PXIマルチファンクションI/Oバンドルによる小型で柔軟な自動テストシステムの実装
著者 Art Pini 氏
DigiKeyの北米担当編集者の提供
2023-11-14
マルツ掲載日：2024-04-15
産業用/民生用/車両用/医療用などの電子システムの設計検証や部品テスト、製造テストを行うために多機能な自動テストシステムを実装するには、さまざまなテスト機器や計測器が必要になります。また、最新の設計には多数のセンサが使用されるため、複数のアナログチャンネルやデジタルチャンネルが必要となり、テストベッドも簡単かつコスト効率よく拡張できる必要があります。
これらの要件を満たすことは、スタンドアロンのテスト機器では困難な場合があります。その代わりに、設計者はPCI eXtensions for Instrumentation(PXI)のような標準化されたフォームファクタを使用したモジュラーアプローチを選ぶことができます。そうすることで、コストを最小限に抑えながら、急速に変化する多機能で多チャンネルのテスト環境に必要な柔軟性と生産性を向上させることができます。
この記事ではPXIを簡単に紹介し、サンプルのテストセットアップを使用してその利点を明確に示します。その後、NIのPXIマルチファンクションI/Oバンドルを紹介し、その設定方法について説明します。
PXIを使用する理由
テストベッドが複雑化するにつれ、スタンドアロン機器を使用する場合は、複数の画面とフロントパネル、ラインコード、低速機器とコンピュータ間のインターフェースなどが必要になります。これによって混乱と不必要なエラーが起こり、テスト時間が延びて生産性が低下します。
さらに、「ラックアンドスタック」テストシステムの更新や再構成を行ってチャンネル数などの機能を追加することは困難で、コストがかかる可能性があります。単機能計測器では、機能を変更するために計測器全体を交換する必要があり、関連する通信、同期、再プログラミングなどで問題が複雑になります。
PXI計測器は、標準的な小型のフォームファクタにより必要な機能を提供します。このシナリオでは、アナログとデジタルの入出力(I/O)チャンネルのような複数の機器が、共通のシャーシに並んで収まります。PXIはまた、オシロスコープやマルチメータ、信号発生器など、より複雑な機器を追加したり統合することも簡素化します。各機器は共通のバス構造を使って内部で通信を行い、同期動作を保証します。また、PCでは統一されたソフトウェアを実行するため、すべての計測器を共通の画面から制御することができます。
一般的なテストシナリオ
マルチファンクションI/Oモジュールの設計で対応できる測定の一例として、複数のセンサが必要なインテリジェントモーションコントロールシステムの可変速ドライブ(VSD)が挙げられます(図1)。
図1：VSDに使用される複数のアナログセンサとデジタルセンサには、テストと機能検証が必要です。(画像提供：Art Pini)
VSDのセンサをテストすることで、モータの温度、回転速度、シャフト位置、トルク、振動レベルのセンサが正しく機能することが保証されます。センサ出力のほとんどはアナログ信号で、信号帯域幅は1MHz未満と低くなっています。異方性磁気抵抗(AMR)電流センサやシャフト位置センサなど、一部のアナログセンサには抵抗ブリッジを使用するため、計測器に差動入力が必要になります。タコメータのような一部のセンサはデジタルで、監視用に1つ以上のデジタル入力が必要な場合があります。
マルチファンクションI/Oテストモジュールは、アナログ電圧範囲、帯域幅、アナログセンサ出力に適合したサンプルレートを提供するため、この種のセンサのテストに適しています。また、テスト対象のデータレートよりも高いサンプルレートのデジタルI/Oチャンネルも含みます。ロボティクス、自動車、産業環境など、複数のセンサが使用されるアプリケーションにも同様のテスト要件があります。
マルチファンクションI/Oテストバンドル
NIのPXIバンドルは、5スロットのPXIシャーシと、2つのNIマルチファンクションI/Oモジュールのいずれかで構成されています。PXIマルチファンクションモジュールは、アナログI/O、デジタルI/O、カウンタ/タイマ、トリガ機能を提供します(図2)。
図2：PXIマルチファンクションI/Oバンドルは、PXIマルチファンクションI/Oモジュールと追加機器用の4つのオープンスロットを含む、スタンドアロンの自動テストと測定システムを提供します。(画像提供：NI)
シャーシは、電源とバックプレーンを介してすべてのモジュールにリンクする内部バス構造を提供します。PXIeバスにより、複数の計測器のトリガと同期が可能になります。PXIeはPXIのサブセットで、PXIのパラレルデータバスの代わりに高速シリアルインターフェースを使用します。Thunderbolt 3インターフェースは、USB 3.0コネクタ経由でコンピュータに高速インターフェースを提供します。
2つのUSB 3.0コネクタにより、複数のPXIeシャーシのデイジーチェーン接続が可能です。空いている4つのスロットには、オシロスコープ、デジタルマルチメータ、波形発生器、マルチプレクサスイッチ、ソース測定ユニット、電源など、他の機器を取り付けることができます。
