Einsatz der SLSC-Architektur zur Erweiterung des Signalpfads eines Prüfsystems um zusätzliche Elemente

Inhalt

Einleitung

Wenn Prüfsysteme erstellt werden, sind für den Signalpfad vom Prüfling (DUT) zum Messgerät häufig zusätzliche Elemente zur benutzerdefinierten Signalaufbereitung, Lastregulierung und Schaltung erforderlich. Deshalb hat NI die SLSC-Architektur entwickelt. In diesem Whitepaper erfahren Sie, wie mithilfe der SLSC-Architektur der Signalpfad in einem typischen Prüfsystem um zusätzliche Elemente erweitert werden kann.

Zur Veranschaulichung wird ein elektronisches Steuergerät (ECU) mithilfe eines typischen pulsweitenmodulierten (PWM-)Signals angeregt und die Antwort gemessen. Da viele ECUs höhere Spannungspegel erfordern, werden wir sie um zusätzliche Elemente erweitern, um eine Pegelverschiebung durchzuführen, die das Generieren und Messen von Signalen ermöglicht, die auf eine externe Spannungsquelle wie z. B. eine Autobatterie bezogen sind.

Außerdem werden wir ein Relais hinzufügen, mit dem wir in den Signalpfad einen Fehler einbauen, um einen Drahtbruch im ECU-Kabelbaum  zu simulieren.

Das System nutzt die FPGA-Karte eines PXI-Moduls der R-Serie, um das digitale PWM-Signal in einem PXI-Chassis zu erzeugen und zu messen sowie anschließend Spannungen zu skalieren und den Switch vom SLSC-Chassis hinzuzufügen.

Der Einfachheit halber verwenden wir keine echte ECU. In diesem Fall ist unser Prüfling ein Anschlussblock, an dem das Kabel umgeleitet und mithilfe eines der Digitaleingänge vom Modul der R-Serie das PWM-Signal gemessen wird, das vom Digitalausgang erzeugt wird.

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Verlauf des Signalpfads vom Ausgang zum Eingang

Die folgende Abbildung zeigt den Signalpfad, den wir abschreiten werden: Vom PXI-System führt dieser über das SLSC-Chassis hin zum Anschlussblock, wo das Signal umkehrt und durch das SLSC-Chassis zurück zum PXI-System wandert.

Das Modul PXIe-7822R wird mit der Schnittstellenkarte RTI-12301 über das Kabel SHC68-C68-RDIO2 verbunden. Die RTI-12301 stellt die Signale dem Modul SLSC-12201 bereit. Das SLSC-12201 dient der Skalierung von Signalen entsprechend einer externen Bezugsquelle. Im vorliegenden Fall wird eine 24-V-Spannung verwendet, doch in der Praxis könnte es sich um die Batteriespannung eines elektronischen Steuergeräts im Fahrzeug oder einer Line Replaceable Unit (LRU) in Flugzeugen handeln. Das Signal bewegt sich über ein HD44-Kabel von der Vorderseite des SLSC-Chassis zur Rückseite und wird an eine RTI-12305 angebunden. Die RTI-12305 stellt die Signale dem SLSC-12101 bereit, das zum Schalten des Signals eingesetzt wird, wodurch ein Drahtbruch im Kabelbaum simuliert wird.

Die folgenden Abbildungen zeigen eine Vorder- und Rückansicht des Aufbaus, der noch weitere PXI- und SLSC-Module umfasst, die in dieser Anwendung nicht zum Einsatz kommen. Der Drahtwickel, die externe Spannungsquelle und das Ethernet-Kabel werden in den Abbildungen nicht gezeigt. Im folgenden Abschnitt wird der Signalpfad ausführlich beschrieben, vom PWM-Ausgang bis zum PWM-Eingang.

