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Neue Anforderungen an Prüfsysteme
Nie zuvor bestand größerer Bedarf an Test- und Prüfanwendungen. Mit der Zunahme an Innovationen ist auch der Druck gestiegen, neue, differenzierte Produkte schnell auf den Markt zu bringen. Die Erwartungen der Verbraucher steigen. So wird beispielsweise auf dem Elektronikmarkt die Integration unterschiedlichster Funktionen auf kleinem Raum und zu geringen Kosten erforderlich. Der wirtschaftliche Abschwung der vergangenen drei Jahre hat die Notwendigkeit, innovativ zu sein, nicht gedrosselt, sondern lediglich dafür gesorgt, dass die zur Verfügung stehenden Mittel begrenzt sind. Diesen Anforderungen zu entsprechen ist jetzt ein Faktor für den Unternehmenserfolg: Wer sie am schnellsten, nachhaltigsten und zuverlässigsten erfüllen kann, hat einen entscheidenden Vorteil gegenüber der Konkurrenz.
All diese Voraussetzungen stellen neue Anforderungen hinsichtlich Validierung, Verifizierung und Produktionsprüfung. Eine Prüfplattform, die mit dieser Entwicklung Schritt halten kann, sollte nicht wahlweise eingesetzt werden – sie ist vielmehr unverzichtbar. Die Plattform muss Werkzeuge zur schnellen Entwicklung von Prüfsystemen aufweisen, die sich während der gesamten Produktentstehungskette flexibel anpassen lassen. Da Produkte schnell zur Serienreife gelangen und wirtschaftlich produziert werden müssen, sind Prüfsysteme mit hohem Durchsatz erforderlich. Um die von den Verbrauchern gewünschten multifunktionalen Produkte zu testen, sind präzise, synchronisierte Messeigenschaften erforderlich. Werden zudem neue Innovationen integriert, um dadurch Produkte voneinander abzuheben, muss sich das Prüfsystem rasch anpassen lassen, um die neuen Eigenschaften zu testen.
Virtuelle Instrumentierung stellt die innovative Lösung in Bezug auf diese Herausforderungen dar. Die virtuelle Instrumentierung verbindet Software zur zügigen Anwendungsentwicklung mit modularer, flexibel einsetzbarer Hardware, um benutzerdefinierte Prüfsysteme zu erstellen. Virtuelle Instrumentierung setzt sich zusammen aus:
- intuitiv bedienbaren Softwaretools zur schnellen Entwicklung von Prüfsystemen
- schnellen und präzisen modularen I/O-Systemen auf Grundlage innovativer handelsüblicher Technologien
- einer PC-basierten Plattform mit integrierter Synchronisation für hohe Genauigkeit und hohen Durchsatz
Entwicklungssoftware für schnelle und flexible Prüfsysteme
Da sich die Automatisierung zunehmend zur Voraussetzung für die schnelle Prüfung komplexer Produkte entwickelt hat, wurde Software zu einem wesentlichen Element aller Prüfsysteme – von der Designvalidierung bis hin zur hoch automatisierten Produktionsprüfung. Zur raschen Bereitstellung von Prüfsystemen, die an das Prüfen neuer Funktionen angepasst werden können, sind eine Reihe integrierter Werkzeuge zur Prüfentwicklung erforderlich. Wie in Abbildung 1 gezeigt, zählen zu diesen Werkzeugen Testmanagement- und Prüfentwicklungssoftware sowie I/O-Treiber.
