使用 SLSC 架構新增額外元素至測試系統的訊號路徑

建立測試系統時,從受測裝置 (DUT) 到量測裝置的訊號路徑需要額外的元件,以利客制化訊號處理、載入與切換。因此,NI 打造了 NI 切換負載與訊號處理 (SLSC) 架構。本文件說明如何使用 NI SLSC,在一般測試系統的訊號路徑中新增額外的元素。

作為應用示範,我們將以電子控制單元 (ECU) 常用的脈寬調變 (PWM) 訊號激發電子控制單元 (ECU),並且量測其響應。由於許多 ECU 需要更高的電壓準位,因此我們會新增額外的元件來執行準位移轉,以產生並量測參考車用電池等外部電源供應器的訊號。

此外,我們也將新增繼電器,用於將故障插入模擬 ECU 線圈中接線損壞的訊號路徑中。

此系統將使用 NI PXI R 系列 FPGA 機板產生並量測 PXI 機箱中的數位 PWM 訊號,接著調整電壓並在 SLSC 機箱中新增切換器。

為了簡單起見,本文不會使用實際的 ECU。在此情況下,我們的 DUT 為接線盒,會將連接線封裝起來,並使用 R 系列上的其中一個數位輸入來量測數位輸出產生的 PWM 訊號。

下圖顯示了從透過 SLSC 路由的 PXI 系統,到訊號包覆的接線盒,再透過 SLSC 回傳至 PXI 系統的訊號路徑。

PXIe-7822R 模組使用標準 SHC68-C68-RDIO2 連接線連接至 RTI-12301。RTI-12301 會分解 SLSC-12201 模組的訊號。SLSC-12201 用於針對外部參考來源調整訊號。在此案例中,我們使用的是 24V 電源供應器,但在實際情況下,這可代表汽車 ECU 或飛機 LRU 的電池電壓。訊號會使用 HD 44 連接線從 SLSC 前端往後包覆,並插入 RTI-12305。RTI-12305 會斷開 SLSC-12101 的訊號,用於切換模擬接線中損毀的訊號。

下圖顯示了此配置的後方與正面圖,其中包含此應用不使用的額外 PXI 與 SLSC 模組。圖中未顯示封套電線、外部參考與乙太網路連接線接線。 下一節將進一步說明訊號路徑,顯示從 PWM 輸出到 PWM 輸入的路徑。

圖片 4.SLSC 後視圖

圖形 5.SLSC 與 PXI 系統正面圖。

PWM 訊號是由 FPGA 產生,FPGA 程式碼則會顯示在軟體部分。FPGA 的輸出針腳可在 PXIe-7822R 人機介面上的 VHDCI 接頭上使用,這個訊號是 3.3 伏特訊號。脈波列會透過 SHC68-C68-RDIO2 VHDCI 連接線傳輸至 SLSC 機箱的 RTI-12301 後端轉換介面。

SLSC 模組開發組合指定了將訊號從 RTI 傳送至 SLSC 模組的標準方式。

接著 SLSC-12201 模組就會放大脈衝列,並根據外部 Vsup 將脈衝列轉換為 5 V 與 33 V 之間的電壓。SLSC-12201 模組可透過乙太網路埠透過 SLSC API 進行程式設計,並提供多種運作模式。在此案例中,我們已將輸出設為源極輸出,並且指定使用連接至 RTI-12301 的 Vsupp 針腳的外部參考。這個範例使用外接的 24 V DC 電源供應器。

訊號使用 0 V 到 24V 之間的脈寬調變 (PWM)。這個輸出訊號可透過 SLSC-12201 模組前端的 HD44 接頭提供。訊號會使用 1:1 HD44 連接線連接至 RTI-12305,並提供給 SLSC-12101 原型製作模組。我們在此模組上安裝了以 SLSC 12101 控制器 (CPLD) 的一個軟體控制針腳控制的繼電器。