Abb. 4: Rückseite des SLSC-Chassis

Abb. 5: Vorderseite des SLSC-Chassis und PXI-Systems

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Funktionsprinzip

Das PWM-Signal wird im FPGA erzeugt; den entsprechenden FPGA-Code finden Sie im Abschnitt „Software“ weiter unten. Der Ausgabepin auf dem FPGA wird über den hochkompakten Steckverbinder (VHDCI) auf dem Frontpanel des PXIe-7822R bereitgestellt, das Signal ist ein 3,3-V-Signal. Die Impulsfolge wird über ein VHDCI-Kabel vom Typ SHC68-C68-RDIO2 an die RTI-12301 im SLSC-Chassis übertragen.

Das SLSC Module Development Kit gibt eine Standardmethode für die Verteilung von Signalen von der RTI zum SLSC-Modul vor.

Die Impulsfolge wird anschließend durch das Modul SLSC-12201 verstärkt, das eine Umwandlung in Spannungspegel von 5 V bis 33 V je nach externer Spannungsquelle ermöglicht. Das Modul SLSC-12201 wird über einen Ethernet-Anschluss mithilfe der SLSC-API programmiert und verfügt über verschiedene Betriebsmodi. In unserem Fall haben wir den Ausgang als stromliefernd programmiert und so spezifiziert, dass eine externe Spannungsquelle verwendet wird, die mit dem Vsupp-Pin an der RTI-12301 verbunden ist. In diesem Beispiel kommt eine externe 24-V-Gleichspannungsquelle zum Einsatz.

Das Signal nutzt Pulsweitenmodulation im Bereich zwischen 0 V und 24 V. Dieses Ausgangssignal wird über den HD44-Anschluss an der Vorderseite des SLSC-12201 bereitgestellt. Das Signal wird über ein 1:1-HD44-Kabel zur RTI-12305 geleitet und einem Prototyping-Modul vom Typ SLSC-12101 zur Verfügung gestellt. An diesem Modul haben wir ein Relais angebracht, auf das über einen der softwaregesteuerten Pins am Controller SLSC-12101 (CPLD) zugegriffen wird.

Wenn am Relais Spannung angelegt wird, kann das Signal durch das Relais geleitet und über den HD44-Anschluss an der Vorderseite des SLSC-12101 bereitgestellt werden. Das Signal wird über ein 1:1-HD44-Kabel an einen Anschlussblock übertragen, wo es zurück zum Signaleingang geführt wird.
Diese Rückführung ist ähnlich wie die Hinführung, doch befindet sich kein Relais am Modul SLSC-12101. Stattdessen wird das Signal direkt zum SLSC-12201 geleitet, das im Eingabemodus mit einer Ansprechschwelle von 12 V konfiguriert ist. Wird diese Schwelle erreicht, wird das Signal auf einen Wert skaliert, der vom FPGA gelesen werden kann.

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Überblick über die SLSC-Architektur und das Module Development Kit

SLSC-Architektur

SLSC bezeichnet eine modulare Architektur, die als Erweiterung der NI-Hardwareplattformen, PXI- und C-Serien-Module fungiert. Sie vereinfacht für Prüfsysteme die Erstellung anwendungsspezifischer Schaltkreise, die sich leicht mit Hardware wie auch Software integrieren lassen.

 

Die SLSC-Architektur besteht aus drei Komponenten, und zwar Chassis, Modul und die sogenannte Rear Transition Interface (RTI). Ausführliche Informationen zum Chassis finden Sie im Erste-Schritte-Handbuch. Wie aus den folgenden Abbildungen hervorgeht, weisen die Module eine Abmessung von 144,32 mm (4 HE) mal 281,9 mm auf und besitzen jeweils drei Schnittstellenstecker auf der Rückseite (XJ1, XJ2 und XJ3). Der XJ1-Anschluss dient der Kommunikation mit dem Modul über die SLSC-Treiber-API, während der XJ2-Anschluss für die Signalanbindung und der XJ3 für hochleistungsfähige Verbindungen vorgesehen ist.

