La implementación de un sistema de pruebas automatizado multifunción para la validación del diseño, la prueba de componentes y la prueba de producción de sistemas electrónicos industriales, de consumo, vehiculares, médicos y de otro tipo requiere una gran variedad de instrumentos de prueba y medición. Además, el gran número de sensores utilizados en los diseños modernos requiere múltiples canales analógicos y digitales, por lo que un banco de pruebas determinado debe poder escalarse con facilidad y rentabilidad.
Cumplir estos requisitos puede resultar complicado con equipos de ensayo autónomos. En su lugar, los diseñadores pueden optar por un enfoque modular utilizando un factor de forma estandarizado como PCI eXtensions for Instrumentation (PXI). Hacerlo puede proporcionar la flexibilidad y las ganancias de productividad necesarias para un entorno de pruebas multicanal, multifunción y en rápida evolución, al tiempo que se mantienen los costos al mínimo.
Este artículo ofrece una breve introducción a PXI y utiliza un ejemplo de configuración de pruebas para destacar sus ventajas. A continuación, presenta los paquetes de E/S multifunción PXI de NI y explica cómo configurarlos.
¿Por qué utilizar PXI?
A medida que los bancos de pruebas se hacen más complejos, el uso de equipos autónomos da lugar a múltiples pantallas, paneles frontales, cables de línea e interfaces informáticas lentas para los instrumentos. Esto genera confusión y errores innecesarios que prolongan el tiempo de prueba y reducen la productividad. Además, actualizar o reconfigurar los sistemas de pruebas «rack-and-stack» para añadir funciones como más canales puede resultar difícil y caro. Los instrumentos de una sola función requieren el intercambio de todo el instrumento para cambiar la funcionalidad, y la comunicación, sincronización y reprogramación asociadas complican la cuestión.
Los instrumentos PXI ofrecen la funcionalidad necesaria en un factor de forma estándar y compacto. En este escenario, varios instrumentos, como canales de entrada/salida (E/S) analógicos y digitales, caben uno al lado del otro en un chasis común. PXI también simplifica la incorporación e integración de instrumentos más complejos, como osciloscopios, multímetros y generadores de señales. Los instrumentos se comunican internamente con una estructura de bus común, lo que garantiza un funcionamiento síncrono, mientras que un PC con software unificador permite controlar todos los instrumentos desde una pantalla común.
Un escenario de pruebas habitual
Un ejemplo que demuestra el tipo de mediciones que el módulo de E/S multifunción está diseñado para manejar comprende un variador de velocidad (VSD) en un sistema de control de movimiento inteligente que requiere múltiples tipos de sensores (Figura 1).
Figura 1: Un VSD utiliza varios sensores analógicos y digitales que deben probarse y cuya funcionalidad debe verificarse. (Fuente de la imagen: Art Pini)
La comprobación de los componentes sensores de un VSD garantiza el correcto funcionamiento de los sensores de temperatura del motor, velocidad de giro, posición del eje, par y nivel de vibración. La mayoría de las salidas de los sensores son señales analógicas con un ancho de banda de señal bajo, inferior a 1 megahercio (MHz). Algunos sensores analógicos, como los sensores magnetoresistivos anisotrópicos (AMR) de corriente y los sensores de posición del eje, utilizan puentes resistivos y requieren entradas analógicas en el instrumento de medida. Algunos sensores, como el tacómetro, pueden ser digitales y requerir una o más entradas digitales para su monitorización.
Los módulos de prueba de E/S multifunción son idóneos para probar este tipo de sensores, ya que ofrecen rangos de tensión analógica, anchos de banda y frecuencias de muestreo adaptados a las salidas analógicas de los sensores. También incluyen canales de E/S digitales con velocidades de muestreo superiores a las velocidades de datos que se están probando.
Existen requisitos de TEST similares para aplicaciones en robótica, automoción y entornos industriales en los que se utilizan varios sensores en cada aplicación.
