Digital-I/Os für Prüf-, Steuer-, Regel- und Designanwendungen

Überblick

Viele Anwendungen benötigen digitale Ein- und Ausgangskanäle, sei es für die Erzeugung komplexer Muster zur Schaltungscharakterisierung, die Steuerung von Regelstrecken in der Produktion oder die Prototypenerstellung eines digitalen Entwurfs. National Instruments bietet eine Vielfalt an Digital-I/O-Produkten an, die über eine große Auswahl an Optionen bezüglich Geschwindigkeit, Spannung und Timing verfügen, um die digitalen Anforderungen von Prüf-, Steuer-, Regel- und Designanwendungen zu erfüllen.

Inhalt

Digital-I/Os für Mess- und Prüfanwendungen

Die meisten digitalen automatisierten Prüfsysteme erzeugen und/oder erfassen Muster aus Einsen und Nullen, um mit einem Prüfling zu kommunizieren. Aufgrund neuester Entwicklungen bei digitalen Komponenten erfordern diese Systeme jedoch ein viel anspruchsvolleres digitales Prüfgerät, das bessere Fähigkeiten als ein einfacher Logikanalysator mit zwei Ein/Aus-Zuständen bietet. Schnellere Chip-Geschwindigkeiten und der Trend in der Industrie hin zu seriellen statt parallelen Protokollen sind Gründe für den Bedarf an immer höheren Abtastraten. Darüber hinaus fordert der Druck bei Fertigung und Markteinführungszeit, dass Tests bei der Verarbeitung auf Hardwareebene schneller durchgeführt werden. Währenddessen werden diese Tests aufgrund neuer Logikfamilien mit variablen Spannungspegeln und massebezogener oder differenzieller Signalisierung noch komplexer. Hochgeschwindigkeits-Digital-I/O-Geräte (HSDIO) von National Instruments bieten eine Reihe von digitalen automatisierten Prüfsystemen sowie Stimulus-Antwort-Funktionen, die die Anforderungen dieser digitalen High-End-Prüfanwendungen erfüllen sollen.

  • Hohe Takt- und Datenraten bis zu 200 MHz bzw. 400 Mb/s liefern präzise hardwaregetaktete Steuerung und Regelung, die für das Testen der neuesten integrierten Schaltkreise, FPGAs und digitalen Kommunikationsgeräte wichtig ist.
  • Je Zyklus und je Kanal erfolgende Steuerung und Regelung in beide Richtungen sowie ein Echtzeitvergleich erfasster Antwortdaten in Hardware ermöglichen die Entwicklung von Anwendungen wie z. B. Ermittlung der Bitfehlerrate, Fehleranalyse zur Verifizierung und Validierung sowie Gut/Schlecht-Fertigungstests.
  • Programmierbare Spannungspegel zwischen -2,0 und 5,5 V schaffen ein flexibles digitales System, das an verschiedene Logikprodukte angeschlossen werden oder die oberen und unteren Grenzen bestimmter Prüflinge charakterisieren kann.

Abb. 1: Programmierbare Spannungspegel

  • Sechs logische Kanalzustände, darunter logic low (0), logic high (1), tri-state (Z), compare logic high (H), compare logic low (L) und ignore (X), definieren digitale Prüfsignalverläufe und steuern den Betrieb des digitalen Prüfgeräts.
  • Die Synchronisation mehrerer Geräte bietet eine Synchronisierung bis unterhalb des Nanosekundenbereichs für Systeme mit hoher Kanalanzahl und ohne zusätzlichen Bedarf an externer Verdrahtung.
  • Flexible Handshaking-Modi erlauben einen synchronen und asynchronen Austausch von Signalen, um Datentransfers zwischen Prüfsystem und Prüfling anzufragen und zu bestätigen.

Die Software spielt bei digitalen automatisierten Prüfsystemen ebenfalls eine entscheidende Rolle . Der NI Digital Waveform Editor ist ein grafisches Softwarewerkzeug zur Visualisierung digitaler Signale sowie zum einfachen Erstellen, Bearbeiten und Modifizieren digitaler Signalverläufe für benutzerdefinierte Prüfanwendungen. Es können sowohl digitale Signalverläufe erstellt, als auch bestehende Signalverläufe aus .VCD- und ASCII-Datenformaten importiert werden. Zudem kann der Digital Waveform Editor während der Erfassung von Daten Bitfehler hervorheben, so dass es leichter wird, Abweichungen darzustellen und Timing-Anforderungen zu messen oder Signalformen zu aktualisieren, um Designfehler auszuschließen. In Verbindung mit der grafischen Entwicklungsumgebung NI LabVIEW und der Testmanagementsoftware NI TestStand komplettiert der Digital Waveform Editor die Softwarekomponenten eines jeden digitalen Prüfsystems.

Tabelle 1 bietet eine Übersicht über das Hochgeschwindigkeits-Digital-I/O-Produktangebot von National Instruments.

