Digital-I/O-Geräte für Tests, Steuerung und Entwurf

Die meisten digitalen automatisierten Testsysteme erzeugen und/oder erfassen Muster aus Einsen und Nullen, um mit einem Prüfling (DUT) zu kommunizieren. Angesichts der jüngsten Innovationen bei digitalen Komponenten erfordern diese Systeme jedoch ein hochentwickelteres digitales Testgerät, dessen Fähigkeiten über die eines einfachen Logikanalysators mit zwei Ein/Aus-Zuständen hinausgehen. Höhere Chipgeschwindigkeiten und der Branchentrend hin zu seriellen statt parallelen digitalen Protokollen erfordern immer höhere Abtastraten. Darüber hinaus erfordern der Druck in der Fertigung und der Zeitdruck bei der Markteinführung eine Verarbeitung auf Hardwareebene, um Tests schneller abschließen zu können. Neue Logikfamilien mit variablen Spannungspegeln und einfacher oder differenzieller Signalisierung machen diese Tests immer komplexer. Die Hochgeschwindigkeits-Digital-I/O(HSDIO)-Gerätevon NI bieten zahlreiche Funktionen digitaler automatisierter Testsysteme und Stimulus-Antwort-Funktionen, die auf die Anforderungen dieser digitalen High-End-Testanwendungen ausgelegt sind.

• Hohe Takt- und Datenraten von bis zu 200 MHz bzw. 400 Mbit/s ermöglichen eine präzise hardwaregetaktete Steuerung, die zum Testen der neuesten integrierten Schaltungen, feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGAs) und digitalen Kommunikationsgeräte unerlässlich ist.
• Die bidirektionale Steuerung pro Zyklus und pro Kanal sowie der Hardwarevergleich der erfassten Antwortdaten in Echtzeit erleichtern die Entwicklung von Anwendungen wie Bitfehlerratentests (BERT), Fehleranalysen zur Verifizierung und Validierung (V&V) sowie Bestanden/Fehlerhaft-Fertigungstests.
• Programmierbare Spannungspegel zwischen -2,0 und 5,5 V schaffen ein flexibles digitales System, das mit mehreren Logikfamilien verbunden werden kann oder die Ober- und Untergrenzen bestimmter Prüflinge charakterisieren kann.

^{Abbildung 1: Programmierbare Spannungspegel}

• Sechs logische Kanalzustände, darunter logisch Low (0), logisch High (1), Tri-State (Z), logisch High vergleichen (H), logisch Low vergleichen (L) und Ignorieren (X), definieren digitale Testsignalverläufe und steuern die Aktionen des digitalen Testgeräts.
• Die Synchronisierung mehrerer Messgeräte ermöglicht eine Synchronisierung im Subnanosekundenbereich für Systeme mit hoher Kanalanzahl, ohne dass eine externe Verkabelung erforderlich ist.
• Flexible Handshaking-Modi ermöglichen den synchronen und asynchronen Austausch von Signalen zur Anforderung und Bestätigung von Datenübertragungen zwischen dem Testsystem und dem Prüfling.

Software ist auch ein wichtiger Bestandteil jedes digitalen automatischen Testsystems. Der NI Digital Waveform Editor ist ein grafisches Softwaretool zur Visualisierung von Digitalsignalen sowie zur einfachen Erstellung, Bearbeitung und Änderung digitaler Signalverläufe für angepasste Schnittstellen- und Testanwendungen. Sie können digitale Signalverläufe von Grund auf neu entwerfen oder vorhandene Signalverläufe aus Entwurfstools unter Verwendung der Dateiformate Value Change Dump (.VCD) oder ASCII importieren. Darüber hinaus kann der Digital Waveform Editor während der Datenerfassung Bitfehler hervorheben. So können Inkonsistenzen einfach visualisiert und Zeitvorgaben gemessen oder Signalverläufe aktualisiert werden, um Entwurfsfehler zu beheben. In Kombination mit der grafischen Entwicklungsumgebung NI-LabVIEW und der Testmanagementsoftware NI-TestStand vervollständigt der Digital Waveform Editor die Softwarekomponente jedes digitalen Testsystems.

