Implémenter un système de test automatisé compact et flexible avec des offres groupées PXI d'E/S multifonctions

La mise en œuvre d'un système de test automatisé multifonction pour la validation de conception, le test de composants et le test de production des systèmes industriels, grand public, automobiles, médicaux et autres systèmes électroniques requiert une variété d'instruments de test et de mesure. En outre, le grand nombre de capteurs utilisés dans les conceptions modernes nécessite de multiples canaux analogiques et numériques, et un banc d'essai donné doit pouvoir être mis à l'échelle facilement et à moindre coût.

Répondre à ces exigences peut s'avérer complexe en utilisant un équipement de test autonome. À la place, les concepteurs peuvent opter pour une approche modulaire utilisant un facteur de forme standardisé comme PXI (PCI eXtensions for Instrumentation). Cette approche permet de fournir la flexibilité et les gains de productivité nécessaires pour un environnement de test multifonction et multicanal en évolution rapide, tout en maintenant les coûts au minimum.

Cet article présente brièvement PXI et utilise un exemple de configuration de test pour mettre en évidence ses avantages. Il présente ensuite les offres groupées PXI d'E/S multifonctions de NI et explique comment les configurer.

Pourquoi utiliser PXI ?

Plus les bancs d'essai deviennent complexes, plus l'utilisation d'équipements autonomes implique de multiples écrans, panneaux avant, cordons secteur et interfaces instrument-ordinateur lentes. Cette situation est source de confusion et d'erreurs inutiles qui augmentent la durée des tests et réduisent la productivité. De plus, il peut être difficile et coûteux de mettre à jour ou de reconfigurer les systèmes de test « rack-and-stack » pour ajouter des fonctions telles que des canaux supplémentaires. Les instruments à fonction unique requièrent l'échange de l'instrument complet pour modifier la fonctionnalité, et la communication, la synchronisation et la reprogrammation associées compliquent le problème.

Les instruments PXI offrent les fonctionnalités nécessaires dans un format standard et compact. Dans ce scénario, plusieurs instruments tels que des canaux d'entrée/sortie (E/S) analogiques et numériques s'intègrent côte à côte dans un châssis commun. PXI simplifie également l'ajout et l'intégration d'instruments plus complexes tels que des oscilloscopes, des multimètres et des générateurs de signaux. Les instruments communiquent en interne avec une structure de bus commune, assurant un fonctionnement synchrone, tandis qu'un PC exécutant un logiciel unificateur permet de contrôler tous les instruments à partir d'un écran commun.

Un scénario de test courant

Un exemple illustrant le type de mesures que le module E/S multifonction peut prendre en charge comprend un variateur de vitesse (VSD) dans un système de contrôle de mouvement intelligent exigeant plusieurs types de capteurs (Figure 1).

Figure 1 : Un VSD utilise plusieurs capteurs analogiques et numériques qui doivent être testés et dont les fonctionnalités doivent être vérifiées. (Source de l'image : Art Pini)

Le test des composants des capteurs d'un VSD garantit le bon fonctionnement des capteurs de température, de vitesse de rotation, de position de l'arbre, de couple et de niveau de vibrations du moteur. La plupart des sorties des capteurs sont des signaux analogiques dont la bande passante est inférieure à 1 mégahertz (MHz). Certains capteurs analogiques, comme les capteurs de courant magnétorésistifs anisotropes (AMR) et les capteurs de position d'arbre, utilisent des ponts résistifs et requièrent des entrées différentielles dans l'instrument de mesure. Certains capteurs, comme les tachymètres, peuvent être numériques et nécessiter une ou plusieurs entrées numériques pour la surveillance.

Les modules de test E/S multifonctions conviennent bien au test de ces types de capteurs, car ils offrent des plages de tensions analogiques, des bandes passantes et des fréquences d'échantillonnage adaptées aux sorties des capteurs analogiques. Ils incluent également des canaux E/S numériques avec des fréquences d'échantillonnage supérieures aux débits de données testés.

Des exigences de test similaires existent pour les applications dans les environnements robotiques, automobiles et industriels où plusieurs capteurs sont utilisés dans chaque application.

