다기능 PXI I/O 번들을 사용하여 유연하고 자동화된 콤팩트 테스트 시스템 구현

산업, 소비자, 자동차, 의료 및 기타 전자 시스템의 설계 검증, 부품 테스트 및 생산 테스트를 위한 자동화된 다기능 테스트 시스템을 구현하려면 다양한 테스트 및 측정 계측기가 필요합니다. 또한 현대 설계에 사용되는 많은 수의 센서로 인해 여러 아날로그 및 디지털 채널이 필요하며, 주어진 테스트 베드의 크기를 쉽고 비용 효율적으로 조정할 수 있어야 합니다.

독립형 테스트 장비로는 이러한 요구 사항을 충족하기 어려울 수 있습니다. 대신 설계자는 PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)와 같은 표준화된 폼 팩터를 사용하여 모듈식 접근 방식을 선택할 수 있습니다. 그러면 빠르게 변화하는 다기능 다채널 테스트 환경에 필요한 유연성 및 생산성 향상을 제공하면서 비용을 최소화할 수 있습니다.

이 기사에서는 PXI에 대해 간략하게 소개하고 샘플 테스트 설정을 사용하여 해당 이점을 강조합니다. 그런 다음 NI의 PXI 다기능 I/O 번들을 소개하고 구성 방법을 설명합니다.

PXI를 사용하는 이유

테스트 베드가 점점 더 복잡해지면서, 독립형 장비를 사용할 경우 화면, 전면 패널, 라인 코드가 늘어나고 계측기 컴퓨터 인터페이스가 느려집니다. 이로 인해 혼란과 불필요한 오류가 발생하여 테스트 시간이 길어지고 생산성이 저하됩니다. 또한 ‘랙 및 스택’ 테스트 시스템을 업데이트하거나 다시 구성하여 기능을 추가(예: 채널 추가)하기 어렵고 많은 비용이 들 수 있습니다. 단일 기능 계측기의 경우 기능을 변경하려면 전체 계측기를 교체해야 하며, 연결된 통신, 동기화, 재프로그래밍으로 인해 문제가 복잡해집니다.

PXI 계측기는 표준 콤팩트 폼 팩터에서 필요한 기능을 제공합니다. 이 경우 아날로그 및 디지털 입/출력(I/O) 채널과 같은 여러 계측기가 공통 섀시에 나란히 장착됩니다. 또한 PXI는 오실로스코프, 다중 계측기, 신호 발생기와 같은 복잡한 계측기의 추가 및 통합을 간소화합니다. 계측기는 공통 버스 구조로 내부적으로 통신하여 동기식 작동을 보장하며, 통합 소프트웨어를 실행하는 PC를 통해 공통 화면에서 모든 계측기를 제어할 수 있습니다.

공통 테스트 시나리오

다기능 I/O 모듈이 처리하도록 설계된 측정 유형을 보여주는 한 가지 예는 여러 유형의 센서를 필요로 하는 지능형 동작 제어 시스템의 가변 속도 구동기(VSD)로 구성됩니다(그림 1).

그림 1: VSD에서는 여러 아날로그 및 디지털 센서를 테스트하고 기능을 검증해야 합니다. (이미지 출처: Art Pini)

VSD의 센서 부품을 테스트하여 모터 온도, 회전 속도, 샤프트 위치, 토크, 진동 레벨 센서가 올바르게 작동하는지 확인합니다. 대부분의 센서 출력은 신호 저대역이 1MHz 미만인 아날로그 신호입니다. 이방성 자기 저항(AMR) 전류 센서, 샤프트 위치 센서와 같은 일부 아날로그 센서에서는 저항 브리지를 사용하며 측정 계측기에서 차동 입력이 필요합니다. 회전 속도계와 같은 일부 센서는 디지털 형식일 수 있으며 모니터링을 위해 하나 이상의 디지털 입력이 필요할 수 있습니다.

다기능 I/O 테스트 모듈은 아날로그 센서 출력과 일치하는 아날로그 전압 범위, 대역폭 및 샘플링 속도를 제공하여 이러한 유형의 센서를 테스트하는 데 적합합니다. 또한 샘플링 속도가 테스트 중인 데이터 전송률보다 더 큰 디지털 I/O 채널을 포함합니다.

각 응용 분야에서 여러 센서가 사용되는 로봇 공학, 자동차, 산업 환경의 응용 제품에도 유사한 테스트 요구 사항이 있습니다.

