Testgeräteentwicklung

Testzeiten in hybriden Systemen verkürzen

11.09.2007 | Autor / Redakteur: Chris Armstrong* / Hendrik Härter

Kein Kommunikationsbus kann alle Anforderungen an einen Test erfüllen. Entscheidend bei der Planung sind die Anforderungen, die eine Applikation erfüllen muss. Ein optimaler Mix aus Kommunikationsstandards und Messmöglichkeiten ist die beste Lösung. Ausgangspunkt eines hybriden Systems sind Systemarchitektur und die Auswahl der Instrumente.

Entwickler von Testsystemen erhalten von Anbietern und deren Partnern oft völlig unterschiedliche Informationen. So werben manche Unternehmen mit besonders kompakten Systemen, , mit integrierten Trigger-Funktionen oder der servicefreundlichen Konstruktion. Die Anbieter konventioneller Messinstrumente versprechen dagegen umfassendere Möglichkeiten in Leistung und Genauigkeit gleichermaßen. Im Hinblick auf die Testkosten, Time-to-Market und die langfristige Unterstützung ist die Auswahl der richtigen Lösung somit nicht einfach. Viele Anbieter setzen auf proprietäre Lösungen, Ingenieure hingegen suchen einen Kompromiss. Die Folge sind Systeme, die nicht optimal oder sogar funktionsuntüchtig sind, verärgerte Kunden und ein unübersichtlicher Markt. Ein anderer Ansatz besteht darin, alle möglichen Gerätestandards zu unterstützen. Dem Anwender sollte klar sein, welcher dieser Ansätze sich für welche Anwendung eignet.

Kombination unterschiedlicher Instrumente

Ein hybrides System unterstützt mehrere Schnittstellen oder Bussysteme. Schnittstellen wie PXI (PCI eXtensions for Instrumentation), LXI (LAN eXtensions for Instrumentation), GPIB (General Purpose Instrumentation Bus) und TSP (Test Script Processor) lassen sich kombinieren, um den Testdurchsatz beim Produktionstest zu verbessern. Jedoch eignet sich keine dieser Geräteschnittstellen optimal für alle Testanforderungen. Deshalb ist bei der Entwicklung eines Testsystems die Kombination unterschiedlicher Instrumente ein sinnvoller Ansatz. Hybride Testsysteme bieten im Produktionstest mehrere Vorteile:

  • Kürzere Testzeit: Die Testzeit pro Teil sowie der Gesamttestdurchsatz sind entscheidende Kriterien in einem Produktionssystem. Eine verteilte Programmierung, die Systemarchitektur und die Auswahl der Instrumente können sich auf die Testzeit auswirken.
  • Kürzere Entwicklungszeit: Je nach Bereich, Branche und Produkt muss das System äußerst schnell einsatzbereit sein. Dieser Time-to-Market-Druck hat Einfluss auf die Testsystemarchitektur.
  • Niedrigere Folgekosten: zukünftige Systemverbesserungen oder Wartung in einer sich schnell veränderten Produktion oder starken Produktmix

Modulares Denken, Programmieren und Testen sind entscheidend für ein erfolgreiches Realisieren und Einsetzen von Produktionstestsystemen. Standardinstrumente erzeugen Signale oder erfassen Daten und senden diese an den Anwender. Fortschrittlichere Instrumente verfügen über zusätzliche Funktionen zum Testablauf, können Entscheidungen treffen, Verzweigungen ausführen oder ermöglichen eine Pass/Fail-Ausgabe sowie eine Bauteilsortierung.

Eigenständige Subsysteme steuern

Smart Instruments sind Systeme, die ein eigenständiges Subsystem aus mehreren Komponenten steuern. Sie verfügen über umfassende und flexible integrierte Programmiersprachen und erlauben das Entwickeln neuer Testsysteme. Die Systeme sind für verteiltes Verarbeiten konzipiert und eignen sich für das parallele Ausführen von Tests. Ein Beispiel für eine leistungsfähige Funktion ist TSP, eine embedded Programmiersprache und Technologie für schnelle, eigenständige Produktionstestsysteme. TSP-Programme lassen sich auf das Instrument herunterladen und später direkt am Gerät oder ferngesteuert starten. Das Instrument muss nicht zeitaufwändig neu konfiguriert werden.