Offre groupée de tests E/S multifonctions

Les offres groupées PXI de NI se composent d'un châssis PXI à cinq emplacements et de l'un des deux modules E/S multifonctions de NI. Les modules multifonctions PXI offrent une combinaison d'E/S analogiques, d'E/S numériques, de compteur/temporisateur et de fonctionnalités de déclenchement (Figure 2).

Figure 2 : L'offre groupée PXI d'E/S multifonctions fournit un système de test et de mesure automatisé autonome, comprenant un module E/S PXI multifonction et quatre emplacements ouverts pour des instruments supplémentaires. (Source de l'image : NI)

Le châssis fournit l'alimentation et une structure de bus interne pour relier tous les modules via son fond de panier. Le bus PXIe permet le déclenchement et la synchronisation de plusieurs instruments. PXIe est un sous-ensemble de PXI qui utilise une interface série haute vitesse au lieu du bus de données parallèle de PXI. Une interface Thunderbolt 3 fournit une interface rapide à un ordinateur via un connecteur USB 3.0. Deux connecteurs USB 3.0 permettent la connexion en chaîne de plusieurs châssis PXIe. Les quatre emplacements ouverts peuvent accueillir d'autres instruments tels que des oscilloscopes, des multimètres numériques, des générateurs de formes d'onde, des commutateurs multiplexeurs, des unités de mesure source et des alimentations.

Par exemple, l'offre groupée d'E/S multifonctions 867123-01 de NI se compose d'un châssis à cinq emplacements PXIe-1083, d'un module d'E/S multifonctions PXIe-6345 et de câbles associés. Alternativement, l'offre groupée 867124-01 utilise le même châssis et le même câblage, mais utilise un module PXIe-6363 avec des connecteurs de terminaison de masse d'entrée sur le panneau avant (Figure 3).

Figure 3 : Vue détaillée du module E/S multifonction PXIe-6363 avec connecteurs de terminaison de masse d'entrée sur le panneau avant. (Source de l'image : NI)

Les deux offres groupées diffèrent par le nombre de canaux d'entrée analogiques, le nombre de canaux de sortie analogiques, le nombre de canaux E/S numériques et la fréquence d'échantillonnage maximum (en kilo-échantillons par seconde (Kéch./s) et en méga-échantillons par seconde (Méch./s)) (Tableau 1).

Tableau 1 : Comparaison des offres groupées d'E/S multifonctions PXIe-867123 et PXIe-867124. (Source du tableau : Art Pini)

Canaux analogiques

Les configurations internes des canaux d'entrée analogiques (AI) des deux offres groupées sont identiques. Un seul convertisseur analogique-numérique (CAN) est partagé entre plusieurs canaux d'entrée à l'aide d'un multiplexeur (mux) analogique pour séquencer chaque entrée (Figure 4).

Figure 4 : La configuration des entrées des canaux analogiques inclut un multiplexeur pour router les entrées configurées individuellement vers un seul CAN. (Source de l'image : NI)

Les signaux d'entrée sont connectés via le connecteur E/S du panneau avant. De plus, la connexion de détection AI et la masse AI sont également disponibles pour établir des niveaux de référence précis pour les mesures. Le multiplexeur sélectionne l'une des entrées analogiques ; il peut s'agir d'un seul canal pour plusieurs mesures ou de plusieurs canaux pour des mesures séquencées. Le canal sélectionné est routé via la sélection de configuration d'entrée analogique. Il existe trois configurations d'entrée : différentielle, asymétrique référencée (RSE) et asymétrique non référencée (NRSE). La connexion différentielle, recommandée pour les sources flottantes, utilise deux des entrées analogiques disponibles comme entrées différentielles inverseuses et non inverseuses. Les entrées différentielles ne sont pas référencées à la masse et peuvent être connectées à des sources flottantes. La configuration d'entrée différentielle supprime le bruit de mode commun.

La configuration d'entrée RSE relie l'entrée inverseuse (AI-) à la masse en un seul point, soit à la masse AI pour une source flottante, soit à la masse de la source pour une source basée à la terre.

La configuration NRSE pour une source flottante connecte l'entrée AI- à la borne négative de la source et à la ligne de détection AI avec un retour résistif à la masse AI. Pour une source référencée à la terre, la borne AI- est directement connectée à la masse de la source et à la ligne de détection AI.