たとえば、NIの867123-01マルチファンクションI/Oバンドルは、PXIe-1083 5スロットシャーシ、PXIe-6345マルチファンクションI/Oモジュール、関連ケーブルで構成されています。また、867124-01バンドルは同じシャーシとケーブリングを使用しますが、フロントパネルには入力マスターミネーションコネクタのあるPXIe-6363モジュールを使用しています(図3)。
図3：PXIe-6363マルチファンクションI/Oモジュールの詳細図には、フロントパネルの入力マスターミネーションコネクタが含まれています。(画像提供：NI)
これら2つの製品バンドルは、アナログ入力チャンネル数、アナログ出力チャンネル数、デジタルI/Oチャンネル数、最大サンプリングレート(kS/sとMS/s)が異なります(表1)。
表1：PXIe-867123とPXIe-867124のマルチファンクションI/Oバンドルの比較。(表提供：Art Pini)
アナログチャンネル
両バンドルとも、アナログ入力(AI)チャンネルの内部構成は同じです。アナログマルチプレクサ(Mux)を使用して各入力をシーケンス化し、単一のA/Dコンバータ(ADC)を複数の入力チャンネルで共有します(図4)。
図4：アナログチャンネル入力の構成には、個別に構成された入力を単一のADCにルーティングするMuxが含まれます。(画像提供：NI)
入力信号は、フロントパネルのI/Oコネクタを介して接続します。さらに、AIセンス接続とAIグランドを利用することで、測定のための正確な基準レベルを確立できます。Muxは、アナログ入力の1つを選択します。これは、複数の測定の場合にはシングルチャンネル、連続測定の場合には複数チャンネルになります。選択されたチャンネルは、アナログ入力構成の選択を通じてルーティングされます。
入力構成には、差動、基準化シングルエンド(RSE)、非基準化シングルエンド(NRSE)の3種類があります。フローティング電源に推奨される差動接続では、利用可能なアナログ入力のうち2つを反転および非反転の差動入力として使用します。差動入力はグランドを基準としていないため、フローティング電源に接続できます。差動入力構成ではコモンモードノイズが抑制されます。
RSE入力構成では、反転入力(AI-)を一点でグランドに結びつけます。フローティング電源の場合はAIグランドで、グランド基準の電源の場合は電源グランドです。フローティング電源用のNRSE構成では、AI-入力を電源の負端子とAIセンスラインに接続し、抵抗性リターンをAIグランドに接続します。グランド基準電源の場合、AI-端子は電源のグランドとAIセンスラインに直接接続されます。
設定された入力はNIプログラマブルゲイン計装アンプ(NI-PGIA)に送られ、ADCの入力電圧範囲に合わせて入力信号を増幅または減衰します。アナログ信号の入力電圧範囲は、±100mVから±10Vの間で7種類プログラム可能です。各入力信号チャンネルの入力範囲は個別にプログラム可能で、ゲインは入力信号に応じて切り替わります。NI-PGIAは、電圧測定精度を最大化するために、すべての入力電圧範囲でセトリング時間を最小化します。
両デジタイザのADCは、16ビットの振幅分解能を持ちます。アナログ信号は65,536段階に量子化されます。これにより、±10V範囲では320mVの分解能を、±100mV範囲では3.2mVの分解能を実現しています。ADCのデジタル化された出力は、AI先入れ先出し(AI FIFO)メモリに格納されます。
マルチファンクションモジュールには、アナログ出力(AO)機能もあります。モデルによって2つまたは4つのアナログ出力があり、出力クロックは共通です(図5)。
図5：一般的なアナログ出力段では、ホストからダウンロードした波形サンプル値をAO FIFOメモリバッファが保持します。(画像提供：NI)
AO FIFOメモリバッファは、ホストコンピュータからダウンロードされた波形サンプル値を保持します。FIFOにサンプルが保存されているということは、コンピュータに接続しなくてもアナログ波形を出力できることを意味します。
AO Sample Clockは、FIFOからデジタルサンプル値をアナログ電圧に変換するデジタル/アナログコンバータ(DAC)にデータをクロックします。AO Reference Selectは、アナログ出力範囲を変更するために使用します。AO Reference Selectは10Vまたは5Vに設定でき、アナログPFI(APFI)を介して外部リファレンスを適用することも可能です。
デジタルチャンネル
デジタルチャンネルには、共通ライン上でデジタル信号を取得または生成するために、入力と出力の両方の機能があります(図6)。
図6：双方向デジタルI/Oライン(P0.x)は、デジタル信号の取得と生成ができます。(画像提供：NI)
P0.xラインは、入力や出力として、静的ラインまたは高速デジタルラインと連動します。PXIe-63xxシリーズのモジュールには、PFIインターフェースやデジタルI/Oチャンネルとしてユーザーが設定できる16本のプログラム可能関数インターフェース(PFI)ラインもあります。
