Entendiendo un Sistema de Instrumentación Modular para Pruebas Automatizadas

Visión General

Esta nota técnica describe la diferencia entre una plataforma de instrumentación modular y una plataforma de instrumentación tradicional.

Contenido

Instrumentación Modular - Software Flexible y Definido por el Usuario, y Componentes de Hardware Escalables

Las tendencias a incrementar la complejidad de dispositivos y la convergencia tecnológica están forzando a que los sistemas de pruebas sean más flexibles. Los sistemas de pruebas deben adaptarse a los cambios a lo largo del tiempo en los dispositivos bajo prueba, a pesar de que las presiones de costos demandan mayores tiempos de vida del sistema. La única manera de cumplir con estos objetivos es a través de una arquitectura modular y definida por software. Esta nota técnica introduce el concepto de definición por software a través de instrumentación virtual, proporciona opciones para las implementaciones de software y la plataforma de hardware, y trata sobre cómo un sistema modular es ideal para enfrentar los retos que implican los equipos de pruebas automatizadas.

Principalmente hay dos tipos de instrumentación hoy en día, virtual y tradicional. La Figura 1 muestra las arquitecturas de estos tipos.


Figura 1. Al comparar arquitecturas de instrumentación tradicional y virtual, ambas comparten componentes de hardware similares; la diferencia principal entre las arquitecturas es en dónde se encuentra ubicado el software y si el usuario puede obtener acceso a él o no.


Los diagramas muestran las similitudes entre estas dos arquitecturas. Ambas tienen hardware de medición, un chasis, una fuente de alimentación, un bus, un procesador, un sistema operativo y una interfaz de usuario. Las arquitecturas utilizan los mismos componentes básicos, por lo que la diferencia más obvia desde un punto de vista meramente de hardware es cómo están empacados los componentes. Un instrumento tradicional, o autónomo, incluye todos los componentes de cada instrumento en la misma caja. Un ejemplo de un instrumento autónomo es un instrumento manual controlado por GPIB, USB o LAN/Ethernet. Estos instrumentos son diseñados como entidades discretas y no principalmente para usarse en un sistema. Aunque hay una gran cantidad de instrumentos tradicionales, el software de procesamiento y la interfaz de usuario están fijos en el instrumento en sí y sólo se pueden actualizar cuando y como el proveedor lo elija (por ejemplo, por medio de una actualización de firmware). Por lo tanto, es imposible para el usuario realizar mediciones que no están incluidas en la lista de funciones de un instrumento tradicional, lo cual convierte en un reto el realizar mediciones para estándares nuevos y el modificar el sistema si éste requiere cambios.

Por el contrario, un instrumento virtual definido por software permite que los datos sin procesar desde el hardware estén disponibles para los usuarios, los cuales entonces podrán definir sus propias mediciones e interfaz de usuario. Con este enfoque de definición por software, los usuarios pueden realizar sus mediciones personalizadas, llevar a cabo mediciones para estándares nuevos o modificar el sistema si éste requiere cambios (por ejemplo, agregar instrumentos, canales o medidas). El software definido por usuario puede ser utilizado para hardware autónomo de aplicaciones específicas, pero en realidad es ideal para emplearlo en hardware modular de uso general. En éste se puede aprovechar significativamente la flexibilidad completa y el desarrollo del software de medición. Esta combinación de software flexible definido por el usuario y componentes de hardware escalables es el núcleo de la instrumentación modular.

 

Hardware Modular para Escalar Sistemas

La instrumentación modular puede tomar diferentes formas. En un sistema de instrumentación modular bien diseñado, muchos de los componentes - tales como el chasis y la fuente de alimentación - son compartidos por varios módulos de instrumentación en vez de duplicar estos componentes por cada función de instrumento. Estos módulos de instrumento también pueden incluir diferentes tipos de hardware, incluyendo osciloscopios, generadores de funciones, dispositivos digitales y de RF. En algunos casos, como se muestra en la Figura 2, el hardware de medición es simplemente un periférico que se instala en una de las ranuras o puertos periféricos de la PC principal. En este caso, la PC principal proporciona el procesador para realizar las mediciones en software así como el chasis para la fuente de alimentación y E/S.