L'entrée configurée est routée vers l'amplificateur de mesure à gain programmable de NI (NI-PGIA), qui amplifie ou atténue le signal entrant pour correspondre à la plage de tensions d'entrée du CAN. Il existe sept plages de tensions d'entrée programmables pour les signaux analogiques entre ±100 millivolts (mV) et ±10 volts (V). La plage d'entrée de chaque canal de signal d'entrée est programmable individuellement et le gain est commuté avec le signal d'entrée. Le NI-PGIA minimise le temps de stabilisation pour toutes les plages de tensions d'entrée afin de maximiser la précision des mesures de tension.

Le CAN pour les deux numériseurs a une résolution d'amplitude de 16 bits. Le signal analogique est quantifié en 65 536 niveaux possibles. Cela fournit une résolution de 320 microvolts (µV) dans la plage de ±10 V et de 3,2 µV dans la plage de ±100 mV.

Les sorties numérisées du CAN sont stockées dans la mémoire AI FIFO.

Les modules multifonctions disposent également d'une capacité de sortie analogique (AO). Il y a deux ou quatre sorties analogiques, selon le modèle, avec une horloge de sortie commune (Figure 5).

Figure 5 : Dans un étage de sortie analogique typique, la mémoire tampon AO FIFO contient les valeurs d'échantillons de forme d'onde téléchargées depuis l'hôte. (Source de l'image : NI)

La mémoire tampon AO FIFO contient les valeurs d'échantillons de forme d'onde téléchargées depuis l'ordinateur hôte. Le stockage des échantillons dans la mémoire FIFO permet la sortie de formes d'ondes analogiques sans connexion à un ordinateur. L'horloge d'échantillonnage AO synchronise les données de la mémoire FIFO dans les convertisseurs numérique-analogique (CNA) qui convertissent les valeurs d'échantillons numériques en tension analogique. La sélection de référence AO est utilisée pour modifier la plage de sortie analogique. La sélection de référence AO peut être définie sur 10 V ou 5 V, ou une référence externe peut être appliquée via l'interface PFI analogique (APFI).

Canaux numériques

Les canaux numériques incluent à la fois des capacités d'entrée et de sortie pour acquérir ou générer des signaux numériques sur une ligne commune (Figure 6).

Figure 6 : Les lignes E/S numériques bidirectionnelles (P0.x) peuvent acquérir et générer des signaux numériques. (Source de l'image : NI)

Les lignes P0.x fonctionnent avec des lignes numériques statiques ou haute vitesse comme entrées ou sorties. Les modules série PXIe-63xx sont également dotés de seize lignes PFI (Programmable Function Interface) qui peuvent être configurées par l'utilisateur comme interface PFI ou canal E/S numérique. En tant qu'entrée, le canal PFI peut router une source externe pour des fonctions d'entrée analogique, de sortie analogique, d'entrée numérique, de sortie numérique ou de compteur/temporisateur. En tant que sortie, de nombreuses fonctions d'entrée analogique, de sortie analogique, d'entrée numérique, de sortie numérique ou de compteur/temporisateur peuvent être routées vers chaque borne PFI.

Toutes ces lignes acceptent des niveaux logiques hauts compris entre 2,2 V et 5,25 V et des niveaux logiques bas de 0 V à 0,8 V. Les lignes numériques sont cadencées jusqu'à 10 MHz.

Sur chaque ligne numérique se trouve un filtre numérique utilisé pour neutraliser les rebonds des signaux d'entrée numériques. Il existe trois réglages de filtre basés sur la fréquence d'horloge du filtre utilisée : court, moyen ou élevé. Le réglage court garantit le passage d'une largeur d'impulsion supérieure à 160 nanosecondes (ns), le réglage moyen permet des largeurs d'impulsion de 10,24 microsecondes (µs) ou plus, et le réglage élevé permet des largeurs d'impulsion de 5,12 millisecondes (ms) ou plus. Les impulsions dont la largeur est inférieure à la moitié de la largeur d'impulsion passée sont garanties d'être supprimées.

