Implementação de um sistema de teste automatizado compacto e flexível usando pacotes de E/S multifuncionais PXI

A implementação de um sistema de teste automatizado multifuncional para validação de projeto, teste de componentes e teste de produção de sistemas eletrônicos industriais, de consumo, veiculares, médicos e outros requer uma variedade de instrumentos de teste e medição. Além disso, o grande número de sensores usados em projetos modernos exige vários canais analógicos e digitais, e um determinado banco de ensaio deve ser capaz de ser dimensionado de forma fácil e econômica.

Atender a esses requisitos pode ser um desafio usando equipamentos de teste autônomos. Em vez disso, os projetistas podem optar por uma abordagem modular usando um fator de forma padronizado, como o PCI eXtensions for Instrumentation (PXI). Isso pode proporcionar a flexibilidade e os ganhos de produtividade necessários para um ambiente de teste multicanal, multifuncional e em rápida mudança, ao mesmo tempo em que mantém os custos em um nível mínimo.

Este artigo apresenta uma breve introdução ao PXI e usa um arranjo de teste como amostra para destacar seus benefícios. Em seguida, ele apresenta os pacotes de E/S multifuncionais PXI da NI e discute como configurá-los.

Por que usar PXI?

À medida que os bancos de ensaio se tornam mais complexos, o uso de equipamentos autônomos leva a várias telas, painéis frontais, cabos de linha e interfaces lentas de computador com os instrumentos. Isso gera confusão e erros desnecessários que prolongam o tempo de teste e reduzem a produtividade. Além disso, pode ser difícil e caro atualizar ou reconfigurar os sistemas de teste em empilhados em racks para adicionar recursos, como mais canais. Os instrumentos de função única exigem a troca de todo o instrumento para alterar a funcionalidade, e a comunicação, a sincronização e a reprogramação associadas complicam o problema.

Os instrumentos PXI oferecem a funcionalidade necessária em um fator de forma padrão e compacto. Nesse cenário, vários instrumentos, como canais de entrada/saída (E/S) analógicos e digitais, cabem lado a lado em um chassi comum. O PXI também simplifica a complementação e a integração de instrumentos mais complexos, como osciloscópios, multímetros e geradores de sinais. Os instrumentos se comunicam internamente com uma estrutura de barramento comum, garantindo a operação síncrona, enquanto um PC que executa um software unificador permite que todos os instrumentos sejam controlados a partir de uma tela comum.

Um cenário de teste comum

Um exemplo que demonstra os tipos de medições com as quais o módulo de E/S multifuncional foi projetado para lidar compreende um acionamento de velocidade variável (VSD) em um sistema de controle de movimento inteligente que requer vários tipos de sensores (Figura 1).

Figura 1: Um VSD usa vários sensores analógicos e digitais que precisam ser testados e sua funcionalidade verificada. (Fonte da imagem: Art Pini)

O teste dos componentes do sensor de um VSD garante a operação correta dos sensores de temperatura do motor, velocidade de rotação, posição do eixo, torque e nível de vibração. A maioria das saídas do sensor são sinais analógicos com uma baixa largura de banda do sinal, inferior a 1 megahertz (MHz). Alguns sensores analógicos, como os sensores de corrente magnetoresistivos anisotrópicos (AMR) e os sensores de posição do eixo, usam pontes resistivas e exigem entradas diferenciais no instrumento de medição. Outros sensores, como o tacômetro, podem ser digitais e exigir uma ou mais entradas digitais para monitoramento.

Os módulos de teste de E/S multifuncionais são adequados para testar esses tipos de sensores, oferecendo faixas de tensão analógica, larguras de banda e taxas de amostragem compatíveis com as saídas do sensor analógico. Eles também incluem canais de E/S digital com taxas de amostragem maiores do que as taxas de dados que estão sendo testadas.

Há requisitos de teste semelhantes para aplicações em robótica, automotiva e ambientes industriais em que vários sensores são usados em cada aplicação.