Figura 2. Los ejemplos de opciones de hardware de medición para instrumentación modular incluyen un módulo periférico de USB en la izquierda y un módulo insertable PCI Express en la derecha.



En otros casos, como en PXI (por sus siglas en inglés, PCI eXtensions for Instrumentation) - una plataforma robusta para pruebas, medición y control soportada por más de 70 compañías - el hardware de medición está contenido en un chasis industrial (ver Figura 3).

Figura 3. Este ejemplo de un sistema de instrumentación modular utiliza hardware PXI y software de desarrollo gráfico NI LabVIEW.


En un sistema PXI, la PC principal se puede integrar en el chasis (como se muestra en la Figura 3) o puede ser, por separado, una PC portátil, de escritorio o un servidor que controla el hardware de medición a través de una interfaz cableada. Debido a que un sistema PXI utiliza los mismos buses internos que una PC - PCI y PCI Express - y componentes de PC listos para utilizarse para controlar el sistema, los mismos conceptos de instrumentación modular se aplican de la misma manera al utilizar un sistema PXI o una PC. Sin embargo, PXI proporciona otros beneficios para instrumentación modular, como capacidad para mayor número de canales, la capacidad de ser portátil y robustez (para más información sobre PXI, visite ni.com/pxi/esa/). Sin importar si el sistema utiliza PXI, PC de escritorio con módulos insertables internos o PC de escritorio con módulos de E/S periféricos, el compartir el chasis y el controlador reduce de manera significativa costos y también permite al usuario controlar el software de medición y análisis. Hay muchas opciones de configuración para instrumentación modular, pero la diferencia entre esta modalidad y la instrumentación tradicional es que el software es abierto, por lo que el usuario puede definir sus propias mediciones conforme las pruebas van necesitando cambios o si las mediciones no están disponibles en instrumentos tradicionales.

Es importante notar que este enfoque modular no implica que la sincronización entre instrumentos o canales sea inferior al compararla con instrumentos tradicionales que combinan funciones en un mismo paquete. Por el contrario, los instrumentos modulares están diseñados para integrarse a un sistema. Todos los instrumentos modulares proporcionan habilidades de temporización y sincronización a través de relojes y disparos compartidos. Por ejemplo, para la precisión de sincronización más alta, los instrumentos de banda base, frecuencia intermedia y RF se pueden sincronizar entre ellos con un desfase entre instrumentos menor a 100 ps - mejor que el desfase entre múltiples canales en un mismo instrumento.

 

La Modularidad Reduce Costos y Tamaño, Incrementa Rendimiento y Extiende el Tiempo de Vida

El término "modular" a veces se utiliza de manera incorrecta al basarse solamente en el empaque de hardware, pero la instrumentación modular comprende más que sólo el empaque. Los usuarios deben esperar tres cosas de un sistema de instrumentación modular - costos y tamaño reducidos por medio de un chasis, plano trasero y procesador compartidos; rendimiento más veloz por medio de una conexión de alta velocidad al procesador principal; y mayor flexibilidad y longevidad por medio del software definido por el usuario.

Como se describió anteriormente, todos los instrumentos en un sistema modular de instrumentación comparten la misma fuente de alimentación, chasis y controlador. Los instrumentos autónomos duplican la fuente de alimentación, el chasis y/o el controlador por cada instrumento, aumentando los costos y el tamaño y reduciendo la fiabilidad. De hecho, cada sistema de pruebas automatizadas requiere una PC sin importar el bus que se utilice; una arquitectura modular que comparte este controlador con todos los instrumentos distribuye ese costo en todo el sistema. En los sistemas modulares de instrumentación, los procesadores de la PC en el orden de GHz analizan la información y realizan mediciones utilizando software. Como resultado se obtienen medidas con un rendimiento entre 10 y 100 veces mayor que el de un sistema de pruebas que consiste solamente en instrumentos tradicionales y que utiliza firmware integrado definido por el proveedor y procesadores de aplicación específica. Por ejemplo, un analizador de señales vectoriales (VSA) típico realiza 0.13 medidas de potencia en banda por segundo, mientras que un VSA modular de NI puede realizar 4.18 medidas de potencia en banda por segundo - un rendimiento mejorado 33 veces.

