Automatyczny system testujący dla produkcji elektronicznej

Do budowy testera wykorzystane zostały dwa moduły FPGA NI PCI-7813R oraz oprogramowanie LabVIEW, które za pomocą konfigurowalnych skryptów wysyła polecenia kontrolne do systemu komputerowego sterującego maszyną, a następnie analizuje i raportuje odpowiedzi. Stworzona aplikacja testera ma charakter użytecznego narzędzia, wykorzystywanego w produkcji. Zapewnia ono oszczędność czasu i kosztów oraz przyczynia się do poprawy jakości produkowanych wyrobów. Jednocześnie, opracowany system testujący charakteryzuje się dużą elastycznością działania i możliwością rozbudowy o nowe funkcje, co osiągnięto dzięki użyciu platformy LabVIEW.

Narzędzie kwalifikacji dla systemów wbudowanych (embedded)

Firma 3T zajmuje się opracowywaniem indywidualnych rozwiązań systemów testujących, bazując na posiadanym doświadczeniu w projektowaniu aplikacji z zakresu elektroniki analogowej i cyfrowej, systemów wbudowanych, układów z FPGA i tworzenia aplikacji na bazie oprogramowania graficznego. Jednym z ostatnich zrealizowanych projektów tego typu jest system testujący oparty na komputerze PC i oprogramowaniu LabVIEW oraz na modułowej platformie sprzętowej NI PCI-7813R umieszczonej w obudowie (chassis) typu rack.

Konstrukcja jest przeznaczona do testowania działania złożonej maszyny mechatronicznej, pracującej na linii produkcyjnej fabryki półprzewodników. Maszyna jest bardzo drogim urządzeniem, wykorzystującym pełną swobodę ruchu manipulatorów, które muszą być kontrolowane z wielką precyzją. Wysokie ceny sprzętu, stosowanego przy produkcji półprzewodników, wymuszają wysoką jakość systemów wbudowanych, sterujących tymi urządzeniami, których jednym z zadań jest niedopuszczenie do uszkodzenia maszyny i wytwarzanych przez nią wyrobów.

Każda zmiana w oprogramowaniu sterującym maszyną wymusza przetestowanie jej działania, zanim sprzęt ten zostanie ponownie wykorzystany podczas produkcji. Wykrycie nawet niewielkich błędów w nowym kodzie i dokonanie ponownych poprawek zmusza inżynierów do ponownego sprawdzenia działania systemu. Dawniej takie testy były wykonywane przez inżynierów ręcznie. Podawali oni sygnały na odpowiednie wejścia maszyny i dokonywali pomiarów i obserwacji odpowiedzi systemu sterującego jej działaniem.

W większości przypadków taki sposób modernizacji zajmował około tygodnia, gdyż duża liczba wejść, wyjść i złożoność procesu sterowania komplikowały to zadanie. Niewątpliwie było to czasochłonnym zajęciem, dlatego rozwiązania automatyczne takich testów są przyjmowane przez producentów z wielkim zadowoleniem.

Część sprzętowa

Obudowa systemu testującego typu rack może pomieścić do 10 badanych modułów i zawiera specjalnie opracowany 10-warstwowy obwód drukowany, pełniący rolę płyty bazowej dla testera. Element ten jest połączony z dwoma modułami PCI-7813R za pomocą 68-stykowego złącza (patrz fotografia). Wymienione dwa moduły dają możliwość użycia 320 linii we/wy (prawie wszystkie zostały wykorzystane). Testowany system wymaga podania około 400 analogowych sygnałów testujących, pomiaru około 100 analogowych sygnałów wyjściowych, kontroli około 200 linii komunikacji szeregowej oraz generowania wielu złożonych sygnałów cyfrowych.

Ponieważ wykorzystane moduły PCI-7813R nie mają aż takich możliwości interfejsowych, brakujące linie wejścia/ wyjścia zostały zrealizowane na płycie bazowej testera, na której umieszczono przetworniki A/C i C/A oraz układy konwerterów transmisji równoległej na szeregową. Te ostatnie bloki mają możliwość łączenia kaskadowego i w efekcie rozszerzają interfejs komunikacyjny o dalszych 100 cyfrowych linii we/wy. Dostęp do nich wymaga podania sygnału zegarowego i cyklicznego odczytywania stanu całego zestawu rejestrów.

Minusem jest oczywiście to, że częstotliwość zegarowa musi być 100 razy większa w porównaniu do podstawowej częstotliwości odczytywania portów w pozostałej części urządzenia, co wynika z multipleksowania sygnału. Ta podstawowa częstotliwość odpytywania wynosi 20 kHz dla wszystkich linii we/wy testera. W przypadku modułów PCI-7813R konwersja danych pomiarowych następuje równolegle, a oprogramowanie zarządzające pracą testera ma dostęp do wyników pomiarów w postaci tablicy gotowej do dalszej analizy.

Dodatkową korzyścią wynikającą z oparcia konstrukcji testera na modułach pomiarowych z układami FPGA jest łatwość generacji sygnałów charakterystycznych dla enkoderów. Twórcy testera stworzyli te komponenty w formie wirtualnej za pomocą LabVIEW, pozwalając na emulację ich sygnałów wyjściowych oraz na tworzenie sytuacji, w których działanie enkodera uznawane jest za niepoprawne. Na przykład sygnały wyjściowe mają nieprawidłową fazę pomiędzy poszczególnymi liniami wyjściowymi dla tego komponentu.