當繼電器通電時,訊號即可通過繼電器,並可透過 SLSC-12101 模組前端的 HD 44 接頭進行。訊號會透過 1:1 HD 44 連接線傳輸至接線盒,並封裝至輸入。
SLSC-12101 模組的回傳路徑相似,但 SLSC-12101 模組上沒有繼電器,只要將訊號連接並傳遞至 SLSC-12201,該訊號會在輸入模式中設定,並使用 12 V 的臨界值,然後再調整回 FPGA 可讀取的值。

SLSC 架構

SLSC 是一種模組化架構,可補充 NI 硬體平台 PXI 與 C 系列,其設計可讓客戶與合作夥伴輕鬆建立測試系統所需的客制電路卡,並從軟硬體角度輕鬆介接。

SLSC 架構包含 3 個元件:機箱、模組與後端轉換介面 (RTI)。如需機箱的詳細資訊,請參閱入門手冊。如下圖所示,模組高度達144.32mm (4U),深度達 281.9mm,背面有 3 個介接接頭 (XJ1、XJ2 與 XJ3)。XJ1 接頭用於使用 SLSC 驅動程式 API 的模組通訊,XJ2 接頭用於訊號介接,XJ3 則用於高功率連接。

後端轉換介面 (RTI) 可連接 SLSC 模組與 NI 量測硬體。應用程式可從多種 NI 與第三方 RTI 進行選擇,也可自行設計。若能自行設計 RTI,系統設計人員就能減少系統的接線連線與點對點接線。

下圖顯示 RTI 與外部參考、量測裝置以及 SLSC-12201 模組的連接方式。

SLSC 模組開發套件

SLSC 模組開發組合 (MDK) 提供詳細的設計限制,讓設計人員能夠與其他模組和生態系統產品互通。使用者必須存取 NI 的有效 MDK 組合才能建置模組。如需進一步了解採購 MDK 的資訊,請聯絡 NI。

搭載 LabVIEW 2015 與 PXIe-7822R 的 PXIe 機箱

PXIe-7822R 是一款可重設 I/O (RIO) 介面卡,具備使用者可程式化的 FPGA,可進行內建處理與靈活的 I/O 操作。透過 LabVIEW FPGA,您可以個別設定數位通道,以做為輸入、輸出、計數器/計時器、PWM、編碼器輸入或專屬通訊協定。您也可以將客制化的內建決策功能設為程式,以硬體時脈的速度與穩定性執行。針對此專案，我們使用 DIO0 做為 PWM 輸出，並使用 DIO1 做為 PWM 輸入。

SLSC-12201

SLSC-12201 是專為 NI 數位輸入與輸出 (DIO) 裝置所設計的數位訊號處理模組。下方為程式方塊圖與模組圖。

模組可透過 SLSC 匯流排設定為輸出或輸入。由於輸出可根據 2 個外部參考 (Vsup_x) 之一放大數位訊號,輸出電路也可透過 3 種模式進行運作:Push, Pull, or Push and Pull。

模組的預設輸入是下拉,但可設定可程式化的上拉。輸入訊號臨界可程式化,以做為標準的 5 V TTL 輸入或具有可程式化臨界的延伸範圍運作。

外部參考 (Vsup_x) 可程式化為 8 個通道的 2 組組間之一。

針對此配置,我們要使用 Vsup_1,該 Vsup_1 會連接至 RTI 12301 接頭的 JR1 接頭 24V。

針對此專案,我們使用 P0.0 做為量表化 PWM 輸出,並使用 P0.1 做為量表化 PWM 輸入。

RTI-12301

RTI-12301 用於使用標準 SHC68-C68-RDIO2 連接線與 SLSC-12201 模組對應來自 PXIe-7822R 模組的訊號。如此會將 SLSC-12201 模組上的 PXIe-7822R DIO0 對應至 P0.0,並將 DIO1 對應至 P0.1。

SLSC-12101

SLSC-12101 是一款原型製作模組,可協助 SLSC 模組開發人員迅速製作設計原型。此模組可分為 4 個格狀區域,使用者可以直接將元件焊接至格狀區,或是將次要電路卡固定至格狀區域,以建立電路原型。