Die RTI ermöglicht die Anbindung der SLSC-Module an die NI-Messhardware. Anwender können aus verschiedenen RTIs von NI und Drittanbietern wählen oder eine eigene, anwendungsspezifische RTI erstellen. Mit einer solchen RTI lassen sich die Kabelverbindungen und Punkt-zu-Punkt-Verdrahtungen in einem System reduzieren.

Die folgende Abbildung zeigt die Anschlüsse an der RTI für die externe Spannungsquelle, das Messgerät und das Modul SLSC-12201.

SLSC Module Development Kit

Das SLSC Module Development Kit (MDK) gibt spezifische Regeln für den Entwurf von SLSC-Modulen vor, sodass die Interoperabilität mit anderen Modulen und Produkten des NI-Ökosystems sichergestellt ist. Zur Entwicklung von Modulen benötigen Anwender vollständigen Zugriff auf ein MDK von National Instruments. Wenn Sie Informationen zur Bestellung des SLSC MDK benötigen, kontaktieren Sie bitte NI. Wir helfen Ihnen gerne weiter.

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Beschreibung der Hardwaresystemkomponenten

PXI-Express-Chassis mit LabVIEW 2015 und PXIe-7822R

Das PXIe-7822R ist ein Modul mit rekonfigurierbarer I/O (RIO), das über einen anwenderprogrammierbaren FPGA verfügt, der eine integrierte Verarbeitung und flexible Handhabung von I/O ermöglicht. Mithilfe von LabVIEW FPGA lassen sich die Digitalkanäle individuell als Eingänge, Ausgänge, Zähler/Zeitgeber, flexible Encoder-Eingänge, mit PWM oder ausgewählten Kommunikationsprotokollen konfigurieren. Darüber hinaus kann auf Board-Level benutzerdefinierte Entscheidungslogik programmiert werden, die mit hardwaregetakteter Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit ausgeführt wird. Für dieses Projekt benutzen wir DIO0 als Ausgang und DIO1 als Eingang für PWM-Signale.

SLSC-12201

Das SLSC-12201 ist ein Modul für die Aufbereitung digitaler Signale, das für die Digital-I/O-Hardware von NI ausgelegt ist. Nachfolgend finden Sie eine Abbildung des zugehörigen Blockdiagramms und des Moduls.

Das Modul ist über den SLSC-Bus entweder als Aus- oder Eingang konfigurierbar. Als Ausgang kann es digitale Signale basierend auf einer von zwei externen Spannungsquellen (Vsup_x) verstärken. Die Ausgangsschaltung kann außerdem für den Betrieb in drei Modi programmiert werden, nämlich Push, Pull oder Push and Pull.

Wird das Modul als Eingang verwendet, ist Pull-down der Standardmodus, doch eine Umprogrammierung auf Pull-up ist möglich. Die Schwelle für das Eingangssignal kann beim Standard-TTL-Wert von 5 V festgesetzt werden, doch auch ein erweiterter Bereich ist denkbar.

Die externe Spannungsquelle (Vsup_x) kann auf eine von zwei Bänken zu jeweils acht Kanälen programmiert werden.

Für eine solche Konfiguration benutzen wir Vsup_1, die an 24 V am JR1-Anschluss an der RTI 12301 gebunden ist.

In diesem Projekt benutzen wir P0.0 als Ausgang und P0.1 als Eingang für skalierte PWM-Signale.

RTI-12301

Die RTI-12301 ordnet die Signale vom Modul PXIe-7822R mithilfe eines Standardkabels vom Typ SHC68-C68-RDIO2 dem Modul SLSC-12201 zu. Damit wird der Anschluss DIO0 am PXIe-7822R dem P0.0 am Modul SLSC-12201 und der Anschluss DIO1 dem Anschluss P0.1 zugeordnet.