El paquete de pruebas de E/S multifunción
Los paquetes PXI de NI consisten en un chasis PXI de cinco ranuras y cualquiera de los dos módulos de E/S multifunción de NI. Los módulos multifunción PXI ofrecen una mezcla de funciones de E/S analógicas, E/S digitales, contador/temporizador y disparo (Figura 2).
Figura 2: Un paquete de E/S multifunción PXI proporciona un sistema autónomo automatizado de pruebas y mediciones, que incluye un módulo de E/S multifunción PXI y cuatro ranuras abiertas para instrumentos adicionales. (Fuente de la imagen: NI)
El chasis proporciona alimentación y una estructura de bus interna para conectar todos los módulos a través de su panel posterior. El bus PXIe permite el disparo y la sincronización de varios instrumentos. PXIe es un subconjunto de PXI que utiliza una interfaz serie de alta velocidad en lugar del bus de datos paralelo de PXI. Una interfaz Thunderbolt 3 proporciona una interfaz rápida a través de un conector USB 3.0 a una computadora. Los dos conectores USB 3.0 permiten la conexión en cadena de varios chasis PXIe. Las cuatro ranuras abiertas pueden alojar otros instrumentos como osciloscopios, multímetros digitales, generadores de formas de onda, interruptores multiplexores, unidades de medida de fuentes y fuentes de alimentación.
Por ejemplo, el paquete de E/S multifunción 867123-01 de NI consta de un chasis de cinco ranuras PXIe-1083, un módulo de E/S multifunción PXIe-6345 y los cables asociados. Como alternativa, el paquete 867124-01 utiliza el mismo chasis y cableado, pero emplea un módulo PXIe-6363 con conectores de terminación de masa de entrada en el panel frontal (Figura 3).
Figura 3: Una vista detallada del módulo de E/S multifunción PXIe-6363 incluye una vista de los conectores de terminación de masa de entrada en el panel frontal. (Fuente de la imagen: NI)
Los dos paquetes de productos difieren en el número de canales de entrada analógica, el número de canales de salida analógica, el número de canales de E/S digital y la frecuencia de muestreo máxima (en kilo muestras por segundo (kS/s) y megamuestras por segundo (MS/s)) (Tabla 1).
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Tabla 1: Se muestra una comparación de los paquetes de E/S multifunción PXIe-867123 y PXIe-867124. (Fuente de la tabla: Art Pini)
Canales analógicos
Las configuraciones internas de los canales de entrada analógica (AI) de ambos paquetes son idénticas. Un único convertidor de analógico a digital (ADC) se comparte en varios canales de entrada utilizando un multiplexor analógico (Mux) para secuenciar cada entrada (Figura 4).
Figura 4: La configuración de las entradas de los canales analógicos incluye un Mux para encaminar las entradas configuradas individualmente a un único ADC. (Fuente de la imagen: NI)
Las señales de entrada se conectan a través del conector de E/S del panel frontal. Además, la conexión sensora AI y la toma de tierra AI también están disponibles para establecer niveles de referencia precisos para las mediciones. El Mux selecciona una de las entradas analógicas; puede ser un solo canal para mediciones múltiples, o múltiples canales para mediciones secuenciadas. El canal seleccionado se encamina a través de la selección de configuración de entrada analógica. Hay tres configuraciones de entrada: diferencial, referenciada de un solo extremo (RSE) o no referenciada de un solo extremo (NRSE). La conexión diferencial, recomendada para fuentes flotantes, utiliza dos de las entradas analógicas disponibles como entradas diferenciales inversora y no inversora. Las entradas diferenciales no están referenciadas a tierra y pueden conectarse a fuentes flotantes. La configuración de entrada diferencial suprime el ruido en modo común.
La configuración de entrada RSE conecta la entrada inversora (AI-) a tierra en un único punto, ya sea en la tierra AI para una fuente flotante, o en la tierra de la fuente para una fuente basada en tierra.