Modell

Bustyp

Max. Datenrate

Spannungspegel

Anzahl der Kanäle

Max. integrierter Speicher

NI 656x

PCI, PXI

400 Mb/s

LVDS

16

128 Mb/Kanal

NI 655x

PCI, PXI

100 Mb/s

Programmierbar: -2,0 bis 5,5 V

20

64 Mb/Kanal

NI 654x

PCI, PXI

100 Mb/s

5,0, 3,3, 2,5, 1,8 V

32

64 Mb/Kanal

NI 653x

PCI, PCI Express, PXI, PXI Express, PCMCIA

50 Mb/s

2,5, 3,3 V (5 V kompatibel)

32

32 Mb/Kanal

Tabelle 1: Hochgeschwindigkeits-Digital-I/O-Module von National Instruments

Weitere Informationen zu Hochgeschwindigkeits-Digital-I/O von NI finden Sie unter ni.com/hsdio/d.

Digital-I/Os für industrielle Steuerung, Regelung und Automatisierung

Die hohen Anforderungen industrieller Anwendungen können oftmals von herkömmlichen Messgeräten nicht erfüllt werden. Beispielsweise erfordern viele Industriesensoren und -aktoren Logikpegel von 24 V und arbeiten mit unterschiedlichen Spannungspotentialen, die zu Masseschleifen führen können. Die Sicherheit sowohl für das Mess-, Steuer- und Regelsystem als auch für den Anwender ist dabei ein wichtiger Aspekt. Aufgrund der Spannungspegel von bis zu 150 V, der hohen Ausgangsstromstärken und der integrierten Isolation lassen sich die industrietauglichen Digital-I/O-Geräte von NI direkt an eine große Anzahl industrieller Pumpen, Ventile, Motoren sowie Sensoren und Aktoren anbinden, während gleichzeitig ein hohes Maß an Sicherheit und Zuverlässigkeit gewährleistet wird.

Abb. 2: Industrielle Messungen mit 24 V Logikpegel und Isolation

Die kostengünstigen Geräte eignen sich insbesondere für industrietaugliche Steuer-, Regel- und Produktionsprüfanwendungen, wie z. B. Produktionsautomatisierung, Maschinensteuerung und -regelung sowie produktionsbegleitende Prüfung. Des Weiteren verfügen die Digital-I/O-Geräte von NI über eine Reihe von Funktionen für Industrieanwendungen, die höchste Zuverlässigkeit gewährleisten und eignen sich somit auch für anspruchsvollste Anwendungen.

  • Die Isolation ermöglicht einen erweiterten Spannungsbereich, bietet Rauschunterdrückung und schützt die Hardware bei der direkten Anbindung an Industriesensoren und -aktoren.
  • Programmierbare Einschaltzustände sorgen für einen bekannten Initialzustand, der den sicheren Betrieb bei Anbindung an Pumpen, Motoren und andere industrietaugliche Aktoren oder Maschinen gewährleistet.
  • Digital-I/O-Watchdogs bieten einen ausfallsicheren Mechanismus, der Computer- oder Anwendungsabstürze überwacht und das System in einen sicheren Zustand versetzt.
  • Die Erkennung von Zustandsänderungen auf Digitalkanälen löst automatisch eine konfigurierte Leseoperation bei minimaler Prozessorauslastung aus.
  • Programmierbare Eingangsfilter dienen zur Entstörung von Eingangssignalen, Eliminierung von Störimpulsen und Signalspitzen sowie zur Entprellung bei Digitalschaltern und -relais.
  • Industriezertifizierungen von CE, FCC, C-Tick, UL und VDE gewährleisten den sicheren Einsatz der Geräte in Gefahrenbereichen.

Industrial DIO ist Teil der Produktpalette für die industrielle Datenerfassung und beinhaltet Multifunktionsgeräte der M-Serie und S-Serie von NI. Diese Geräte ergänzen die PAC-Plattform (Programmable Automation Controller) von NI und stellen Ein- und Ausgänge für den Industrieeinsatz bereit, die sich nahtlos mit Logik-, Motorsteuerungs-, Prozesssteuerungs- und Bildverarbeitungsanwendungen integrieren lassen. PAC-Systeme von NI verbinden die Robustheit einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) mit der Funktionalität von PCs in einer offenen, flexiblen Softwarearchitektur. Unter Nutzung von LabVIEW können PACs mit industrieller Datenerfassung und Digital-I/O an bestehende SPS-Anwendungen angebunden werden, um Industriemaschinen mehr Funktionalität zu verleihen und die Effizienz zu verbessern.

Abb. 3: Getränkeverpackungssystem von Innoventor

Klicken Sie hier, um mehr darüber zu erfahren, wie Innoventor integrierte Digital-I/O für die Industrie, Motorsteuerung und Bildverarbeitung einsetzt, um ein Getränkeverpackungssystem zu automatisieren.

Erfahren Sie mehr über die Funktionen für die Industrie. Tabelle 2 zeigt eine Zusammenfassung des Digital-I/O-Angebots von NI.