다기능 I/O 테스트 번들

NI의 PXI 번들은 5슬롯 PXI 섀시와 두 NI 다기능 I/O 모듈 중 하나로 구성됩니다. PXI 다기능 모듈은 아날로그 I/O, 디지털 I/O, 카운터/타이머 및 트리거링 기능을 혼합합니다(그림 2).

그림 2: PXI 다기능 I/O 번들은 다기능 PXI I/O 모듈과 추가 계측기를 위한 네 개의 개방형 슬롯을 포함하여 독립형 자동화 테스트 및 측정 시스템을 제공합니다. (이미지 출처: NI)

섀시는 후면판을 통해 모든 모듈을 연결하는 내부 버스 구조 및 전력을 제공합니다. PXIe 버스를 통해 다중 계측 트리거 및 동기화할 수 있습니다. PXIe는 PXI의 병렬 데이터 버스 대신 고속 직렬 인터페이스를 사용하는 PXI의 하위 세트입니다. Thunderbolt 3 인터페이스는 컴퓨터에 대한 USB 3.0 커넥터를 통해 빠른 인터페이스를 제공합니다. 두 USB 3.0 커넥터를 사용하여 여러 PXIe 섀시를 데이터 체인으로 연결할 수 있습니다. 네 개의 개방형 슬롯을 통해 오실로스코프, 디지털 다중 계측기, 파형 생성기, 멀티플렉서 스위치, 소스 측정 장치, 전원 공급 장치와 같은 다른 계측기를 수용할 수 있습니다.

예를 들어 NI의 867123-01 다기능 I/O 번들은 PXIe-1083 5슬롯 섀시, PXIe-6345 다기능 I/O 모듈 및 연결된 케이블로 구성됩니다. 또한 867124-01 번들은 동일한 섀시 및 케이블을 사용하지만 전면 패널에 입력 대량 종단 커넥터가 있는 PXIe-6363 모듈을 사용합니다(그림 3).

그림 3: PXIe-6363 다기능 I/O 모듈의 상세 보기에는 전면 패널의 입력 대량 종단 커넥터 보기가 포함됩니다. (이미지 출처: NI)

두 제품 번들은 아날로그 입력 채널 수, 아날로그 출력 채널 수, 디지털 I/O 채널 수, 최대 샘플링 속도(kS/s 및 MS/s)가 다릅니다(표 1).

표 1: PXIe-867123 및 PXIe-867124 다기능 I/O 번들을 비교하여 보여줍니다. (표 출처: Art Pini)

아날로그 채널

두 번들의 아날로그 입력(AI) 채널 내부 구성은 동일합니다. 아날로그 멀티플렉서(Mux)를 사용하여 각 입력에 연결하는 여러 입력 채널을 통해 단일 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 공유합니다(그림 4).

그림 4: 아날로그 채널 입력 구성에는 개별적으로 구성된 입력을 단일 ADC로 라우팅하는 Mux가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: NI)

입력 신호는 전면 패널 I/O 커넥터를 통해 연결됩니다. 또한 AI 감지 연결과 AI 접지를 사용하여 측정에 대한 정확한 레퍼런스 레벨을 설정할 수 있습니다. Mux는 아날로그 입력 중 하나를 선택합니다. 여러 측정을 위한 단일 채널 또는 시퀀싱 측정을 위한 다중 채널일 수 있습니다. 선택된 채널은 아날로그 입력 구성 선택을 통해 라우팅됩니다. 차동, 레퍼런스되는 단일 종단(RSE), 레퍼런스되지 않는 단일 종단(NRSE)이라는 세 가지 입력 구성이 있습니다. 플로팅 소스에 권장되는 차동 연결에서는 반전 및 비반전 차동 입력으로 사용 가능한 두 아날로그 입력을 사용합니다. 차동 입력은 접지 레퍼런스가 아니며 플로팅 소스에 연결될 수 있습니다. 차동 입력 구성은 공통 모드 잡음을 억제합니다.

RSE 입력 구성에서는 플로팅 소스를 위한 AI 접지 또는 접지 기반 소스를 위한 소스 접지의 한 지점에서 반전 입력(AI-)을 접지에 연결합니다.

플로팅 소스용 NRSE 구성에서는 AI 입력을 소스의 음극 단자와 AI 감지 라인에 연결하고 저항 복귀를 AI 접지에 연결합니다. 접지 레퍼런스 소스의 경우 AI 단자를 소스 접지와 AI 감지 라인에 직접 연결합니다.