Los instrumentos modulares requieren un bus con ancho de banda alto y latencia baja para conectar los módulos del instrumento a los procesadores compartidos y así realizar mediciones definidas por el usuario. Mientras que USB proporciona una experiencia excelente al usuario en términos de facilidad de uso, PCI y PCI Express (y por lo tanto la plataforma PXI, que está basada en estos buses) proporcionan el más alto rendimiento en instrumentación modular. PCI Express hoy en día proporciona ranuras de hasta 4 GB/s, y PXI proporciona ranuras con ancho de banda de hasta 2 GB/s - más de 33 veces más veloz que un USB de alta velocidad, 160 veces más veloz que Ethernet de 100 Mb/s y hasta 16 veces más veloz que el Ethernet de Gb/s (Figura 4). Los buses periféricos tales como LAN y USB siempre se conectan al procesador PC a través de un bus interno tal como PCI Express y por lo tanto, su rendimiento siempre es menor. Como ejemplo de cómo los buses de alta velocidad pueden impactar en pruebas y medición, considere un sistema modular de adquisición de RF. Una ranura PCI Express x4 (2 GB/s) en una PC de escritorio o un sistema PXI puede transmitir a dos canales de 100 MS/s datos de frecuencia intermedia directamente a un procesador. Debido a que ni LAN ni USB pueden cumplir con estos requisitos, los instrumentos que necesitan este nivel de rendimiento siempre incluyen un procesador embebido y definido por el proveedor para realizar estas mediciones - y por lo tanto no son modulares.

Figura 4. PCI y PCI Express proporcionan el mayor ancho de banda y la latencia más baja, reduciendo el tiempo de pruebas y proporcionando flexibilidad y longevidad a través de software definido por el usuario.


En un instrumento modular, la conexión de alta velocidad a la PC principal es lo que proporciona la flexibilidad y longevidad porque permite al software ubicarse en la PC principal en vez de en el instrumento. Al ejecutarse el software en la PC principal, el usuario y no el proveedor es quien define cómo funciona el instrumento. Esta arquitectura le permite: 1) realizar mediciones que no son lo suficientemente comunes para estar incluidas en un instrumento no modular definido por el proveedor; 2) crear mediciones para estándares que aún no se publican; y 3) definir los algoritmos utilizados para realizar mediciones específicas. La naturaleza del software de ser definido por el usuario también implica que usted puede agregar o modificar mediciones, y hasta instrumentos, conforme el dispositivo en prueba va cambiando. Usted también puede utilizar el acceso directo a software para monitorizar o controlar estos instrumentos modulares desde la red.

Es importante notar que estas implementaciones de hardware no sacrifican el rendimiento de las mediciones. Hoy en día, los instrumentos diseñados con un enfoque de instrumentación modular incluyen el digitalizador de mayor resolución, el generador de forma de onda arbitraria de mayor ancho de banda y el multímetro digital de 7½ dígitos más preciso en la industria.

 

Software para Medidas Flexibles y Personalizadas

Es importante destacar la importancia de la función del software en instrumentación modular. El software convierte los bits sin procesar del hardware en mediciones útiles. Un sistema de instrumentación modular bien diseñado toma en consideración múltiples capas de software, incluyendo controladores de E/S, desarrollo de aplicaciones y administración de pruebas, como se muestra en la Figura 5.

Figura 5. Las capas de software a menudo se utilizan en sistemas de instrumentación modulares.


La capa inferior, los Servicios de Medición y Control, es uno de los elementos más importantes de un sistema de instrumentación modular, aunque frecuentemente no se le da la importancia debida. Esta capa representa el software controlador de E/S y las herramientas de configuración de hardware. Este software de controlador es crítico, porque proporciona la conectividad entre el software de desarrollo de pruebas y el hardware para medición y control.

Los controladores de instrumento proporcionan un conjunto de funciones de alto nivel y legibles por humano para establecer una interfaz con instrumentos. Cada controlador de instrumento está diseñado específicamente para un modelo de instrumento en particular para que pueda proporcionar una interfaz para sus habilidades únicas. En un controlador de instrumento es particularmente importante su integración con el entorno de desarrollo para que los comandos del instrumento sean parte integral del desarrollo de la aplicación. Los desarrolladores de sistemas necesitan interfaces de controlador de instrumento optimizadas para su elección de entorno de desarrollo, por ejemplo, NI LabVIEW, C, C++ o Microsoft .NET.