Bei einer vollständig eingebetteten Programmiersprache lassen sich Entscheidungen einfacher treffen und Daten analysieren. Bibliotheksfunktionen müssen nicht geladen, manuell Code kompiliert oder andere Dinge berücksichtigt werden. Der Code ist individuell erstellbar, dauerhaft im Instrument gespeichert und On-the-Fly fehlerfrei interpretierbar. Die gesamte Kommunikation ist textbasiert, so dass der Anwender sich nicht um ausführbare, projektorientierte oder binäre Dateien kümmern muss.

Koordination von mehreren Kanälen ohne zusätzliche Hardware-Triggerung

TSP-Beispiele sind bereits im Instrument und innerhalb der IDE (Integrierte Entwicklungsumgebung) enthalten. Diese Programme sind textbasiert, sodass sie sich direkt vom IDE oder sich mit jeder Programmiersprache laden und testen lassen. Es stehen standardmäßig Beispiele für Dioden, Transistoren oder Widerstände zur Verfügung. Durch kundenspezifisch anpassbare Funktionen kann der Anwender den Code modular erstellen und Befehle entsprechend den jeweiligen Anforderungen umgestalten.

Mit TSP lassen sich eigene Funktionen erstellen, wobei sie sich einfach wie standardmäßige Treiberfunktionen aufrufen lassen. Es ist möglich, komplizierte Tests zu erstellen und auf einen einzigen Treiberbefehl zu reduzieren. Durch die vollständige DIO-Steuerung, sowie einen direkten Zugang zu mehreren Instrumenten, ist mit TSP ein höherer Testdurchsatz möglich. Hierbei handelt es sich um eine vollständige Lösung für verteilte Programmierung in hybriden Systemen.

TSP-Instrumente sind als Controller für größere Subsysteme einsetzbar. Die initiierte Verbindung ermöglicht es, eine problemlose Skalierbarkeit zu erreichen und es lassen sich mehrere Kanäle über ein Skript des Master-Instruments ansteuern. Nahtlose TSP-Subsysteme unterstützen viele Kanäle in einem System, wobei eine höhere Flexibilität und bessere Steuerbarkeit dieser Instrumente erreicht wird. Dadurch ist eine straffe Koordination von mehreren Kanälen ohne zusätzliche Hardware-Triggerung oder Handshaking und mit nur geringen Änderungen im Programmcode möglich.

Das LXI-Protokoll basiert auf dem Ethernet-Protokoll mit zusätzlichen Synchronisations- und Timing-Funktionen und hat sich als Standard für Test- und Messgeräte etabliert. Der Anwender kann die Instrumente in vertrauter Art und Weise programmieren, während er die Vorteile der verteilten Natur von Ethernet nutzen kann. Ethernet überträgt große Datenpakete, sodass die Zusammenfassung von Befehlen und Daten eine effiziente Möglichkeit bei der Erstellung von Testcode darstellt.

Zusätzlicher Triggerbus koppelt Controller und Peripherie

Das PXI-Protokoll verfügt über Trigger- und Kommunikationsfunktionen, wodurch sich diese Schnittstelle zum Steuern von Subsystemen sowie von verteilten Architekturen eignet. Die elektrische Verbindung zwischen dem Systemcontroller und den Peripherie-Modulen erfolgt über einen PCI-Bus. PXI verfügt neben diesem PCI-Bus zusätzlich über einen Trigger-Bus. Dieser erlaubt eine straffe Kopplung zwischen dem Controller und der Peripherie. Ein Taktsignal von 10 MHz sorgt für eine bessere Synchronisation der Peripherie.

Für Anwendungsbereiche mit Trigger-Anforderungen im Nanosekunden-Bereich lassen sich mehrere Module über einen Star-Trigger-Controller synchronisieren. Ein lokaler Signal-Bus sorgt für die Weitergabe von Signalen zwischen verschiedenen Peripherie-Steckplätzen. Für die verteilte Programmierung findet ein embedded PXI-Controller unter Windows Einsatz. Mit einem PXI-Controller lassen sich außerdem LXI- oder GPIB-Instrumente steuern, die zu einem größeren Subsystem gehören können.

