Produktionstest von eingebauten Funkmodulen in medizinischen Geräten

Dipl.-Ing. (FH) M. Sc. Axel Bauer, Philips Medizin-Systeme Böblingen GmbH

"Durch den Einsatz der Hardware und Software von National Instruments konnte ein flexibles Prüfsystem für unterschiedliche Funklösungen innerhalb kurzer Zeit erstellt werden. Besonders hervorzuheben ist die kürzere Testzeit, welche im Vergleich zum vorhergehenden Design um etwa 45 % reduziert werden konnte."

- Dipl.-Ing. (FH) M. Sc. Axel Bauer, Philips Medizin-Systeme Böblingen GmbH

Die Aufgabe:

Die Datenübertragung per Funk spielt bei Patientenmonitoren eine immer wichtigere werdende Rolle. Für die Produktqualität ist dabei die Verifizierung der eingebauten Funkmodule im Produktionsprozess unerlässlich.

Die Lösung:

Durch den Einsatz des NI VST, des NI WLAN Toolkit sowie weiterer NI- Software konnte ein platzsparendes, effizientes und flexibles Prüfsystem für Funklösungen mit überschaubarem Aufwand realisiert werden.

Testsystem für Funkprüfungen an Patientenmonitoren

Aufgrund von immer vielfältiger werdenden Lösungen im Bereich der mobilen Datenübertragung war es notwendig, ein universelles und flexibel einsetzbares Prüfsystem zu entwickeln, welches das Potenzial hat, zukünftige Funktechnologien zu unterstützen.

 

Die wesentliche Anforderung an dieses System bestand darin, die Funktion von vorgetesteten und kalibrierten Funkmodulen im eingebauten Zustand und zusammen mit der integrierten Antenne im Prüfling sicherzustellen. Abgesehen davon war es wichtig, die Testzeit zu verringern und den Testaufbau einfach und übersichtlich zu gestalten. Ebenfalls bestand der Wunsch, das System möglichst wartungsarm zu designen. Selbstjustagen der Messgeräte sollten möglichst automatisch durchgeführt werden. Brüche oder Beschädigungen der Hochfrequenzmesskabel sollten vom System direkt erkannt werden.

 

Die Tatsache, dass die eingesetzten Funkmodule vorgeprüft und kalibriert waren, hatte den Vorteil, dass an das Testsystem weniger strenge Anforderungen gestellt werden mussten als dies bei komplexeren Systemen, welche beispielsweise einen Abgleich der Abstrahlleistung durchführen, der Fall ist.

 

Die eingesetzten Funkmodule basieren vorwiegend auf den folgenden Wireless-Standards: IEEE 802.11 WLAN, IEEE 802.15.4 (Zigbee Data Link Layer), sowie einer Abwandlung des Digital Enhanced Cordless Standard (DECT). Insgesamt musste ein Frequenzbereich von 1.395 GHz bis 5.8 GHz abgedeckt werden.

 

Ausgangssituation

In der Vergangenheit wurden speziell für solche Prüfanwendungen Testsysteme konzipiert, in denen zur Funktionsprüfung der Anwendungsfall nachgestellt wurde. Einfacher gesagt: Das Modul wurde im Testablauf so konfiguriert, dass es eine Verbindung zu einem Access Point (AP) innerhalb des Testsystems aufbaute. Über diese Verbindung wurden dann Tests durchgeführt, welche die Performance der Funkverbindung verifizierten. Die Nachteile einer solchen Lösung liegen jedoch auf der Hand. Für jede Funktechnologie muss ein entsprechender AP vorgehalten werden, was die Komplexität des Systems erhöht. AP sind ihrer Natur gemäß keine Messgeräte und bieten daher auch keine hohe Genauigkeit in Bezug auf physikalische Messgrößen. So kann die Ausgangsleistung des AP in den für ihn zulässigen Grenzen variieren, was am Prüfling ebenfalls für Unterschiede beim Empfangssignal sorgt. Auch der sogenannte Received Signal Strength Indicator (RSSI), ein Indikator für die Empfangsfeldstärke bei kabellosen Systemen, besitzt nur eine sehr begrenzte Genauigkeit, vorausgesetzt, er ist überhaupt über die Software des AP für den Testentwickler zugänglich. AP bieten auch nur begrenzte Konfigurationsmöglichkeiten für den speziellen Einsatz in einem solchen Testsystem, da dies nicht dem für sie vorgesehenen Zweck entspricht. Der Verbindungsaufbau des Prüflings zum AP erhöht außerdem die Testzeit.

 

Im neuen Systemdesign wurden diese Punkte angegangen und einer verbesserten Lösung zugeführt.

 

 

Implementierung und Umsetzung

Erster Schritt war die Auswahl der passenden Systemkomponenten. Das System besteht aus einer Hochfrequenzmesskammer mit Prüflingsaufnahme sowie einer integrierten Messantenne zur Vermessung des Prüflings. Eine zusätzliche Hilfsantenne ist für den automatischen Selbsttest des Systems vorgesehen. Dazu wird über die Hilfsantenne ein dediziertes HF-Signal abgestrahlt und über die Messantenne empfangen. Alternativ kann auch der umgekehrte Weg gewählt werden. Auf diese Weise wird nun die Dämpfung entlang der Signalstrecke bei verschiedenen Frequenzen ermittelt. Ist diese in mindestens einem Bereich erhöht, so kann von einem Fehler im System ausgegangen werden, welcher erkannt und signalisiert wird. Bild 1 zeigt den Aufbau innerhalb der Schirmbox. Die Hilfsantenne ist hier nicht zu sehen, sie befindet sich verdeckt zwischen der Messantenne und der Seitenverkleidung der Schirmbox.