此模組會遵循 SLSC 模組設計規格中定義的所有層級 2 相容性需求,且會透過這樣的路由,在模組開發人員遵循完全相容後端 I/O 的訊號傳輸需求時,也能達到等級 1 相容性。這些需求會於 SLSC 模組設計說明文件第 11 章說明。

原型製作模組有 4 組格線,可用於製作原型,如下圖所示:

在此範例中,我們在組間 1 格線區域上建置了下方所示的電路。此電路的目的是要開啟或關閉模擬 PWM 訊號開路的 SPDT 繼電器。繼電器需要在 15 mA 的 24 V 電壓,才能為 2N3904 NPN 電晶體供應的繼電器供電。使用 CPLD 針腳 23 開啟電晶體。  

下列為 SLSC-12101 上使用的針腳映射

XJ2:針腳 a1 = 微調 PWM 輸出訊號+ » J1 針腳1

XJ2:針腳 b1 = 微調 PWM 輸出訊號- » J1 針腳 16

XJ2:針腳 d1 = 量表化 PWM 輸入訊號+ 回傳 » J2 針腳 3

XJ2:針腳 e1 = 量表化 PWM 輸入訊號- 回傳 » J2 針腳 18

RTI-12305

RTI 12305 使用 SLSC 模組的人機介面上的 44 針腳接頭對應 SLSC 訊號。這種方式用於封裝連線,例如故障植入或切換。

外接電源供應器、HD 44 連接線與 HD 44 接線盒

外接電源是使用 NI 的 24DVC 電源供應器 (PSU 15),並使用 1 至 1 條 HD 44 連接線將訊號連接至 Phoenix HD 44 接線盒。

此專案的軟體分為三個部分:第一部分說明 SLSC-12201 所需的程式設計;第二部分說明建立 PWM 訊號所需的 LabVIEW 程式碼;第三部分說明如何使用 SLSC-12101 進行故障植入。

設計 SLSC-12201 的程式

模組功能說明

每個 SLSC 模組均由屬性與指令設定,並分為模組功能與實體通道功能。這些功能會儲存在模組的非揮發性記憶體 (NVMEM),因此不需安裝特殊的軟體層即可使用模組。SLSC API 可讓您控制模組功能。

使用「Show Command and Property Tree.vi」隨附範例,即可取得 SLSC-12201 模組的所有屬性與指令。

設計 SLSC-12201 的程式

第一步是設定連接埠 0 的通道 0 向數位輸出的方向,這是 PWM 輸出的路徑:

下一步是設定線路埠與數位輸入的方向,這是數位輸入的路徑:

下列程式碼會將 Vsup_0 指派給組間 0;Vsup_0 會連接至外部 24V 電源供應器。VI 也會將高/低臨界值設為 12V。

請注意,此程式碼使用 Command NI.UpdateChannelConfiguration。如此即可承諾先前的所有設定屬性,並同時啟用所有數位通道與組間的設定。

設計 PXIe-7822R 的程式

PWM 輸出

下列 LabVIEW FPGA 程式碼說明產生 PWM 輸出訊號的方式:

PWM 量測

使用下圖量測 PWM 輸入。如需有關為 NI R 系列介面卡建置 PWM 韌體的詳細資訊,請參閱此連結:http://www.ni.com/example/5963/zht/

設計 SLSC-12101 程式與主機應用程式

中斷切換器

此程式碼會控制繼電器,而且可以隨時在使用者意願時或測試套件程式設計時插入開路故障。下方程式碼使用事件結構 (以避免產生 SLSC 機箱不必要的流量):

主機應用程式

此簡易應用的最終系統將於下方提供。 這是 LabVIEW 人機介面。

本文件示範如何使用 NI SLSC 架構,為測試系統的訊號路徑新增額外元件。

以下列出了所使用的軟硬體零件:

1. SLSC 模組設計說明書 (需購買 PN 785205-01)
2. SLSC-12001 入門指南與規格
3. SLSC-12201 入門指南
4. SLSC-12101 使用者指南
5. 脈寬調變範例 DAQ 屬性