O pacote de teste de E/S multifuncional

Os pacotes PXI da NI consistem em um chassi PXI de cinco slots e um dos dois módulos de E/S multifuncionais da NI. Os módulos multifuncionais PXI oferecem uma combinação de E/S analógica, E/S digital, contador/temporizador e funcionalidade de gatilho (Figura 2).

Figura 2: Um pacote de E/S multifuncional PXI fornece um sistema autônomo de teste e medição automatizado, incluindo um módulo de E/S multifuncional PXI e quatro slots abertos para instrumentos adicionais. (Fonte da imagem: NI)

O chassi fornece energia e uma estrutura de barramento interna para conectar todos os módulos por meio de seu backplane. O barramento PXIe permite o gatilho e a sincronização de vários instrumentos. O PXIe é um subconjunto do PXI que usa uma interface serial de alta velocidade em vez do barramento de dados paralelo do PXI. Uma interface Thunderbolt 3 fornece uma interface rápida por meio de um conector USB 3.0 para um computador. Dois conectores USB 3.0 permitem o encadeamento de vários chassis PXIe. Os quatro slots abertos podem acomodar outros instrumentos, como osciloscópios, multímetros digitais, geradores de forma de onda, chaves multiplexadoras, unidades de medição de fonte e fontes de alimentação.

Por exemplo, o pacote de E/S multifuncional 867123-01 da NI consiste em um chassi de cinco slots PXIe-1083, um módulo de E/S multifuncional PXIe-6345 e cabos associados. Como alternativa, o pacote 867124-01 usa o mesmo chassi e cabeamento, mas usa um módulo PXIe-6363 com conectores de terminação em massa de entrada no painel frontal (Figura 3).

Figura 3: Uma visão detalhada do módulo de E/S multifuncional PXIe-6363 inclui uma visão dos conectores de terminação em massa de entrada no painel frontal. (Fonte da imagem: NI)

Os dois pacotes de produtos diferem no número de canais de entrada analógica, no número de canais de saída analógica, no número de canais de E/S digital e na taxa máxima de amostragem (em quilo amostras por segundo (kS/s) e mega amostras por segundo (MS/s)) (Tabela 1).

Tabela 1: É mostrada uma comparação dos pacotes de E/S multifuncionais PXIe-867123 e PXIe-867124. (Fonte da tabela: Art Pini)

Canais analógicos

As configurações internas do canal de entrada analógica (AI) de ambos os pacotes são idênticas. Um único conversor analógico-digital (ADC) é compartilhado por vários canais de entrada usando um multiplexador analógico (Mux) para sequenciar cada entrada (Figura 4).

Figura 4: A configuração das entradas do canal analógico inclui um Mux para rotear as entradas configuradas individualmente em um único ADC. (Fonte da imagem: NI)

Os sinais de entrada são conectados por meio do conector de E/S do painel frontal. Além disso, a conexão de detecção da AI e o terra da AI também estão disponíveis para estabelecer níveis de referência precisos para as medições. O Mux seleciona uma das entradas analógicas; pode ser um único canal para várias medições ou vários canais para medições sequenciadas. O canal selecionado é roteado por meio da seleção da configuração da entrada analógica. Há três configurações de entrada: diferencial, com terminal simples referenciado (RSE) ou com terminal simples não referenciado (NRSE). A conexão diferencial, recomendada para fontes flutuantes, usa duas das entradas analógicas disponíveis como entradas diferenciais inversoras e não inversoras. As entradas diferenciais não são referenciadas ao terra e podem ser conectadas a fontes flutuantes. A configuração de entrada diferencial suprime o ruído de modo comum.

A configuração de entrada RSE vincula a entrada inversora (AI-) ao aterramento em um único ponto, seja no terra da AI para uma fonte flutuante ou no terra da fonte para uma fonte baseada no terra.