Istotne jest, że generacja sygnałów testowych charakterystycznych dla enkoderów odbywa się z dużą szybkością na poziomie megaherców, dlatego oparcie symulacji na wykorzystaniu platformy FPGA okazało się konieczne. Przeprowadzenie kompletnego zestawu testów maszyny oraz zbadanie jakości działania modułów wbudowanych, sterujących jej pracą, wymaga stworzenia warunków działania, w jak największym stopniu podobnych do tego, co dzieje się w naturalnym środowisku pracy.

W rzeczywistym urządzeniu do połączenia bloków sprzętowych maszyny z komputerem sterującym wykorzystano światłowód, w celu zapewnienia wysokiej szybkości transmisji danych i dużej odporności na zaburzenia. Z tego powodu system testujący też został wyposażony w karty interfejsowe z portem światłowodowym, aby nie zaburzać działania takiej konstrukcji. W efekcie tester pozwala na wysyłanie komend w taki sposób, jakby pochodziły one od komputera sterującego oraz na monitorowanie, w jaki sposób moduły wchodzące w skład maszyny, czujniki i elementy wykonawcze reagują na takie polecenia.

Kwalifikacja oprogramowania testującego

Oprogramowanie zarządzające pracą systemu testującego zostało stworzone przy użyciu LabVIEW i składa się z dwóch głównych części: serwera dla części sprzętowej we/wy oraz centrum sterowania. Obie części działają równolegle, wykorzystując rozdzielne zasoby sprzętowe komputera sterującego. Serwer dla portów we/wy to, innymi słowy, sterownik (driver) niskiego poziomu, wykorzystujący moduły PCI-7813R oraz łącza optyczne służace do komunikacji z badanymi modułami w urządzeniu.

Fot. System testujący składa się z obudowy typu rack, z zamontowaną płytą bazową i zasilaczem, w którym umieszczone są poszczególne moduły do badań

Zapewnia on dostęp do sygnałów analogowych, pozycji enkoderów, linii cyfrowych i podobnych źródeł danych w badanej maszynie. Mapowanie sprzętowych linii we/wy do kontrolek i wskaźników, wykorzystywanych w oprogramowaniu, zostało wykonane w postaci konfiguracyjnego pliku tekstowego. Oprogramowanie testujące pracuje na komputerze z procesorem dwurdzeniowym, pozwalając na monitorowanie oraz kontrolę całego procesu.

Drugi moduł oprogramowania sterującego działa w oparciu o oddzielny rdzeń procesora w komputerze PC, łącząc serwer portów we/wy z oprogramowaniem za pomocą protokołu TCP/IP. Możliwe jest także uruchomienie tego modułu na zdalnym komputerze klasy PC. Centrum sterowania inicjuje testowanie, dostarcza użytkownikowi informacji na temat przebiegu poszczególnych faz testów i podaje statusy wszystkich modułów. Z jego poziomu możliwe jest uruchomienie następujących zadań:

• testowanie mapowania interfejsu - umożliwia wgląd w status płyty bazowej, napięć, pozycji enkoderów w testowanych modułach,
• przeglądanie mapy rejestrów - umożliwia wgląd we wszystkie dane transmitowane łączem optycznym. Dane mogą być wyświetlane w czasie rzeczywistym - jako kontrolki lub grafy - z dużą szybkością odświeżania. Istnieje możliwość prezentacji ich w różnych formatach - jako zmienne rzeczywiste, słowa bitowe, słowa heksadecymalne. Formę prezentacji można skonfigurować na stałe w programie,
• okno skryptu - jest odpowiedzialne za automatyzację testów. Użytkownik testera, bazując na swojej wiedzy aplikacyjnej, jest w stanie całkowicie sterować działaniem tego modułu i wykorzystać zestaw standardowych poleceń, związanych np. z zapisywaniem wartości do rejestrów, wprowadzaniem opóźnień, odczytywaniem rejestrów, inicjowaniem komunikacji i weryfikacją statusów. Zestawy poleceń można grupować w skrypty zawierające nawet 2000 poleceń. Wynikiem działania skryptu jest plik logu, który staje się bazą danych do stworzenia raportu z przeprowadzonych testów.

Testy

Po dokonaniu zmian w oprogramowaniu sterującym pracą maszyny, klienci mają możliwość uruchomienia skryptu przeprowadzającego testowanie i dokonanie całości badania działania automatycznie w ciągu około pół godziny. Wcześniej praca ta zajmowała kilka dni i wymagała długiego okresu wycofania maszyny z produkcji oraz wiązała się z szeregiem kłopotów wynikających z konieczności przebywania pracowników w strefie czystej produkcji, a więc tam, gdzie sprzęt był zainstalowany.

Nowy system testujący pozwala też na badanie działania jeszcze przed instalacją maszyny w fabryce, co zmniejsza liczbę problemów po instalacji. Zalety systemu doceniaja nasi klienci, którzy kupili już kilkanaście takich zestawów testujących i są zadowoleni z ich funkcjonowania i możliwości, które dostarczają.

National Instruments Poland Sp. z o.o.
www.ni.com/poland