados. Os barramentos comumente usados têm combinações muito variadas de largura de banda e latência. Outro fator é a distância de transmissão que o barramento suporta. Por exemplo, o barramento de interface de uso geral (GPIB) e o barramento serial universal (USB) podem suportar níveis semelhantes de latência, mas o USB oferece maior largura de banda. Por sua vez, a Gigabit Ethernet tem largura de banda média e latência mais alta, mas pode transmitir por distâncias muito maiores.

Ao projetar sistemas de T&M, a PCI e a PCI Express são usadas com frequência. Eles são projetados para links de curto alcance, de até cerca de 1 metro (m), e oferecem alta largura de banda e baixa latência (Figura 1). Uma característica importante do PCI Express é que ele fornece largura de banda dedicada para cada dispositivo no barramento. Isso faz com que o PCI Express seja o barramento de interconexão preferido para aplicações de alto desempenho e com uso intensivo de dados, como sistemas de T&M em tempo real, em que é necessário integrar e sincronizar a operação de vários instrumentos.

Figura 1: O PCI/PXI Express oferece a mais alta combinação de desempenho de resolução e latência. (Fonte da imagem: NI)

Pacotes de instrumentos de T&M

Os projetistas podem recorrer aos pacotes PXI PPS da NI como base para sistemas de T&M de alto desempenho. Os módulos PXI PPS atendem às necessidades básicas de potência do DUT e podem ser expandidos com vários módulos de T&M para dar suporte a uma variedade de aplicações de caracterização de dispositivos, validação de projetos e testes de fabricação. O chassi fornece até 58 watts de potência e resfriamento para instrumentos adicionais, interconexões PXIe de alto desempenho e um link Thunderbolt integrado para conexão com um computador desktop ou laptop externo, atuando como controlador do sistema (Figura 2).

Figura 2: Um pacote PXI PPS básico inclui um controlador, um módulo PPS e slots para mais quatro instrumentos PXI. (Fonte da imagem: NI)

Os PPSs podem ser usados para fornecer energia programável a um DUT enquanto controlam e monitoram os níveis de corrente e tensão para medir o consumo de potência. Eles têm dois canais isolados de 60 watts com sensoriamento remoto para corrigir perdas na fiação do sistema, com uma eficiência típica de 78%. Os canais também incluem desconexões de saída que podem isolar o DUT quando ele não estiver sendo testado.

Exemplos de pacotes de PXI PPS expansíveis com 120 watts de potência para o DUT incluem o 867117-01 com um PPS de dois canais PXIe-4112 (como o modelo 782857-01) que pode fornecer no máximo 1 ampere (A) a 60 volts CC por canal, e o 867118-01 com um PPS de dois canais PXI2-4113 (como o modelo 782857-02) que pode fornecer até 6 A a 10 volts CC por canal (Figura 3).

Figura 3: Os pacotes PXI PPS estão disponíveis com uma opção de fontes de alimentação com saídas de 60 volts CC (esquerda) ou 10 volts CC (direita). (Fonte da imagem: NI)

Início do desenvolvimento do sistema de T&M

A NI oferece aos projetistas uma variedade de pacotes PXI para impulsionar seus esforços de desenvolvimento de sistemas de T&M. Os exemplos incluem:

Pacotes de geradores de forma de onda PXI que podem ser usados para gerar funções padrões e formas de onda arbitrárias definidas pelo usuário. Os pacotes de geradores de formas de onda PXI apresentam até dois canais de saída com larguras de banda de até 80 MHz, uma faixa de saída de ±12 volts e uma taxa de amostragem máxima de 800 MS/s. Por exemplo, o 867119-01 inclui um gerador de função arbitrária de 20 MHz.

Os pacotes de osciloscópios PXI apresentam até oito canais que podem ser amostrados em velocidades de até 5 GS/s com 1,5 GHz de largura de banda analógica. O pacote 867010-01 inclui um módulo de osciloscópio de 60 MHz.

Os pacotes PXI de unidades de medição de fonte (SMU), como o 867111-01, foram projetados para automatizar medições e testes de CC. As SMUs apresentam operação em quatro quadrantes, faixas de até ±200 volts e ±3 A, e sensibilidade tão baixa quanto 100 femtoamperes (fA). Os pacotes PXI SMU combinam a capacidade de realizar varreduras de alta potência e medições de baixa corrente.

