Wielokanałowy system pomiarowy do testowania diod LED

Rys. 1. Konfiguracja systemu pomiarowego do testowania diod LED z zastosowaniem sprzętu PXI oraz oprogramowania LabVIEW

Jeszcze niedawno tworzenie systemu pomiarowego wymagało od inżynierów dobierania i łączenia różnego typu przyrządów pomiarowych, aż do uzyskania kompletnego, funkcjonalnego rozwiązania. Trudności polegały na ograniczeniach wynikających z kompatybilności i dostępności sprzętu, co w szczególnych przypadkach wymuszało tworzenie własnych układów na płytkach drukowanych. Konsekwencją zastosowania samodzielnych urządzeń były spore rozmiary gotowego rozwiązania, konieczność pisania własnych sterowników, zwłaszcza w przypadku starszego typu urządzeń, co wymagało czasu i wysiłku.

Najnowsze rozwiązania w zakresie sprzętu i oprogramowania umożliwiają stworzenie analogicznego systemu pomiarowego w znacznie krótszym czasie oraz niższym kosztem. Takie możliwości dają przyrządy modułowe firmy National Instruments, należące do platformy sprzętowej PXI. Po stronie oprogramowania użyto graficznego środowiska programowania LabVIEW, które dzięki łatwej, intuicyjnej obsłudze oraz dostępności sterowników do wszystkich wybranych urządzeń, znacznie skróciło czas realizacji projektu.

W skład systemu pomiarowego weszły następujące moduły PXI: programowalny zasilacz SMU, multimetr cyfrowy, multiplekser, moduł wejść i wyjść cyfrowych (DIO - Digital Inputs and Outputs) oraz moduł kontrolera.

Podstawowe testy diod LED

Rys. 2. Schemat blokowy systemu pomiarowego do testowania diod LED z zastosowaniem sprzętu PXI oraz oprogramowania LabVIEW

Układ do testowania pojedynczych diod zawiera emiter (diodę LED) i detektor światła lub obwód do pomiaru strumienia świetlnego. W tym przypadku do tego celu zastosowano lumenomierz kulisty. Pomiar napięcia przewodzenia dokonywany jest przez zasilenie diody znanym natężeniem prądu i pomiar napięcia na jej zaciskach.

System pomiarowy umożliwia równoczesny pomiar natężenia promieniowania przez pomiar prądu zwarciowego generowanego przez układ detekcji światła, a przemnożenie uzyskanej wartości przez pewną stałą kalibracji dokonuje konwersji do pożądanej jednostki. Pomiar prądu przewodzenia lub prądu włączenia wykonywany jest przy podaniu dodatniego napięcia do anody badanej LED. Odwrócenie biegunowości pozwala na pomiary przy polaryzacji w kierunku zaporowym (napięcie wsteczne i prąd wsteczny). Powyższa sekwencja powtarzana jest dla wszystkich kanałów.

Układ fotodetektora jest specjalnie skalibrowany dla badanego obiektu. W przypadku konieczności wykonania pomiarów innych parametrów optycznych dla innych diod, system może być rozszerzony o dodatkowe spektrometry. W tej konfiguracji jedynym wymaganym parametrem optycznym jest natężenie promieniowania, mierzone pośrednio przez pomiar natężenia prądu fotodetektora.

Konfiguracja systemu

Rys. 3. Fizyczne połączenie modułów PXI w jednej obudowie

Na rysunku 1 przedstawiono rozwiązanie oparte na platformie sprzętowej NI PXI. Główną częścią jest moduł kontrolera PXI-8101. Programowalna jednostka SMU PXI-4130 służy jako źródło napięcia do 20 V o obciążalności prądowej do 1 A. Multiplekser PXI-2503 przełącza programowalny zasilacz pomiędzy kanały badanych elementów DUT. Multiplekser ten może obsłużyć do 12 kanałów w konfiguracji 4-przewodowej. 6,5-cyfrowy multimetr PXI-4065 pełni funkcję amperomierza w obwodzie fotodetektora do pomiaru prądu o natężeniach rzędu od nA do mA. Moduł przemysłowych wejść i wyjść cyfrowych PXI-6515 steruje pneumatycznym uchwytem badanych elementów.

W porównaniu do rozwiązania wykorzystującego tradycyjny sprzęt pomiarowy platforma PXI zapewnia redukcję kosztów i rozmiarów ze względu na współdzielone elementy, takie jak obudowa, szyna danych i procesor, większą przepustowość dzięki szybkiemu połączeniu z procesorem głównym i większą elastyczność dzięki definiowanemu przez użytkownika oprogramowaniu.

Na rysunku 2 przedstawiono schemat blokowy gotowego systemu pomiarowego. Wszystkie potrzebne moduły mieszczą się w jednej obudowie PXI, co znacznie redukuje ogólne rozmiary systemu, przy zachowaniu pełnej funkcjonalności. Wszystkie urządzenia są połączone za pomocą wewnętrznej szyny danych PXI, zwiększając wydajność i przepustowość (rys. 3).

Rys. 4. Graficzny interfejs użytkownika systemu pomiarowego napisany w LabVIEW

Oprogramowanie systemu zostało napisane w LabVIEW. Na rysunku 4 przedstawiono okno graficznego interfejsu użytkownika, podzielone na trzy główne obszary funkcyjne: sterowania, konfiguracji i prezentacji wyników. Po prawej stronie okna użytkownik ma do dyspozycji wszystkie kontrolki i przyciski do obsługi testowania nowych partii, a także aktualne ustawienia i statusy testów.

W środkowej części znajduje się obszar prezentacji wyników w postaci tabeli zawierającej wartości minimalne i maksymalne, wyniki testów oraz czas testu dla każdego mierzonego parametru. Jeśli test w danej pozycji zakończy się niepowodzeniem, to odpowiadający mu wiersz w tabeli wyników zostanie wyświetlony w kolorze czerwonym. W przypadku powodzenia wiersz wyświetlany jest w kolorze czarnym. Wszystkie wyniki testów są automatycznie zapisywane w pliku CSV. Okno ustawień pozwala modyfikować wszystkie parametry, w tym wartości graniczne, opóźnienia, współczynniki i inne parametry testowania, różniące się w zależności od badanego elementu.

Funkcjonalność środowiska LabVIEW pozwoliła skrócić czas pisania oprogramowania. Dzięki graficznemu językowi programowania tworzenie kodu wymagało mniej wysiłku i trwało znacznie krócej, w porównaniu do innych tekstowych języków programowania. Dodatkową zaletą jest łatwiejsze debugowanie i utrzymywanie kodu.

Podsumowanie

Przyjęte rozwiązanie pozwala zaoszczędzić czas realizacji dzięki skróceniu cyklu projektowego, uproszczeniu integracji sprzętu oraz ułatwieniu testowania i debugowania. Integracja sprzętu polegała na instalacji modułów PXI w obudowie PXI, konfiguracji za pomocą oprogramowania NI Measurement & Automation Explorer (MAX) oraz napisaniu programu w graficznym środowisku LabVIEW obsługującym wszystkie wymagane sterowniki. Kod programu jest skalowalny i czytelny, co ułatwia lokalizację i obsługę błędów. Reasumując, sprzęt i oprogramowanie firmy National Instruments pozwalają obniżyć koszty realizacji projektu przez skrócenie czasu doboru i konfiguracji sprzętu oraz łatwość programowania.

Carlo Philip Abuan,
Global Inventive Technologies Int.
National Instruments Poland Sp. z o.o.
poland.ni.com