 

Als Messhardware kam der Vektorsignal-Transceiver (VST) NI PXIe-5644R für Sende- und Empfangstests zum Einsatz. Für die Antennenumschaltung wurden zusätzliche RF-Schaltmodule im NI-PXIe-Rack verbaut.

 

Besonderes Augenmerk lag auf der Auswahl der Softwarekomponenten. National Instruments bietet eine breite Palette von Treibern und Toolkits für Anwendungen im Bereich RF. Es ist daher empfehlenswert, sich vorab über die Funktionen und Kosten der einzelnen Produkte genau zu informieren. Grundsätzlich basiert die Testsoftware auf LabVIEW zur Implementierung der Testschritte sowie für Teststand und Sequenzierung.

 

Für grundlegende Messaufgaben kamen die Gerätetreiber NI-RFSA und NI-RFSG zusammen mit dem LabVIEW Modulation Toolkit und dem Spectral Measurements Toolkit zum Einsatz. Alternativ zur Verwendung der beiden Toolkits hätte man auch die zusätzlichen Treiber NI-RFmx SpecAn und NI-RFmx Demod verwenden können. Diese basieren auf NI-RFSA und NI-RFSG und bieten die notwendigen Funktionen zur Modulation und zur Spektralanalyse.

 

Für den Test von integrierten WLAN-Modulen wurde das NI WLAN Toolkit zur Signalanalyse und Signalerzeugung eingesetzt. Gerade hier standen zum Zeitpunkt der Entwicklung mehrere Lizenzen zur Auswahl, und zwar in Abhängigkeit zu den WLAN-Standards, die verwendet werden sollten. Eine genaue Bedarfsanalyse ist in solchen Fällen sinnvoll, insbesonders wenn die Testsoftware später auf mehrere Arbeitsstationen ausgerollt werden soll.

 

National Instruments empfiehlt, die Selbstkalibrierung des VST unter bestimmten Bedingungen durchzuführen, unter anderem nach Ablauf von 24 Stunden. Um diese Bedingung im Testablauf zu ermitteln, war es notwendig, den Zeitpunkt der letzten Kalibration aus dem EEPROM des VST zu ermitteln. Der Gerätetreiber bietet diese Daten nur in Bezug auf die letzte externe Kalibration an. Als Workaround mussten die erforderlichen Daten durch entsprechende Programmierung des FPGA ausgelesen werden, was zusätzlich den Einsatz der LabVIEW Instrument Design Libraries notwendig machte.

 

Testsoftware für medizinische Produkte muss hohen Qualitätsmaßstäben gerecht werden, was wiederum aufwändige Softwaretests sowie deren Dokumentation erfordert. Ein wichtiges Ziel ist daher die flexible Wiederverwertbarkeit der Software, auch auf abgewandelter Hardware. Durch die Verwendung von NI Switch konnten die Switchmodule gegenüber der Testsoftware abstrahiert werden. Dadurch vermindert sich der Aufwand für die interne Dokumentation, wenn Switchmodule getauscht oder ergänzt werden müssen, da die Testsoftware nicht verändert werden muss, sondern nur eine Konfigurationsänderung in NI-MAX vorgenommen wird.

 

Die bei den Softwareprodukten mitgelieferten Beispiele haben sich in der Entwicklungsphase als außerordentlich nützlich erwiesen. Da es sich bei diesem System um verhältnismäßig einfache und standardisierte Messungen handelt, konnten fast alle Testfälle auf Basis dieser Programmbeispiele programmiert werden. Im Fall der integrierten WLAN-Module musste die abgestrahlte Leistung des modulierten Signals sowie die Error Vector Magnitude (EVM) bestimmt werden. Hierfür konnte ein vorhandenes Beispiel zur EVM-Messung erweitert werden, indem lediglich der Aufruf einer Unterfunktion sowie zwei Eigenschaftsknoten angepasst wurden.

 

Die mitgelieferten Soft-Frontpanels der jeweiligen Treiber und Toolkits bieten zusätzlich die Möglichkeit für einfache, schnelle Plausibilitätstests des eigenen Codes.

 

Zusammenfassung

Durch den Einsatz der Hardware und Software von National Instruments konnte ein flexibles Prüfsystem für unterschiedliche Funklösungen innerhalb kurzer Zeit erstellt werden. Besonders hervorzuheben ist die kürzere Testzeit, welche im Vergleich zum vorhergehenden Design um etwa 45 % reduziert werden konnte.

 

Ein weiterer Pluspunkt ist der deutlich kleinere Platzbedarf des neu entwickelten Systems. Während die herkömmliche Lösung einen hohen Platzbedarf hatte (Bild 2), so benötigt der neue Lösungsansatz nur wenige NI-PXIe-Module (Bild 3). An dieser Stelle wäre sogar der Einsatz eines 8-Slot-NI-PXIe-Racks ausreichend gewesen. Aus Kompatibilitätsgründen zu anderen Testsystemen in unserem Haus wurde jedoch die 18-Slot-Variante gewählt.

 

Informationen zum Autor:

Dipl.-Ing. (FH) M. Sc. Axel Bauer
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Bild 1: Messaufbau mit Messantenne (links) und Prüfling (rechts)
Bild 2: Aufwändiges Instrumentarium in älteren Systemen
Bild 3: Das aktuelle Prüfsystem benötigt nur wenige NI-PXIe-Einschübe.