Analizator sygnałów wektorowych umożliwia szybkie testowanie urządzeń elektronicznych

ZigBee to bezprzewodowa technologia komunikacji sieciowej przeznaczona do sprzętu konsumenckiego, profesjonalnego oraz wykorzystywana w aplikacjach przemysłowych, zapewniając małą i średnią szybkość transmisji danych. Jej specyfikacja definiuje topologię kratową (mesh) zapewniającą wysoką niezawodność, dostępność trybów uśpienia przekładających się na niskie zużycie energii oraz niewielki koszt implementacji.

Warstwa fizyczna ZigBee realizująca transmisję danych drogą radiową opiera się na specyfikacji standardu IEEE 802.15.4 zapewniającego szybkość transmisji do 250 kbps w paśmie częstotliwości 2,4 GHz. Działanie ZigBee w innych pasmach częstotliwości też jest możliwe, z tym, że regulacje przewidują w nich niższe maksymalne wartości szybkości transmisji danych. Niemniej pasmo 2,4 GHz cieszy się największą popularnością i najwięcej produktów na rynku wykorzystuje ten właśnie fragment widma.

Wykorzystywana modulacja sygnału w tych rozwiązaniach opiera się na 16 kanałach komunikacyjnych i technikach rozpraszania widma przy nadawaniu takim jak DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Firma MaxStream to wiodący światowy producent rozwiązań bezprzewodowych dla systemów embedded, zarówno bazujących na uznanych standardach przemysłowych, jak tworzonych też dla zamkniętych rozwiązań firmowych.

W procesie produkcji modułów komunikacyjnych, dzięki dodaniu analizatora sygnałów wektorowych NI PXI-5660 do standardowego zestawu testującego, firmie udało się zwiększyć wydajność testowania, powtarzalność oraz dokładność realizowanych pomiarów. Dodatkowo zapewniana przez magistralę PXI elastyczność i skalowalność, pozwalająca na rozbudowę testerów, daje możliwość dopasowywania możliwości pomiarowych systemów do bieżących zadań produkcyjnych oraz pewność, że wydajność systemu testującego będzie mogła podążać za rozwojem firmy i nie stanie się ograniczeniem.

Kluczowym elementem systemu testującego MaxStream jest graficzna platforma projektowa NI LabVIEW. Zapewnia ona możliwość programowania i wykonywania wielu testów funkcjonalnych, badań obwodów w.cz., daje możliwość ustawiania kluczowych parametrów modułów charakterystycznych dla procesu produkcji i personalizacji produktów. Od strony mechanicznej do budowy testera wykorzystano stojak, gdzie wbudowano wszystkie moduły składowe odpowiedzialne za testy elektryczne, programowanie mikrokontrolerów, kalibrację i testowanie parametrów układów w.cz. oraz parametryzację pod wymagania klienta.

Każdy zestaw testowy zbudowany przez firmę i pierwotnie wykorzystywany w produkcji bazował na analizatorze widma firmy Agilent Technologies, generatorze w.cz., mierniku mocy w.cz., zasilaczu, antenie do testów funkcjonalnych, komputerze PC z działającym na nim oprogramowaniem LabVIEW, dwu modułach akwizycji danych National Instruments PCI-6025E oraz jednym interfejsie PCI-GPIB zapewniającym możliwość zdalnego zarządzania pracą systemu i wymianę danych z komputerem sterującym.

W takcie pracy okazało się, że wydajność prowadzonych testów układów w.cz. jest niezadowalająca i ogranicza wydajność produkcji. Słabym ogniwem okazał się głównie analizator widma, gdyż wykonanie pełnego zestawu pomiarów trwało około 10s, kolejne sekundy pochłaniała transmisja danych pomiarowych za pośrednictwem interfejsu GPIB.

Modernizacja

Zmiana testera i likwidacja tego ograniczenia stała się bardzo istotna z punktu widzenia biznesu firmy MaxStream. Aby zminimalizować ryzyko wprowadzanych zmian na zakłócenia w produkcji, firma zdecydowała się działać ostrożnie. Wypożyczyła od National Instruments analizator wektorowy NI PXI-5660, aby ocenić, o ile możliwe będzie przyspieszenie testowania przy wymianie aparatury na lepszą. Przy okazji możliwe było sprawdzenie w rzeczywistych warunkach produkcyjnych, czy zmiana testera nie niesie ze sobą ryzyka błędnych testów.

W ciągu pierwszych kilku godzin od uruchomienia nowej platformy przyspieszenie testowania stało się faktem. Analizator wektorowy NI został umieszczony obok dotychczasowego Agilent 8594E, a następnie rozpoczęto wykonywanie porównawczych testów wykorzystujących różne pasma częstotliwości, poziomy odniesienia, zakresy przemiatania i wielkości bloków danych pomiarowych. We wszystkich przypadkach tester MaxStream z PXI-5660 okazał się lepszy od poprzednio używanego Agilent 8594E, w stosunku ponad 10-krotnym.

Pomiary za pomocą analizatora widma, które wymagały około 10 sekund z wykorzystaniem przyrządów pomiarowych połączonych magistralą GPIB, po zmianie trwają mniej niż jedną sekundę. Większe pasmo toru p.cz. nowego analizatora, w połączeniu z doskonałymi parametrami czasowymi magistrali PCI wbudowanej w obudowę PXI, przyspieszyły wielokrotnie pomiary i zapewniły wysoką wydajność produkcji.