SLSC-12101

Das SLSC-12101 ist ein Prototyping-Modul, das Entwickler von SLSC-Modulen bei der Prototyperstellung unterstützt. Das Modul ist in vier Gitterbereiche unterteilt, in denen Anwender Schaltkreisprototypen erstellen können, indem sie Komponenten entweder direkt auf das Gitter löten oder eine sekundäre Leiterplatte im Gitterbereich montieren.

Das Modul genügt allen Anforderungen für die Level-2-Kompatibilität gemäß den Entwurfsspezifikationen für SLSC-Module und ist so ausgelegt, dass es auch die Level-1-Kompatibilität erreicht, sofern bei der Entwicklung die Signalanforderungen einer vollständig kompatiblen RTI erfüllt werden. Diese Anforderungen werden in Kapitel 11 der Dokumentation zur Konstruktion von SLSC-Modulen (SLSC Module Design Documentation) beschrieben.

Das Prototyping-Modul verfügt über vier Gitterbänke, die für die Prototyperstellung wie folgt verwendet werden können:

Für dieses Beispiel haben wir den nachfolgend dargestellten Schaltkreis im Gitterbereich Bank 1 erstellt. Die gezeigte Schaltung dient dem Öffnen und Schließen des SPDT-Relais, das einen offenen Stromkreis für unser PWM-Signal simuliert. Das Relais erfordert zum Einschalten 24 V bei 15 mA, die vom npn-Transistor 2N3904 bereitgestellt werden. Der Transistor wird über den Pin 23 am CPLD gespeist.

 

Nachfolgend die Pinbelegung für das SLSC-12101

XJ2: Pin a1 = Skaliertes PWM-Ausgangssignal+ » J1 Pin1

XJ2: Pin b1 = Skaliertes PWM-Ausgangssignal- » J1 Pin 16

XJ2: Pin d1 = Skaliertes PWM-Eingangssignal+ Rücksignal » J2 Pin3

XJ2: Pin e1 = Skaliertes PWM-Eingangssignal- Rücksignal » J2 Pin18

RTI-12305

Die RTI-12305 nimmt die Signale von einem SLSC-Modul über einen 44-poligen Anschluss auf dem Frontpanel des Moduls auf. Dies spielt bei Verbindungen zur Signalumkehr wie Fehlersimulation oder Umschaltung eine Rolle.

Externe Spannungsquelle, HD44-Kabel und HD44-Anschlussblöcke

Die externe Spannungsversorgung erfolgt durch ein 24-V-Gleichstromnetzteil von NI (PSU 15). Die Signale werden kabelgebunden über 1:1-HD44-Kabel an einen HD44-Anschlussblock von Phoenix übertragen.

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Software

Der Abschnitt zur Software für dieses Projekt gliedert sich in drei Teile: Der erste Teil erklärt die Programmierung, die für das SLSC-12201 erforderlich ist, der zweite Teil demonstriert den zur Erzeugung von PWM-Signalen benötigten LabVIEW-Code, und im dritten Teil geht es um die Verwendung des SLSC-12101 für die Fehlersimulation.

Programmierung des SLSC-12201

Beschreibung der Moduleigenschaften

Die Konfiguration eines SLSC-Moduls ergibt sich aus Eigenschaften und Befehlen, die wiederum in die Eigenschaften von Modulen und physikalischen Kanälen unterteilt sind. Diese Eigenschaften befinden sich im nichtflüchtigen Speicher auf dem Modul, wodurch keine zusätzliche Softwareschicht zur Verwendung des Moduls installiert werden muss. Die SLSC-API ermöglicht die Steuerung der Modulfunktionen.

Das mitgelieferte Beispiel-VI „Show Command and Property Tree.vi“ gewährt Anwendern vollen Zugriff auf die Eigenschaften und Befehle für das Modul SLSC-12201.

Programmierung des SLSC-12201

Der erste Schritt ist die Konfiguration der Richtung von Leitung 0 an Port 0 als digitaler Ausgang, wobei es sich um den Pfad für den PWM-Ausgang handelt.