Tabelle 1 gibt einen Überblick über Hochgeschwindigkeits-Digital-I/O-Geräte von NI.

^{Tabelle 1: Hochgeschwindigkeits-Digital-I/O-Geräte von NI}

Industrielle Anwendungen bringen häufig Anforderungen mit sich, die über die Fähigkeiten eines typischen Messgeräts hinausgehen. So erfordern beispielsweise viele industrielle Sensoren und Aktoren 24-V-Logikpegel und können bei unterschiedlichen Spannungspotentialen arbeiten, was zu Masseschleifen führen kann. Die Sicherheit für das Mess- oder Steuersystem und die Sicherheit für den Benutzer oder Bediener sind gleichermaßen wichtig. Mit Spannungspegeln bis zu 150 V, hohen Ausgangsstromstärken und Isolierung können industrielle Digital-I/O-Geräte von NI direkt mit einer Vielzahl von Industriepumpen, Ventilen, Motoren und anderen Sensoren/Aktoren verbunden werden, wobei ein hohes Maß an Sicherheit und Zuverlässigkeit gewährleistet ist.

^{Abbildung 2: Industrielle Messungen mit 24-V-Logikpegeln und Isolierung}

Diese kostengünstigen Geräte eignen sich ideal für industrielle Steuer- und Fertigungstestsysteme wie die Fabrikautomatisierung, die Steuerung eingebetteter Maschinen und die Verifizierung von Produktionslinien. Darüber hinaus bieten die NI-Digital-I/O-Geräte für den industriellen Einsatz eine Reihe sehr zuverlässiger Industriefunktionen, mit denen sich selbst anspruchsvollste Anwendungen automatisieren lassen:

• Die Isolierungreduziert Rauschen, bietet einen erweiterten Spannungsbereich und schützt die Hardware für den direkten Anschluss an industrielle Sensoren und Aktoren.
• Programmierbare Einschaltzustände sorgen für einen bekannten initialisierten Zustand zum sicheren Betrieb bei Verbindungen mit Pumpen, Motoren und anderen industriellen Aktoren oder Maschinen.
• Digital-I/O-Watchdogs bieten einen fehlersicheren Mechanismus zur Überwachung von Computer- oder Anwendungsabstürzen und versetzen das System in den Zustand für eine sichere Wiederherstellung.
• Die Änderungserkennung löst Anwendungen automatisch aus, um nach einem Zustandsänderungsereignis bei einer digitalen Leitung einen digitalen Lesevorgang unter minimaler Prozessorauslastung durchzuführen.
• Programmierbare Eingangsfilter dienen der Entstörung von Eingangssignalen, Eliminierung von Störimpulsen und Signalspitzen sowie Entprellung bei Digitalschaltern und -relais.
• Industriezertifizierungen von CE, FCC, C-Tick, UL und VDE gewährleisten die EMI-Konformität in den meisten Regionen der Welt und bescheinigen den sicheren Betrieb des Systems in gefährlichen Umgebungen.

Digital-I/O-Geräte für den industriellen Einsatz sind Teil der DAQ-Industrieprodukte-Suite, zu der auch die Multifunktionsgeräte der M- und S-Serie von NI gehören. Diese Geräte ergänzen die PAC-Plattform (programmierbare Automatisierungscontroller) von NI und bieten I/O für den industriellen Einsatz, die sich nahtlos in Logik-, Motorsteuerungs-, Prozesssteuerungs- und Bilderkennungsanwendungen integrieren lässt. NI-PACs vereinen die Robustheit einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) mit einem PC-Funktionsumfang in einer offenen, flexiblen Softwarearchitektur. Mit LabVIEW können PACs mit industrieller Datenerfassung und digitaler I/O mit vorhandenen SPS-Anwendungen verbunden werden, um Industriemaschinen mit erweiterten Funktionen auszustatten und die Effizienz zu steigern.

^{Abbildung 3: Getränkeverpackungssystem von Innoventor}

Lesen Sie mehr über den industriellen Funktionsumfang. Tabelle 2 gibt einen Überblick über Digital-I/O-Geräte von NI für den industriellen Einsatz.