구성된 입력은 NI 프로그래밍 가능한 이득 계측 증폭기(NI-PGIA)에 라우팅됩니다. 이 증폭기는 ADC의 입력 전압 범위에 맞게 수신 신호를 증폭하거나 감쇠합니다. 아날로그 신호에는 ±100mV ~ ±10V의 7가지 프로그래밍 가능 입력 전압 범위가 있습니다. 각 입력 신호 채널의 입력 범위를 개별적으로 프로그래밍 가능하며, 입력 신호에 따라 이득이 전환됩니다. NI-PGIA는 모든 입력 전압 범위에 대한 설정 시간을 최소화하여 전압 측정 정확성을 최대화합니다.

두 디지타이저에 대한 ADC의 진폭 분해능은 16비트입니다. 아날로그 신호는 65,536개의 가능한 레벨로 양자화됩니다. 이는 ±10V 범위에서 320mv 분해능을 제공하고 ±100mV 범위에서 3.2mv 분해능을 제공합니다.

ADC의 디지털화된 출력은 AI FIFO(AI First in, First out) 메모리에 저장됩니다.

또한 다기능 모듈에는 아날로그 출력(AO) 기능이 있습니다. 모델에 따라 공통 출력 클록을 가진 두 개 또는 네 개의 아날로그 출력이 있습니다(그림 5).

그림 5: 일반 아날로그 출력 단계에서 AO FIFO 메모리 버퍼는 호스트에서 다운로드되는 파형 샘플 값을 보유합니다. (이미지 출처: NI)

AO FIFO 메모리 버퍼는 호스트 컴퓨터에서 다운로드되는 파형 샘플 값을 보유합니다. 샘플을 FIFO에 저장하면 컴퓨터에 연결하지 않고도 아날로그 파형을 출력할 수 있습니다. AO 샘플 클록은 디지털 샘플 값을 아날로그 전압으로 변환하는 디지털 아날로그 컨버터(DAC)로 FIFO의 데이터를 기록합니다. AO 레퍼런스 선택은 아날로그 출력 범위를 변경하는 데 사용됩니다. AO 레퍼런스 선택을 10V 또는 5V로 설정하거나 아날로그 PFI(APFI)를 통해 외부 레퍼런스를 적용할 수 있습니다.

디지털 채널

디지털 채널은 공통 라인에서 디지털 신호를 획득하거나 생성하기 위한 입력 기능과 출력 기능을 모두 포함합니다(그림 6).

그림 6: 양방향 디지털 I/O 라인(P0.x)은 디지털 신호를 획득 및 생성할 수 있습니다. (이미지 출처: NI)

P0.x 라인은 정적 또는 고속 디지털 라인을 입력 또는 출력으로 사용하여 작동합니다. 또한 PXIe-63xx 계열 모듈에는 사용자가 프로그래밍 가능 기능 인터페이스(PFI) 또는 디지털 I/O 채널로 구성할 수 있는 16개의 PFI 라인이 있습니다. PFI 채널에서는 입력으로 아날로그 입력, 아날로그 출력, 디지털 입력, 디지털 출력 또는 카운터/타이머 기능에 대한 외부 소스를 라우팅할 수 있습니다. 출력으로 많은 아날로그 입력, 아날로그 출력, 디지털 입력, 디지털 출력 또는 카운터/타이머 기능을 각 PFI 단자에 라우팅할 수 있습니다.

이러한 모든 라인에서는 2.2V ~ 5.25V 사이의 높은 논리 레벨과 0V ~ 0.8V 사이의 낮은 논리 레벨을 허용합니다. 디지털 라인은 최대 10MHz에서 클록에 기록됩니다.

각 디지털 라인에는 디지털 출력 신호를 디바운스하는 데 사용되는 디지털 필터가 있습니다. 사용되는 필터 클록 주파수에 따라 세 가지 필터 설정(짧음, 보통, 높음)이 있습니다. 짧은 설정은 160ns를 초과하는 펄스 폭을 통과시키고, 보통 설정은 10.24ms 이상의 펄스 폭을 통과시키고, 높은 설정은 5.12ms 이상의 펄스 폭을 통과시킵니다. 폭이 통과되는 펄스 폭의 1/2 미만인 펄스는 억제됩니다.