Moderne GPIB-Instrumente verfügen über viele Trigger-Funktionen, die sowohl in der Hardware, als auch der Firmware der Instrumente enthalten sein können. Sie lassen sich in Subsystemen mit leistungsfähigeren Trigger-Controllern, wie TSP-Instrumenten, verwenden. Wird ein TSP-Instrument zur Steuerung des Subsystems eingesetzt, dann ist die komplexe digitale I/O-Steuerung flexibel genug, um unterschiedlichste GPIB-Instrumente zu synchronisieren.

Die verteilte Programmierung arbeitet deutlich schneller und bietet damit entscheidende Geschwindigkeitsvorteile. Im Hinblick auf das gesamte Testsystem liegt der Durchsatz-Engpass allerdings selten in der Datenbus-Geschwindigkeit. Der größte Teil der Testzeit entfällt auf das Einstellen der Geräte, der Handhabe, das Adaptieren, Verschalten, Ändern des Betriebsmodus und andere Aktivitäten. Im Hinblick auf die genannten Verzögerungen bietet die verteilte Programmierung dem Anwender durch die Überlappung von Einzelaktionen einige Vorteile. Werden die einzelnen Anwendungen innerhalb des Tests vom Subsystem gesteuert, dann kann jede Anwendung zum optimalen Zeitpunkt getriggert werden, oftmals wenn andere Aktivitäten stattfinden. In einigen Fällen erlaubt ein verteiltes System sogar eine parallele Ausführung von Tests, wodurch sich die Gesamttestzeit deutlich verkürzen lässt.

LXI – Das Bussystem für Testgeräte

LXI (LAN Extension for Instrumentation) ist ein Bussystem-Standard, der seit seiner Vorstellung im Jahr 2004 in der Testindustrie Einsatz findet. Es handelt sich dabei um einen offenen Kommunikationsstandard, in den Elemente von IEEE-488, GPIB und LXI-Trigger sowie eine Timing-Synchronisation implementiert sind. Das im PC-Markt weit verbreitete Ethernet dient als Kerntechnologie, durch dessen Skalierbarkeit, die theoretisch unbegrenzte Bandbreite, Rückwärtskompatibilität, Peer-to-Peer-Kommunikation, Fehlertoleranz und kostengünstiges Netzwerkzubehör entscheidende Vorteile entstehen.

LXI erfüllt Anforderungen des Testbereichs - IEEE 1588 Timing/Triggerung und IVI-Softwaretreiber (Interchangeable Virtual Instruments)und erlaubt die Integration von Instrumenten unterschiedlicher Anbieter über andere Busse, wie GPIB, USB und PXI. Besonders die Anbieter- und Gerätekompatibilität sind entscheidende Gründe, warum ein Ethernet-Standard für Test- und Messgeräte dringend erforderlich ist.

Die drei Klassen von LXI-Instrumenten sind definiert:

  • Class-C: Grundlegende Implementierung für eigenständige oder Tischgeräte mit LAN/Ethernet- und XML-Internet-Schnittstelle sowie IVI.com-Softwaretreiber.
  • Class-B: Unterstützung von Systemen, wobei gegenüber der Class-C eine IEEE 1588 LAN/Ethernet-Synchronisation hinzukommt.
  • Class-A: Maximierung des Systemdurchsatzes gegenüber Class-B durch zusätzliche LXI-Hardware-Trigger.

Modulare Produktionstest-Plattformen und Tischgeräte für die Entwicklung und Forschung sind aus Sicht der Endanwender besonders in den Bereichen Automotive-, Medizin-, Raumfahrt / Verteidigungs- sowie der industriellen Steuerungstechnik interessant. Beide Anforderungen werden von LXI berücksichtigt. Das gleiche Multimeter lässt sich zum Beispiel im Labor als auch in einem Fertigungs-Teststand benutzen. Messprogramme vom Labor sind in die Fab portierbar.

*Chris Armstrong ist Vertriebsmitarbeiter für PXI- und Datenerfassungsgeräte bei Keithley Instruments in Cleveland, Ohio.

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