^{Tabelle 2: Digital-I/O-Geräte von NI für den industriellen Einsatz}

Das Entwerfen ist ein von Natur aus iterativer Prozess. Unabhängig vom Umfang der Anwendung verläuft jeder Entwurfszyklus von der Definition über die Simulation und die Prototyperstellung bis hin zum Testen, und meistens wiederholen sich diese Phasen in fortschreitenden Überarbeitungen. Die Möglichkeit, schnell zwischen den Phasen zu wechseln, ist für die Optimierung des Entwurfsprozesses von größter Bedeutung. Der grafische Systementwurf mit LabVIEW erfüllt diese Anforderungen mit einer einzigen Plattform, die den gesamten Entwurfszyklus abdeckt. Darüber hinaus bieten rekonfigurierbare Hardware in Kombination mit dem LabVIEW FPGA Module unübertroffene Hardware- und Softwareflexibilität für Entwurf, Prototyping und Bereitstellung.

Rekonfigurierbare Hardware bietet benutzerdefinierte, integrierte FPGA-Verarbeitung für vollständige Kontrolle des System-Timings und der Triggerung. Sie können den FPGA-Chip ohne vorherige VHDL-Kenntnisse konfigurieren, indem Sie mit dem LabVIEW-FPGA-Modul LabVIEW-Blockdiagramme erstellen, die Ihnen direkte und unmittelbare Kontrolle über alle I/Os geben. Dieser Prozess ermöglicht hohe Leistungsfähigkeit, benutzerseitig konfigurierbare Funktionen für Timing und Synchronisierung sowie geräteeigene Entscheidungsfindung bei Frequenzen bis zu 40 MHz und darüber.

Wenn Sie beispielsweise Anwendungen mit nicht unterstützten oder benutzerdefinierten digitalen Kommunikationsprotokollen entwickeln, können Sie das LabVIEW-FPGA-Modul verwenden, um verschiedene Kommunikationsschnittstellen auf FPGA-basierter Multifunktions-RIO-Hardware der R-Serie schnell zu implementieren oder zu prototypisieren.

^{Abbildung 4: Benutzerdefinierte digitale Protokolle mit Multifunktions-RIO-Modulen der R-Serie und LabVIEW FPGA}

Mit LabVIEW FPGA können Sie die „Personality“ jedes Geräts programmieren. Eine „Personality“ ist im Wesentlichen eine kompilierte Bitdatei mit Konfigurationsinformationen, die auf das geräteeigene FPGA heruntergeladen wird. Anstatt ein Gerät mit fester „Personality“ oder einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) zu verwenden, können Sie Ihre Platine individuell anpassen. Das Ändern von „Personalitys“ während der verschiedenen Iterationen eines Entwurfszyklus oder Prototyps ist so einfach wie das Ändern und Neukompilieren eines LabVIEW-Blockdiagramms. Sobald eine „Personality“ fertiggestellt ist, wird LabVIEW FPGA nicht mehr benötigt, da der Zugriff auf das Gerät über LabVIEW für Windows oder LabVIEW Real-Time erfolgen kann. Weitere Informationen zu benutzerdefinierten RIO-Personalitys finden Sie bei den nützlichen Links unten.

Rekonfigurierbare NI-I/O-Hardware bietet bis zu 160 digitale Leitungen, die Sie individuell für Eingang, Ausgang, Counter/Timer, Pulsdauermodulation und mehr konfigurieren können. Tabelle 3 fasst diese Optionen zusammen.

^{Tabelle 3: Multifunktions-RIO-Module der R-Serie von NI}

Die Hochgeschwindigkeits-Digital-I/O-Geräte von NI bieten eine weitere Möglichkeit für viele gängige Tests, die beim Entwurfsprozess digitaler Bauelemente verwendet werden. Für Anwendungen, die beispielsweise Stimulus-Antwort-Tests mit hohen Geschwindigkeiten oder vom Standard abweichende Spannungspegel erfordern, ergänzen NI-HSDIO-Geräte die multifunktionalen RIO-Geräte im Entwurfszyklus. HSDIO-Geräte können auch mit Geräten mit höherer Geschwindigkeit verbunden werden, die Daten mit einer Geschwindigkeit von bis zu 400 Mbit/s übertragen. Weitere Informationen finden Sie unter „Nützliche Links“.