PFIチャンネルでは入力として、アナログ入力、アナログ出力、デジタル入力、デジタル出力、カウンタ/タイマ機能の外部電源をルーティングすることができます。出力としては、アナログ入力、アナログ出力、デジタル入力、デジタル出力、またはカウンタ/タイマ機能の多くを各PFI端子にルーティングすることができます。これらのラインはすべて、2.2～5.25VのロジックHレベルと、0～0.8VのロジックLレベルを受け付けます。デジタルラインのクロックは最大10MHzです。
各デジタルラインには、デジタル入力信号をデバウンスするためのデジタルフィルタがあります。使用するフィルタクロック周波数に応じて、ショート、ミディアム、ハイという3つのフィルタ設定があります。
ショート設定は160ns以上のパルス幅の通過を、ミディアム設定は10.24ms以上のパルス幅の通過を、ハイ設定は5.12ms以上のパルス幅の通過を保証します。通過パルス幅の半分より狭い幅のパルスは抑制されることが保証されています。
VSDモータの例に戻ると、デジタル入力はシャフト位置のデコードに使用できます。シャフト位置は、光エンコーダのデジタル出力から読み取ることができます。光エンコーダには、1回転に1回のインデックスパルスと、直交出力と呼ばれる90度の位相差を持つ2つの方形波という、3つのデジタル出力があります。これらの直交出力は、一般に「A」と「B」と呼ばれます。インデックスパルスを直角出力と組み合わせることで、シャフトの絶対方位と回転方向を計算することができます。
カウンタ/タイマ
どちらのPXIeモジュールも、4つの汎用32ビットカウンタ/タイマ段と周波数発生器段を含みます。各カウンタ/タイマ段には8つの信号入力経路があり、カウンタ/タイマの入力には、利用可能な14の信号のいずれかを使用できます。選択された信号は、クロックに適用する必要があります。
カウンタ/タイマ入力をカウントダウンする設定はありません。カウンタ/タイマは、エッジのカウント、周波数や周期の測定、または幅、デューティサイクル、2つのエッジ間の時間などのパルス測定に使用できます。
カウンタ/タイマの応用例としては、VSDモータの例で光エンコーダからのインデックスパルスの周波数を測定することが挙げられます。周波数をスケーリングして、モータの回転速度を毎分回転数で読み取ることができます。
周波数発生器やカウンタの出力は、単純なパルス、パルス列、定周波数、周波数分割、または等価時間サンプリング(ETS)パルスストリームを生成できます。ETSパルスストリームは、カウンタゲートパルスからインクリメント遅延したパルス出力を生成します。これにより、デジタイザのナイキスト周波数よりも高い周波数のアナログ入力に対して高いサンプリングレートで、繰り返し波形のサンプリングタイミングを提供することができます。
ソフトウェアサポート
いくつかのソフトウェアパッケージでは、マルチファンクションI/Oモジュールがサポートされています。NIのLabVIEWは、データの取得、処理、解析を簡素化するグラフィカルなプログラミング環境を提供します。また、テスト、監視、制御、データアーカイブのための対話型ユーザーインターフェースを作成することも可能です。NIは独自のコードを生成したいユーザーのために、Python、C、C++、C#、.NET、MATLABなどのプログラミング言語をサポートするドライバを提供しています。
また、FlexLoggerと呼ばれるノーコードソフトウェアパッケージも提供しています。FlexLoggerでは、内蔵された処理ツールやカスタマイズ可能なダッシュボードにより、テストデータを表示、保存、解析できます。測定値にリミットを設定し、リミット外の状態をアラームで知らせる機能も備えています。FlexLoggerでは、グラフ、数値インジケータ、メータを追加して、ユーザーインターフェースの視覚化ツールをカスタマイズすることもできます(図7)。
図7：FlexLoggerのディスプレイには、機械的共振を探すために、加速度計とタコメータを使用してモータの振動を測定した結果が示されています。(画像提供：NI)
画面上部のグラフには、g単位の振動レベルが時間に対してスケーリングされて表示されます。回転速度をRPMで測定するタコメータの表示は、右下にダイヤルゲージで表示されます。振動データの高速フーリエ変換(FFT)(利用可能な信号処理ツールの1つ)は、下のグラフで振動レベルと周波数の関係を示しています。
まとめ
テストシステムは、アプリケーション全体の変化する要件に適応しなければならず、多くのI/Oを必要とします。そこで、NIのマルチファンクションI/Oバンドルを使用することにより、アナログとデジタルの入出力チャンネルと複数のカウンタ/タイマの組み合わせを提供するマルチチャンネル自動テストシステムの基礎を形成できます。
これはPXIeシャーシにパッケージ化され、他にもモジュール式の試験/計測器用の追加スロットを備えているため、費用対効果の高い試験に必要なスケーラビリティをユーザーに提供します。
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