Modell

Bustyp

Max. Kanalanzahl

Spannung

Isolierung

NI 650x Kostengünstige Geräte

PCI, PXI, ISA, PCMCIA, USB

96 DIO

5 V TTL/CMOS

NI 651x 24-V-Logik

PCI, PXI

64 DI, 64 DO

30 V

Bankweise

NI 652x Relais für hohe Spannungen

PCI, PXI, USB

24 DI, 24 DO

60 bis 150 V

Kanal-zu-Kanal

NI 660x Counter/Timer

PCI, PXI, ISA

8 CTR

5 V TTL, 48 VDC

Kanal-zu-Kanal

Tabelle 2: Digital-I/O-Angebot für die Industrie von National Instruments

Digital-I/O für Design und Prototypenerstellung

Das Design neuer Produkte ist immer ein iterativer Prozess. Unabhängig von der Größe der Anwendung verläuft jeder Designzyklus von der Definition über Simulation, Prototypenerstellung bis zum Test, und relativ häufig werden diese Schritte bei den nachfolgenden Überarbeitungen wiederholt. Die Möglichkeit, zwischen diesen Schritten beliebig wechseln zu können, ist sehr wichtig, um den Designprozess optimieren zu können. Das grafische Systemdesign mit LabVIEW erfüllt diese Anforderung durch eine einzige Plattform, die den gesamten Designzyklus abdeckt. Des Weiteren bietet die intelligente Datenerfassung der R-Serie von NI in Verbindung mit dem Modul LabVIEW FPGA bisher unerreichte Hard- und Softwareflexibilität für Design, Prototypenerstellung und Serieneinsatz.

Intelligente Datenerfassungsgeräte verfügen über integrierte FPGA-Verarbeitungsfunktionen, welche die volle Flexibilität bei Systemtiming und Triggerung gewährleisten. Der FPGA-Chip kann ohne vorherige VHDL-Kenntnisse konfiguriert werden. Dazu sind einfach LabVIEW-Blockdiagramme mit dem LabVIEW FPGA Module zu erstellen, wodurch der Anwender direkte und umgehende Kontrolle über alle I/O erhält. Dieser Prozess ermöglicht leistungsstarkes, durch den Anwender konfigurierbares Timing und Synchronisation sowie integrierte Entscheidungsfindung bei Raten bis zu 40 MHz.

Werden beispielsweise Anwendungen mit nicht unterstützten oder benutzerdefinierten digitalen Kommunikationsprotokollen entwickelt, können mit dem LabVIEW FPGA Module unterschiedliche Kommunikationsschnittstellen auf FPGA-basierter, intelligenter Datenerfassungshardware der R-Serie implementiert oder prototypisiert werden.

Abb. 4: Benutzerdefinierte digitale Protokolle mit intelligenten Datenerfassungsgeräten der R-Serie und LabVIEW FPGA

Mit LabVIEW FPGA kann die „Persönlichkeit“ eines jeden Geräts programmiert werden. Eine solche Persönlichkeit ist im Wesentlichen eine kompilierte Bitdatei, die Konfigurationsinformationen enthält, welche auf den integrierten FPGA heruntergeladen werden. Anstatt ein Gerät mit festgelegter Konfiguration oder einem applikationsspezifischen Schaltkreis zu nutzen, besteht die Möglichkeit, die Karte individuell anzupassen. Das Ändern von Konfigurationen während der unterschiedlichen Durchläufe eines Designzyklus ist so einfach wie das Ändern eines LabVIEW-Blockdiagramms und seine Neukompilierung. Sobald eine Konfiguration abgeschlossen ist, ist LabVIEW FPGA nicht mehr erforderlich, da über LabVIEW für Windows oder LabVIEW Real-Time auf das Gerät zugegriffen werden kann.

Intelligente Datenerfassungsgeräte bieten bis zu 160 Digitalkanäle, die individuell als Eingang, Ausgang, Counter/Timer, für die Pulsbreitenmodulation u. v. m konfiguriert sind Tabelle 3 zeigt das Produktangebot intelligenter Datenerfassungsgeräte der R-Serie von NI.

Modell

Bustyp

DIO

Analogeingänge

Analogausgänge

NI 783xR, 784xR, 785xR
Multifunktion

PCI, PXI

56 bis 96

4 bis 8

4 bis 8

PCI, PXI

160

Tabelle 3: Intelligente Datenerfassungsgeräte der R-Serie von National Instruments

 Hochgeschwindigkeits-Digital-I/O von NI bieten eine weitere Option für viele gängige Tests, die Teil des Designprozesses digitaler Geräte sind. Für Anwendungen, die Stimulus-Antwort-Tests oder nicht standardisierte Spannungspegel erfordern, ergänzen NI-HSDIO-Geräte im Designzyklus beispielsweise die intelligenten Datenerfassungsgeräte. HSDIO-Geräte können auch an Geräte mit höheren Geschwindigkeiten angebunden werden und so Daten mit Raten bis zu 400 Mb/s übertragen. Nähere Informationen liefern die nachfolgenden Links.