Os pacotes PXI LCR, como o 867113-01, podem ser usados para fazer medições de CC e impedância combinando um medidor LCR e uma SMU em um único instrumento. Esse instrumento fornece medições de corrente em fA e capacitância em femtofarad (fF) em um formato PXI de slot único.

Os pacotes PXI DMM suportam medições DMM manuais, comutadas e automatizadas com alta precisão e resolução de até 7,5 dígitos. Uma alta velocidade de amostragem permite que os usuários caracterizem transientes sem a necessidade de um osciloscópio. Os usuários também podem configurar disparadores para aquisição e/ou sequenciamento. Por exemplo, o 867115-01 apresenta um display de 6,5 dígitos.

Os pacotes PXI de medidores em nanovolt são módulos de entrada analógica de alta resolução com resolução de até 28 bits. Eles incluem um modo de corte que usa um par de canais para fornecer altos níveis de rejeição de ruído, o que permite medições precisas e repetíveis de nV e média e filtragem de sinal na placa, bem como comutação de medição com zero automático. O modelo 867125-01 possui 32 canais, resolução de 28 bits e amostragem de 2 MS/s.

Os pacotes PXI de E/S multifuncionais, como o 867124-01, oferecem uma combinação de E/S analógica, E/S digital, contador/temporizador e funções de disparo. Os pacotes PXI de E/S multifuncionais apresentam até quatro canais de saída analógica, 48 canais digitais bidirecionais, 80 canais de entrada analógica e uma taxa de amostragem de 2 MS/s.

O software define o sistema

Além de módulos de hardware abrangentes, a NI oferece aos projetistas de sistemas de T&M uma opção de ambientes de desenvolvimento de software, incluindo o InstrumentStudio e o LabVIEW.

Incluído nos instrumentos PXI da NI, o InstrumentStudio oferece aos engenheiros de teste um único ambiente de software sem código para monitorar e depurar sistemas de teste automatizados. Além disso, os usuários podem criar telas que apresentam dados de vários instrumentos simultaneamente (Figura 4). As ferramentas permitem que os usuários gravem capturas de tela e resultados de medições e salvem configurações ao nível de projeto para DUTs que podem ser reutilizadas ou compartilhadas com outros desenvolvedores.

Figura 4: O InstrumentStudio pode apresentar dados de vários instrumentos em uma única tela. Por exemplo, de um osciloscópio (painel esquerdo grande), um DMM (painel superior direito) e um gerador de funções (painel inferior direito). (Fonte da imagem: NI)

O LabVIEW é o ambiente de desenvolvimento de testes definido por software da NI. Com sua interface gráfica de usuário (GUI), os engenheiros de teste podem desenvolver rapidamente sistemas automatizados de pesquisa, validação e teste de produção. Em um nível básico, a abordagem gráfica do LabVIEW permite que leigos em programação arrastem e soltem representações virtuais de instrumentos para criar programas de T&M, criar interfaces de usuário interativas e salvar dados em arquivos .cvs, .tdms ou arquivos binários personalizados.

Programadores mais avançados podem se beneficiar dos drivers disponíveis para Python, C, C++, C#, .NET e MATLAB. A NI também oferece um pacote de ferramentas de software para o desenvolvimento de ambientes abrangentes de T&M, incluindo:

• TestStand para criar sequências de teste automatizadas
• G Web, um software de desenvolvimento para criar aplicativos na Web
• DIAdem para análise interativa de dados
• FlexLogger para aquisição e registro de dados de T&M

Conclusão

A criação de ambientes de teste definidos por software para projeto, validação e teste de produção de componentes e sistemas requer o uso de vários instrumentos de T&M. Em vez de usar instrumentos de vários fornecedores com requisitos associados de conectividade, custo e espaço, os engenheiros de teste podem recorrer aos pacotes de instrumentos da NI, que podem ser usados para produzir sistemas de teste compactos, flexíveis e de alto desempenho. A NI também oferece uma variedade de ambientes de software para agilizar o processo de desenvolvimento.

Leitura recomendada

1. Como construir um sistema compacto de aquisição de dados
2. Aplique os recursos de programação, funcionamento em rede e sensoriamento remoto sem terminais das fontes de alimentação de bancada