Als nächster Schritt folgt die Konfiguration der Richtung des Leitungsports zu einem Digitaleingang, wobei es sich um den Pfad für den Digitaleingang handelt.

Mit dem folgenden Code wird Vsup_0 der Bank 0 zugewiesen; Vsup_0 wird an die externe 24-V-Spannungsversorgung angeschlossen. Das VI setzt den oberen/unteren Grenzwert auf 12 V.

Beachten Sie, dass dieser Code die Command NI.UpdateChannelConfiguration verwendet. Damit werden alle bisherigen Setup-Eigenschaften übernommen, und die gesamte Konfiguration der Digitalkanäle und Bänke kann gleichzeitig erfolgen.

Programmierung des PXIe-7822R

PWM-Ausgang

Der folgende LabVIEW-FPGA-Code zeigt, wie ein PWM-Ausgangssignal erzeugt wird:

PWM-Signalmessung

PWM-Eingangssignale werden nach folgendem Schema gemessen. Einzelheiten zur Erstellung von PWM-Firmware für die Geräte der R-Serie von NI finden Sie unter folgendem Link: http://www.ni.com/example/5963/de/

Programmierung des SLSC-12201 und der Hostanwendung

Trennschalter

Dieser Code verwaltet das Relais und ermöglicht die Simulation offener Schaltungen zu einem beliebigen Zeitpunkt. Der nachfolgende Code nutzt eine Ereignisstruktur (um unnötigen Datenverkehr zum SLSC-Chassis zu vermeiden):

Hostanwendung

Das fertige System für diese einfache Anwendung finden Sie unten. Hier sehen Sie das LabVIEW-Frontpanel.

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Fazit

Dieses Whitepaper zeigt Ihnen, wie Sie mithilfe der SLSC-Architektur den Signalpfad eines Prüfsystems um zusätzliche Komponenten erweitern.

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Anhang 1: Hardwarekomponenten

Nachfolgend eine Liste der in diesem Projekt verwendeten Hardware:

Position

Artikelnummer

Name

Beschreibung

Hersteller

Anzahl

1

781622-01

PXIe-1078

PXI-Express-Chassis mit 9 Steckplätzen

NI

1

2

783003-04

PXIe-8840

PXI-Express-Controller mit Windows 64-Bit

NI

1

3

783486-01

PXIe-7822R

PXI-Express-FPGA-Modul der R-Serie

NI

1

4

156166-01

SHC68-C68-RDIO2

Geschirmtes Hochgeschwindigkeits-Digitalkabel, R-Serie, 1 m

NI

1

5

784532-01

SLSC-12001

SLSC-Chassis mit 12 Steckplätzen

NI

1

6

785369-01

RTI-12301

RTI DIO 32 für SHC68-C68-RDIO2

NI

1

7

785356-01

SLSC-12201

Digital-I/O-Modul mit Ansprechschwelle, 33 V

  

8

CS-DSDHD44MF0-005

HD44-Kabel

44-pol. (HD44) Deluxe-HD-D-Sub-Kabel – Kupferschirmung – Stecker / Buchse

Amphenol

2

9

SET-Artikelnummer

RTI-12305

RTI-12305 für HD44-Steckverbinder

SET

1

10

785204-01

SLSC-12101

Prototyping-Modul

NI

1

11

781093-01

NI PS15

Externes 24-V-Netzteil

NI

1

12

Teilenummer: 2322427

HD44-Anschlussblock

Phoenix Contact HD44-Anschlussblock

Phoenix Contact

1

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Anhang 2: Verweise

1. SLSC Module Design Documentation (im Lieferumfang von 785205-01 enthalten)
2. SLSC-12201 User Manual
3. SLSC-12101 User Manual
4. SLSC-12001 Getting Started Guide and Specifications
5. Beispielcode zur Erzeugung von PWM-Signalen

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