Wykorzystanie idei wirtualnych przyrządów pomiarowych zapewniło także znaczące usprawnienie po stronie wykorzystywanego w pierwszej wersji testera generatora sygnałowego. Wraz ze wzrostem wielkości produkcji okazało się, że platforma sprzętowa nie jest w stanie zapewnić wszystkich potrzebnych sygnałów testowych, co zaczęło ograniczać możliwość badania platform ZigBee przy pełnej szybkości transmisji danych.

Dlatego w kolejnym kroku firma zaczęła korzystać z wirtualnych przyrządów pomiarowych dostępnych w LabVIEW oraz modułu akwizycji danych NI PCI-6250 M Series, które wykorzystano do generacji sygnałów wymaganych przez standard 802.15.4. Zmiana ta ułatwiła też testowanie wielu różnych typów układów radiowych wykorzystywanych w produktach MaxStream.

Więcej możliwości

Celem przeprowadzanych testów produkowanych przez MaxStream modułów jest kontrola poprawności montażu i działania w możliwie najkrótszym czasie. Dodatkowo pożądane jest, aby skracanie czasu testu połączone było ze wzrostem dokładności realizowanych pomiarów. Kontrola prawidłowości montażu jest najważniejszym, ale nie jedynym testem, jakim producent może poddawać swoje produkty.

W wielu fabrykach dochodzi do tego walidacja poprawności działania w szerokim zakresie temperatur pracy, przy wahaniach napięcia zasilającego lub w obecności narażeń mechanicznych. Oczywiście im więcej testów, tym czas przeprowadzania tych operacji jest dłuższy, koszt większy, dlatego funkcjonalność większości systemów testowych lokuje się pomiędzy najprostszą kontrolą poprawności montażu, a rozbudowaną kontrolą z badaniem funkcjonalności w funkcji narażeń mechanicznych i zmianach klimatu.

Jedną z korzyści wykorzystania standardowych scalonych chipsetów w modułach komunikacyjnych, z czego korzystają prawie wszystkie rynkowe rozwiązania układowe bazujące na ZigBee, jest to, że pewien zakres testowania można przeprowadzić zanim układy zostaną położone na płytce drukowanej. Zmniejsza to koszt testów wykonywanych na etapie produkcji, oraz przenosi ciężar testowania z badania funkcjonalności układów scalonych, na testowanie całego systemu.

Moduły ZigBee wymagają też testowania w mniejszym zakresie niż rozwiązania własnościowe należące do firm, co przekłada się na większą prostotę i łatwiejszą obróbkę danych zgromadzonych w czasie pomiarów. W procesie produkcji, najbardziej krytyczne z punktu widzenia jakości produktu, są pomiary mocy nadawania, częstotliwości oraz składowych widma. Nowy analizator PXI-5660 ma 20MHz pasmo toru pośredniej częstotliwości, co pozwala na szybsze przemiatanie częstotliwości i pomiary.

Typowe przyrządy pomiarowe oferują pasmo toru p.cz. mieszczące się w zakresie 3 do 5 MHz. Szerokopasmowa modulacja wykorzystywana w układach ZigBee wykracza pod względem zajmowanego pasma poza możliwości akwizycji wielu przyrządów pomiarowych, co zmusza do wolnego przemiatania, aby uzyskać tę samą ilość informacji z pomiarów.

Zaletą nowego przyrządu jest także wbudowany cyfrowy mieszacz, który pozwala na przeniesienie całego interesującego pasma sygnału do oprogramowania LabVIEW i na dokonywanie tam analiz znacznie dokładniejszych niż te, które można uzyskać w sposób tradycyjny. Z jednej strony testy produkcyjne skupiają się na maksymalizację wydajności ich pracy poprzez redukcję czasu trwania, a z drugiej strony dąży się, aby testowanie obejmowało jak najwięcej bloków i podzespołów zawartych w urządzeniu.

Także i w tym przypadku PXI-5660 okazał się pomocny. Zestaw NI Spectral Measurements Toolkit dla LabVIEW zawiera szereg przyrządów wirtualnych takich, jak pasmowy miernik mocy w.cz., miernik mocy w kanale sąsiednim, wskaźniki zajętości pasma oraz funkcje wykrywania szczytów w emitowanym widmie.

Wymieniony zestaw daje też możliwość generacji złożonych sygnałów i ich analizy, co jest użyteczne w testowaniu produktów opartych na standardzie 802.15.4, zmniejszając wymagane nakłady pracy na tworzenie generatorów pakietów danych i odbiorników pakietów testowych, niezbędnych w testowaniu i walidacji.

Plany na przyszłość związane z testowaniem produkcji firmy MaxStream przewidują migrację wszystkich platform testowych bazujących na PCI do odpowiedników PXI. To dlatego, że oprogramowanie i urządzenia National Instruments wspierają taką zamianę i czynią ja bezproblemową – nie ma potrzeby zmiany kodu oprogramowania, a możliwości funkcjonalne są większe. Nie bez znaczenia jest także większa dostępność długoterminowa produktów PXI.

Podsumowanie

W opisanej zamianie przyrządów pomiarowych i architektury systemu był tylko jeden wyjątek. PXI-5660 był szybszy tylko dwukrotnie w porównaniu do starego systemu, przy skanowaniu całego spektrum widma o szerokości 2,7 GHz z powodu dużej ilości danych pomiarowych, jakie tworzone są przy takiej pracy. Poprzednio używany analizator 8594E, przesyłał do komputera nadrzędnego za każdym razem pakiety o tej samej wielkości. Mimo to firma uważa to za zaletę rozwiązania bazującego na PXI, gdyż przy odpowiednim skonstruowaniu testów działających wąskopasmowo, możliwe jest osiągnięcie wielokrotnie mniejszych czasów wymaganych na badanie układu.

Jeremy Willden
MaxStream, Inc.