A configuração NRSE para uma fonte flutuante conecta a entrada AI- ao terminal negativo da fonte e à linha de detecção da AI com um retorno resistivo ao terra da AI. Para uma fonte referenciada pelo terra, o terminal AI- se conecta diretamente ao terra da fonte e à linha de detecção da AI.

A entrada configurada é roteada para o amplificador da instrumentação de ganho programável NI (NI-PGIA), que amplifica ou atenua o sinal de entrada para corresponder à faixa de tensão de entrada do ADC. Há sete faixas de tensão de entrada programáveis para os sinais analógicos entre ±100 milivolts (mV) e ±10 volts. A faixa de entrada de cada canal do sinal de entrada é programável individualmente, e o ganho é alterado junto com o sinal de entrada. O NI-PGIA minimiza os tempos de acomodação em todas as faixas da tensão de entrada para maximizar a precisão da medição de tensão.

O ADC para ambos os digitalizadores têm uma resolução de amplitude de 16 bits. O sinal analógico é quantizado em 65.536 níveis possíveis. Isso proporciona uma resolução de 320 microvolts (mv) na faixa de ±10 volts e de 3,2 mv na faixa de ±100 mV.

As saídas digitalizadas do ADC são armazenadas na memória AI FIFO (primeiro a entrar, primeiro a sair).

Os módulos multifuncionais também têm um recurso de saída analógica (AO). Há duas ou quatro saídas analógicas, dependendo do modelo, com um clock de saída comum (Figura 5).

Figura 5: Em um estágio típico de saída analógica, o buffer de memória AO FIFO mantém os valores de amostra da forma de onda baixados do host. (Fonte da imagem: NI)

O buffer de memória AO FIFO mantém os valores de amostra da forma de onda baixados do computador host. Ter as amostras armazenadas no FIFO significa que as formas de onda analógicas podem ser geradas sem a conexão com o computador. O clock de amostragem da AO sincroniza os dados do FIFO com os conversores digitais para analógicos (DACs) que convertem os valores de amostragem digital em uma tensão analógica. A seleção de referência da AO é usada para alterar a faixa de saída analógica. A seleção de referência da AO pode ser definida como 10 ou 5 volts, ou uma referência externa pode ser aplicada por meio do PFI analógico (APFI).

Canais digitais

Os canais digitais incluem recursos de entrada e saída para adquirir ou gerar sinais digitais em uma linha comum (Figura 6).

Figura 6: As linhas de E/S digitais bidirecionais (P0.x) podem adquirir e gerar sinais digitais. (Fonte da imagem: NI)

As linhas P0.x funcionam com linhas digitais estáticas ou de alta velocidade como entradas ou saídas. Os módulos da série PXIe-63xx também têm dezesseis linhas de PFI (Interface de Função Programável) que podem ser configuradas pelo usuário como uma interface PFI ou um canal de E/S digital. Como entrada, o canal PFI pode rotear uma fonte externa para funções de entrada analógica, saída analógica, entrada digital, saída digital ou contador/temporizador. Como saída, muitas das funções de entrada analógica, saída analógica, entrada digital, saída digital ou contador/temporizador podem ser roteadas para cada terminal PFI.

Todas essas linhas aceitam níveis lógicos altos entre 2,2 e 5,25 volts e níveis lógicos baixos de 0 a 0,8 volts. O clock das linhas digitais é de até 10 MHz.

Há um filtro digital em cada linha digital que é usado para reduzir o ruído dos sinais da entrada digital. Há três configurações de filtro com base na frequência de clock utilizada do filtro: curta, média ou alta. A configuração curta garante a passagem de uma largura de pulso superior a 160 nanossegundos (ns), a configuração média passa por larguras de pulso de 10,24 microssegundos (ms) ou mais, e a configuração alta passa por larguras de pulso de 5,12 milissegundos (ms) ou mais. É garantido que os pulsos com larguras menores do que a metade da largura do pulso passado sejam suprimidos.