La configuración NRSE para una fuente flotante conecta la entrada AI- al terminal negativo de la fuente y a la línea de detección AI con un retorno resistivo a tierra AI. Para una fuente referenciada a tierra, el terminal AI- se conecta directamente a la tierra de la fuente y a la línea de detección AI.
La entrada configurada se dirige al amplificador de ganancia de instrumentación programable de NI (NI-PGIA), que amplifica o atenúa la señal entrante para que coincida con el rango de voltaje de entrada del ADC. Hay siete rangos de tensión de entrada programables para las señales analógicas entre ±100 milivoltios (mV) y ±10 voltios. El rango de entrada de cada canal de señal de entrada es programable individualmente, y la ganancia se conmuta junto con la señal de entrada. El NI-PGIA minimiza los tiempos de establecimiento para todos los rangos de voltaje de entrada para maximizar la precisión de la medida de voltaje.
El ADC de ambos digitalizadores tiene una resolución de amplitud de 16 bits. La señal analógica se cuantifica en 65.536 niveles posibles. Esto proporciona una resolución de 320 microvoltios (mv) en el rango de ±10 voltios, y de 3.2 mv en el rango de ±100 mV.
Las salidas digitalizadas del ADC se almacenan en la memoria AI primero en entrar, primero en salir (FIFO).
Los módulos multifunción también disponen de una salida analógica (AO). Hay dos o cuatro salidas analógicas, según el modelo, con un reloj de salida común (Figura 5).
Figura 5: En una etapa de salida analógica típica, el búfer de memoria AO FIFO contiene los valores de muestra de forma de onda descargados del host. (Fuente de la imagen: NI)
El búfer de memoria AO FIFO contiene los valores de muestra de forma de onda descargados de la computadora host. Al tener las muestras almacenadas en el FIFO, las formas de onda analógicas pueden emitirse sin conexión a la computadora. El reloj de muestreo AO sincroniza los datos del FIFO en los convertidores de analógico a digital (DAC) que convierten los valores de muestreo digital en un voltaje analógico. La Selección de referencia AO se utiliza para cambiar el rango de salida analógica. La Selección de referencia AO puede ajustarse a 10 o 5 voltios, o puede aplicarse una referencia externa a través del PFI analógico (APFI).
Canales digitales
Los canales digitales incluyen capacidades de entrada y salida para adquirir o generar señales digitales en una línea común (Figura 6).
Figura 6: Las líneas de E/S digitales bidireccionales (P0.x) pueden adquirir y generar señales digitales. (Fuente de la imagen: NI)
Las líneas P0.x funcionan con líneas digitales estáticas o de alta velocidad como entradas o salidas. Los módulos de la serie PXIe-63xx también disponen de dieciséis líneas de interfaz de función programable (PFI) que el usuario puede configurar como interfaz PFI o canal de E/S digital. Como entrada, el canal PFI puede encaminar una fuente externa para funciones de entrada analógica, salida analógica, entrada digital, salida digital o contador/temporizador. Como salida, muchas de las funciones de entrada analógica, salida analógica, entrada digital, salida digital o contador/temporizador pueden enrutarse a cada terminal PFI.
Todas estas líneas aceptan niveles lógicos altos entre 2.2 y 5.25 voltios y niveles lógicos bajos de 0 a 0.8 voltios. Las líneas digitales se sincronizan hasta a 10 MHz.
Hay un filtro digital en cada línea digital que se utiliza para eliminar el rebote de las señales de entrada digitales. Hay tres ajustes de filtro basados en la frecuencia de reloj de filtro utilizada: corta, media o alta. El ajuste corto garantiza el paso de una anchura de pulso superior a 160 nanosegundos (ns), el ajuste medio pasa anchuras de pulso de 10.24 microsegundos (ms) o superiores, y el ajuste alto pasa anchuras de pulso de 5.12 milisegundos (ms) o superiores. Se garantiza la supresión de los impulsos cuya anchura sea inferior a la mitad de la anchura del impulso transmitido.