Pour revenir à l'exemple du moteur VSD, les entrées numériques peuvent être utilisées pour décoder la position de l'arbre. La position de l'arbre peut être lue à partir des sorties numériques d'un codeur optique. Le codeur optique est doté de trois sorties numériques : une impulsion d'index par tour et deux ondes carrées avec une différence de phase de 90°, ou sorties en quadrature. Ces sorties en quadrature sont généralement appelées « A » et « B ». L'orientation absolue de l'arbre et le sens de rotation peuvent être calculés en combinant l'impulsion d'index et les sorties en quadrature.

Compteur/temporisateur

Les deux modules PXIe incluent quatre étages de compteur/temporisateur 32 bits à usage général et un étage de générateur de fréquences. Il y a huit chemins d'entrée de signal vers chaque étage de compteur/temporisateur, et l'entrée du compteur/temporisateur peut être n'importe lequel des quatorze signaux disponibles. Le signal sélectionné doit être appliqué à l'horloge ; il n'est pas prévu de décrémenter l'entrée du compteur/temporisateur. Le compteur/temporisateur peut être utilisé pour compter les fronts, mesurer la fréquence ou la période, ou prendre des mesures d'impulsions telles que la largeur, le rapport cyclique ou le temps entre deux fronts.

Un exemple d'application de compteur/temporisateur consiste à mesurer la fréquence de l'impulsion d'index du codeur optique dans l'illustration du moteur VSD. La fréquence peut être mise à l'échelle pour lire la vitesse de rotation du moteur en tours par minute.

La sortie du générateur de fréquences ou du compteur peut générer une impulsion simple, un train d'impulsions, une fréquence constante, une division de fréquence ou un train d'impulsions à échantillonnage temporel équivalent (ETS).

Le train d'impulsions ETS produit une sortie d'impulsion avec un retard incrémentiel par rapport à l'impulsion de déblocage du compteur. Cela peut fournir une synchronisation d'échantillonnage pour les formes d'ondes répétitives, avec une fréquence d'échantillonnage plus élevée pour les entrées analogiques avec des fréquences supérieures à la fréquence de Nyquist du numériseur.

Prise en charge logicielle

Plusieurs progiciels prennent en charge les modules E/S multifonctions. LabVIEW de NI fournit un environnement de programmation graphique qui simplifie l'acquisition, le traitement et l'analyse de données. Il permet également la création d'interfaces utilisateur interactives pour les tests, la surveillance, le contrôle et l'archivage des données.

Pour les utilisateurs qui souhaitent générer leur propre code, NI fournit des pilotes prenant en charge le langage de programmation de leur choix, y compris Python, C, C++, C#, .NET et MATLAB.

NI propose également un progiciel sans code appelé FlexLogger. FlexLogger permet aux utilisateurs d'afficher, d'enregistrer et d'analyser les données de test avec des outils de traitement intégrés et des tableaux de bord personnalisables. Il offre la possibilité de définir des limites sur les valeurs mesurées et d'avertir en cas de dépassement de ces limites. FlexLogger permet également aux utilisateurs de personnaliser les outils de visualisation de l'interface utilisateur en ajoutant des graphiques, des indicateurs numériques et des compteurs (Figure 7).

Figure 7 : L'écran FlexLogger montre la mesure des vibrations d'un moteur à l'aide d'un accéléromètre et d'un tachymètre pour rechercher une résonance mécanique. (Source de l'image : NI)

L'écran affiche le niveau de vibrations mis à l'échelle en g par rapport au temps dans le graphique supérieur. La lecture du tachymètre, mesurant la vitesse de rotation en tr/min, est représentée par un cadran dans le coin inférieur droit. La transformation de Fourier rapide (FFT) (l'un des outils de traitement des signaux disponibles) des données de vibrations montre le niveau de vibrations par rapport à la fréquence dans le graphique du bas.

Conclusion

Les systèmes de test doivent s'adapter aux exigences changeantes des applications requérant de nombreuses E/S. L'offre groupée d'E/S multifonctions de NI peut constituer la base d'un système de test automatisé multicanal offrant une combinaison de canaux d'entrée et de sortie analogiques et numériques et plusieurs compteurs/temporisateurs. Présentée dans un châssis PXIe avec des emplacements supplémentaires pour d'autres instruments de test et de mesure modulaires, elle offre aux utilisateurs l'évolutivité nécessaire pour des tests à moindre coût.