Voltando ao exemplo do motor VSD, as entradas digitais podem ser usadas para decodificar a posição do eixo. A posição do eixo pode ser lida a partir das saídas digitais de um codificador óptico. O codificador óptico tem três saídas digitais: um pulso de índice por rotação e duas ondas quadradas com uma diferença de fase de 90˚, chamadas de saídas de quadratura. Essas saídas em quadratura são geralmente chamadas de "A" e "B". Ao combinar o pulso de índice com as saídas de quadratura, é possível calcular a orientação absoluta do eixo e o sentido da rotação.

Contadores/temporizadores

Os dois módulos PXIe incluem quatro estágios de contador/temporizador de 32 bits de uso geral e um estágio de gerador de frequência. Há oito caminhos de entrada de sinal para cada estágio de contador/temporizador, e a entrada do contador/temporizador pode ser qualquer um dos quatorze sinais disponíveis. O sinal selecionado deve ser aplicado ao clock; não há provisão de contagem regressiva da entrada do contador/temporizador. O contador/temporizador pode ser usado para contar bordas, medir a frequência ou o período ou fazer medições de pulso, como largura, ciclo de trabalho ou o tempo entre duas bordas.

Um exemplo de aplicação de contador/temporizador é a medição da frequência do pulso de índice vindo do codificador óptico na ilustração do motor VSD. A frequência pode ser dimensionada para ler a velocidade de rotação do motor em rotações por minuto.

O gerador de frequência ou a saída do contador pode gerar um pulso simples, um trem de pulsos, uma frequência constante, uma divisão de frequência ou um fluxo de pulso de amostragem de tempo equivalente (ETS).

O fluxo de pulso ETS produz uma saída de pulso com um atraso de incremento vindo do pulso da porta do contador. Isso pode fornecer temporização de amostragem para formas de onda repetitivas, com uma taxa de amostragem mais alta para entradas analógicas com frequências mais altas do que a frequência de Nyquist do digitalizador.

Suporte de software

Vários pacotes de software oferecem suporte a módulos de E/S multifuncionais. O LabVIEW da NI oferece um ambiente de programação gráfica que simplifica a aquisição, o processamento e a análise de dados. Ele também permite a criação de interfaces de usuário interativas para testes, monitoramento, controle e arquivamento de dados.

Para os usuários que desejam gerar seu próprio código, a NI fornece drivers que suportam a linguagem de programação de sua preferência, incluindo Python, C, C++, C#, .NET e MATLAB.

A NI também oferece um pacote de software sem código chamado FlexLogger. O FlexLogger permite que os usuários visualizem, salvem e analisem dados de teste com ferramentas de processamento integradas e painéis de controle personalizáveis. Ele tem a capacidade de definir limites para os valores medidos e emitir alarmes para condições fora dos limites. O FlexLogger também permite que os usuários personalizem as ferramentas de visualização da interface do usuário adicionando gráficos, indicadores numéricos e medidores (Figura 7).

Figura 7: A tela do FlexLogger mostra a medição da vibração de um motor usando um acelerômetro e um tacômetro para procurar uma ressonância mecânica. (Fonte da imagem: NI)

A tela mostra o nível de vibração escalonado em g versus tempo no gráfico superior. A leitura do tacômetro, que mede a velocidade de rotação em RPM, é mostrada como um indicador de ponteiro no canto inferior direito. A transformada rápida de Fourier (FFT) (uma das ferramentas de processamento de sinais disponíveis) dos dados de vibração mostra o nível de vibração versus a frequência no gráfico inferior.

Conclusão

Os sistemas de teste devem se adaptar às mudanças nos requisitos das aplicações que exigem muita E/S. O pacote de E/S multifuncional da NI pode formar a base de um sistema de teste automatizado multicanal que oferece uma combinação de canais de entrada e saída analógicos e digitais e vários contadores/temporizadores. Empacotado em um chassi PXIe com slots extras para outros instrumentos modulares de teste e medição, ele oferece aos usuários a escalabilidade necessária para testes com custo-benefício.