VSD 모터 예로 돌아가서 디지털 입력을 사용하여 샤프트 위치를 디코딩할 수 있습니다. 광학 인코더의 디지털 출력에서 샤프트 위치를 읽을 수 있습니다. 광학 인코더에는 세 가지 디지털 출력(회전당 1회 인덱싱 펄스, 90˚ 위상 차를 가진 두 방형파(직각 위상 출력이라고 함))이 있습니다. 직각 위상 출력을 일반적으로 ‘A’ 및 ‘B’라고 합니다. 인덱스 펄스를 직각 위상 출력과 결합하여 절대값 샤프트 방향과 회전 방향을 계산할 수 있습니다.

카운터/타이머

두 PXIe 모듈은 모두 네 개의 범용 32비트 카운터/타이머 단계와 하나의 주파수 발생기 단계를 포함합니다. 각 카운터/타이머 단계에 대한 8개의 신호 입력 경로가 있으며 카운터 타이머 입력은 14개의 사용 가능한 신호 중 하나일 수 있습니다. 선택된 신호를 클록에 적용해야 하며, 카운터/타이머 입력을 카운트 다운하는 조항은 없습니다. 카운터/타이머를 사용하여 모서리를 계산하거나, 주파수 또는 기간을 측정하거나, 폭, 듀티 사이클, 두 가장자리 사이의 시간과 같은 펄스를 측정할 수 있습니다.

예제 카운터/타이머 응용 분야에서는 VSD 모터 그림의 광학 인코더에서 인덱스 펄스의 주파수를 측정합니다. 주파수의 크기를 조정하여 모터 회전 속도(rpm)를 판독할 수 있습니다.

주파수 발생기 또는 카운터 출력은 간단한 펄스, 펄스 트레인, 정주파, 주파수 분할 또는 등가 시간 샘플링(ETS) 펄스 스트림을 생성할 수 있습니다.

ETS 펄스 스트림은 카운터 게이트 펄스에서 증가하는 지연을 가진 펄스 출력을 생성합니다. 주파수가 디지타이저의 나이퀴스트 주파수보다 높은 아날로그 입력에 대해 더 높은 샘플링 속도로 반복 파형에 대한 샘플링 타이밍을 제공할 수 있습니다.

소프트웨어 지원

여러 소프트웨어 패키지에서 다기능 I/O 모듈을 지원합니다. NI의 LabVIEW는 데이터 취득, 처리 및 분석을 간소화하는 그래픽 프로그래밍 환경을 제공합니다. 또한 테스트, 모니터링, 제어 및 데이터 보관을 위한 대화형 사용자 인터페이스를 생성할 수 있습니다.

자체 코드를 생성하려는 사용자를 위해 NI는 Python, C, C++, C#, .NET, MATLAB 등 선택된 프로그래밍 언어를 지원하는 드라이버를 제공합니다.

또한 NI는 FlexLogger라는 코드 없는 소프트웨어 패키지를 제공합니다. FlexLogger를 사용하여 내장된 처리 도구 및 맞춤형 대시보드에서 테스트 데이터를 조회, 저장, 분석할 수 있습니다. 측정되는 값에 대한 제한 사항을 설정하고 제한을 벗어날 경우 경보음을 울릴 수 있습니다. 또한 FlexLogger를 사용하면 그래프, 숫자 지표 및 계측기를 추가하여 사용자 인터페이스 시각화 도구를 사용자 지정할 수 있습니다(그림 7).

그림 7: FlexLogger 디스플레이에는 가속도계와 회전 속도계로 모터의 진동을 측정하여 기계적 공진을 조사하는 과정이 표시됩니다. (이미지 출처: NI)

화면의 위쪽 그래프에는 시간 대비 진동 레벨이 g 단위로 환산하여 표시됩니다. 회전 속도(RPM)를 측정하는 회전 속도계 판독값이 오른쪽 하단에 다이얼 게이지로 표시됩니다. 진동 데이터 고속 프리에 변환(FFT)(사용 가능한 신호 처리 도구 중 하나)의 하단 그래프에는 진동 레벨과 주파수가 비교하여 표시됩니다.

결론

테스트 시스템은 많은 I/O를 필요로 하는 응용 분야의 변화하는 요구 사항에 맞게 조정되어야 합니다. NI 다기능 I/O 번들은 아날로그 및 디지털 입력 채널과 출력 채널 조합과 여러 카운터/타이머를 제공하는 자동화된 다기능 테스트 시스템의 토대를 구축할 수 있습니다. 다른 모듈식 테스트 및 측정 계측기를 위한 추가 슬롯이 있는 PXIe 섀시에 패키지로 제공되어 비용 효율적인 테스트에 필요한 확장성을 사용자에게 제공합니다.