Devolución al ejemplo del motor VSD, las entradas digitales pueden utilizarse para descodificar la posición del eje. La posición del eje puede leerse a partir de las salidas digitales de un codificador óptico. El codificador óptico tiene tres salidas digitales: un impulso de índice de una vez por revolución y dos ondas cuadradas con una diferencia de fase de 90˚ llamadas salidas de cuadratura. Estas salidas en cuadratura suelen denominarse «A» y «B». Combinando el impulso de índice con las salidas de cuadratura, se puede calcular la orientación absoluta del eje y el sentido de giro.
Contadores/temporizadores
Ambos módulos PXIe incluyen cuatro etapas de contador/temporizador de 32 bits de propósito general y una etapa de generador de frecuencia. Hay ocho vías de entrada de señal a cada etapa de contador/temporizador, y la entrada del contador temporizador puede ser cualquiera de las catorce señales disponibles. La señal seleccionada debe aplicarse al reloj; no está prevista la cuenta atrás de la entrada del contador/temporizador. Los contadores/temporizadores pueden utilizarse para contar flancos, medir la frecuencia o el periodo, o tomar medidas de impulsos como la anchura, el ciclo de trabajo o el tiempo entre dos flancos.
Un ejemplo de aplicación de contador/temporizador es la medición de la frecuencia del impulso de índice del codificador óptico en la ilustración del motor VSD. La frecuencia puede escalarse para leer la velocidad de rotación del motor en Revoluciones por minuto.
La salida del generador de frecuencia o del contador puede generar un pulso simple, un tren de pulsos, una frecuencia constante, una división de frecuencia o un flujo de pulsos de muestreo de tiempo equivalente (ETS).
El flujo de pulsos ETS produce una salida de pulsos con un retardo incremental desde el pulso de la compuerta del contador. Esto puede proporcionar temporización de muestreo para formas de onda repetitivas, con una frecuencia de muestreo mayor para entradas analógicas con frecuencias superiores a la frecuencia de Nyquist del digitalizador.
Compatibilidad de software
Varios paquetes de software admiten módulos de E/S multifunción. LabVIEW de NI proporciona un entorno gráfico de programación que simplifica la adquisición de datos, procesamiento y análisis. También permite crear interfaces de usuario interactivas para pruebas, supervisión, control y archivo de datos.
Para los usuarios que deseen generar su propio código, NI suministra controladores compatibles con el lenguaje de programación de su elección, incluyendo Python, C, C++, C#, .NET y MATLAB.
NI también ofrece un paquete de software sin código llamado FlexLogger. FlexLogger permite a los usuarios ver, guardar y analizar los datos de las pruebas con herramientas de procesamiento integradas y paneles personalizables. Permite establecer límites para los valores medidos y emitir alarmas en caso de que se superen los límites. FlexLogger también permite a los usuarios personalizar las herramientas de visualización de la interfaz de usuario añadiendo gráficos, indicadores numéricos y medidores (Figura 7).
Figura 7: La pantalla del FlexLogger muestra la medición de la vibración de un motor utilizando un acelerómetro y un tacómetro para buscar una resonancia mecánica. (Fuente de la imagen: NI)
La pantalla muestra el nivel de vibración escalado en g frente al tiempo en el gráfico superior. La lectura del tacómetro, que mide la velocidad de rotación en RPM, se muestra como un reloj comparador en la esquina inferior derecha. La transformación rápida de Fourier (transformación rápida de Fourier) (una de las herramientas de procesamiento de señales disponibles) de los datos de vibración muestra el nivel de vibración frente a la frecuencia en el gráfico inferior.
Conclusión:
Los sistemas de TEST deben adaptarse a los requisitos cambiantes de las aplicaciones que requieren muchas E/S. El paquete de E/S multifunción de NI puede formar la base de un sistema de pruebas multicanal automatizado que ofrece una combinación de canales de entrada y salida analógicos y digitales y múltiples contadores/temporizadores. Empaquetado en un chasis PXIe con ranuras adicionales para otros instrumentos modulares de prueba y medición, proporciona a los usuarios la escalabilidad necesaria para realizar pruebas rentables.