Las herramientas de configuración también son representadas en los Servicios de Medición y Control. Estas herramientas de configuración incluyen recursos para configurar y probar E/S, así como almacenar información de escalamiento, calibración y alias de canales. Estas herramientas son importantes para rápidamente construir, depurar y mantener un sistema de instrumentación.

El software en la capa de Entorno de Desarrollo de Aplicación proporciona las herramientas para desarrollar el código o el proceso para la aplicación. Aunque la programación gráfica no es un requisito de los sistemas de instrumentación modular, estos sistemas a menudo utilizan herramientas gráficas para facilitar el uso y agilizar el desarrollo. La programación gráfica utiliza "íconos" o funciones simbólicas que representan por medio de una imagen la acción que se va a realizar, como se muestra en la Figura 6. Estos símbolos se conectan entre sí con "cables" que transfieren los datos y determinan el orden de la ejecución. LabVIEW proporciona el entorno de desarrollo gráfico más completo y más usado en la industria.

 


Figura 6. Código para una aplicación típica de estímulo/respuesta utilizando instrumentación modular, escrito en LabVIEW, 1) genera una señal desde un generador de forma de onda arbitraria, 2) adquiere la señal con un digitalizador/osciloscopio; 3) realiza una transformada rápida de Fourier (FFT) y 4) grafica el resultado de la FFT en la interfaz de usuario (pantalla frontal).

 

Algunas aplicaciones también requieren una capa adicional de administración de software, ya sea para ejecución de pruebas o visibilidad en los datos de prueba. Éstos se representan en la capa de Software de Administración de Sistemas. Para sistemas de pruebas altamente automatizados, el software de manejo de pruebas proporciona una estructura para generación de secuencias, derivación/creación de lazos, generación de reportes e integración de bases de datos. La herramienta de administración de pruebas también debe proporcionar integración estrecha en los entornos de desarrollo en los cuales se crea el código específico para la aplicación. NI TestStand, por ejemplo, proporciona esta estructura para secuenciar, derivar, generar reportes e integrar bases de datos, e incluye conectividad con todos los entornos de desarrollo comunes. En otras aplicaciones que necesitan visibilidad en grandes cantidades de datos de pruebas, otras herramientas podrían resultar útiles. Estas necesidades incluyen acceso rápido a grandes volúmenes de datos dispersos, reportes consistentes y visualización de datos. Estas herramientas de software ayudan a administrar, analizar y reportar datos recolectados durante la adquisición de datos y/o generados durante simulaciones.

Cada capa de esta arquitectura de software debe considerarse para un sistema de instrumentación modular.

 

Instrumentación Modular - Cubriendo todas las Necesidades de Pruebas Automatizadas

Conforme los dispositivos van volviéndose más complejos e incluyendo tecnologías más diferentes, los sistemas de pruebas se deben volver más flexibles. Mientras que los sistemas de pruebas deben adoptar dispositivos que van cambiando con el tiempo, la presión de costos demanda que la vida de los sistemas sea más larga. La única manera de cumplir con estos objetivos es a través de una arquitectura modular y definida por software. A través de componentes compartidos, buses de alta velocidad y software abierto definido por usuario, la instrumentación modular está diseñada para cubrir las necesidades de los equipos de pruebas automatizadas de hoy en día y a futuro.

 

Productos de NI Relevantes y Notas Técnicas

National Instruments, un líder en la industria de pruebas automatizadas, está comprometido a proporcionar los productos de hardware y software que los ingenieros necesitan para crear estos sistemas de pruebas de nueva generación.

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Notas Técnicas
National Instruments ha desarrollado una extensa colección de guías técnicas para ayudarle a lo largo del diseño de un sistema de pruebas. El contenido de estas guías está basado en prácticas recomendadas y compartidas por equipos de ingenieros de pruebas en la industria así como grupos internos de desarrollo en NI y consolidado a través de nuestros foros con clientes. Al final, estos recursos le enseñan las mejores prácticas para ingeniería de pruebas en una forma útil y reutilizable.  Descargue estas guías desde la Librería de Recursos para Desarrollo de Sistemas de Pruebas.