Die Entwicklungsumgebung für Prüfsysteme ist der wichtigste Bestandteil, um einen raschen Testeinsatz zu ermöglichen. Diese Umgebung muss die Hilfsmittel bereitstellen, um den „Code“ bzw. den Ablauf für das Prüfverfahren zügig entwickeln zu können. Im Laufe der Jahre entwickelte sich das grafische Programmieren zu einer wichtigen Softwaretechnologie, die eine schnellere Entwicklung ermöglicht. Beim grafischen Programmieren werden Symbole bzw. symbolische Funktionen eingesetzt, die die auszuführende Aktion bildlich darstellen. Diese Symbole sind durch „Drähte“ miteinander verbunden, die Daten weiterleiten und die Ausführungsreihenfolge festlegen. Da der Prüfablauf grafisch dargestellt wird und nicht in Textform gelesen werden muss, wird der Prüfschritt insgesamt schnell entwickelt und ist auch für weniger erfahrene Anwender leicht verständlich. NI LabVIEW stellt die am häufigsten eingesetzte und vollständigste grafische Entwicklungsumgebung der Branche dar. Die hierarchisch aufgebaute Datenflussprogrammierung in LabVIEW sorgt dafür, dass in verschiedenen Prüfprogrammen sehr oft eine Wiederverwendung einmal entwickelter Programmteile erfolgen kann.
Die I/O-Treibersoftware, der häufig zu wenig Aufmerksamkeit geschenkt wird, ist einer der ausschlaggebenden Bestandteile einer Strategie zur schnellen Prüfentwicklung. Diese Software stellt die Verbindung zwischen der Prüfentwicklungssoftware und der Hardware für die Mess-, Steuer- und Regelungstechnik her. Sie verfügt über Gerätetreiber, Konfigurationswerkzeuge und schnelle I/O-Assistenten.
Gerätetreiber liefern einfach zu implementierende High-Level-Funktionen und bilden so die optimale Schnittstelle zu Messgeräten. Jeder Gerätetreiber ist speziell auf ein bestimmtes Gerätemodell zugeschnitten, um eine Schnittstelle zu seinen individuellen Funktionen bereitzustellen. Die nahtlose Integration des Gerätetreibers in die Entwicklungsumgebung ist von entscheidender Bedeutung, da die jeweiligen Gerätebefehle direkt in den Prüfablauf eingreifen. Entwickler von Prüfsystemen benötigen Gerätetreiberschnittstellen, die optimal auf die gewählte Entwicklungsumgebung ausgerichtet sind. Das Instrument Driver Network auf ni.com umfasst z. B. Treiber für über 4000 verschiedene Messgeräte mit Schnittstellen zu LabVIEW, C, C++ und Visual Basic.
Konfigurationswerkzeuge wie beispielsweise der NI Measurement & Automation Explorer verfügen über Werkzeuge zur Konfiguration und Prüfung von I/O-Modulen und ermöglichen das Speichern von Skalierungs-, Kalibrierungs- und kanalspezifischen Informationen. Diese Werkzeuge spielen eine wichtige Rolle bei der Verkürzung der Zeit bis zur ersten Messung sowie für die Fehlersuche und die Wartung des Prüfsystems.
Bei I/O-Assistenten handelt es sich um interaktive Werkzeuge zur sehr schnellen Erstellung anwenderspezifischer Messanwendungen. Beispiele hierfür sind der Instrument I/O Assistant und der DAQ Assistant in LabVIEW 7 Express. Der in Abbildung 3 gezeigte DAQ Assistant stellt dem Anwender ein Bedienfeld zur Konfigurierung gebräuchlicher Datenerfassungsparameter zur Verfügung, ohne dass dazu eine Programmierung notwendig ist. Benutzerfreundliche Assistenten in Verbindung mit leistungsfähigen Programmierumgebungen sind notwendig, um sowohl für eine schnelle Entwicklung als auch für die Fähigkeiten zu sorgen, einer breiten Palette an Anwendungsanforderungen gerecht zu werden.
Abb. 3: Der NI DAQ Assistant stellt ein interaktives Werkzeug zur schnellen Konfiguration einer Datenerfassungsaufgabe in LabVIEW zur Verfügung.
Modulare I/O-Systeme
Die zweite unverzichtbare Technologie für Produktprüfungen stellen die modularen I/O-Systeme dar, zu denen Technologien wie beispielsweise modulare Messgeräte und die Datenerfassung gehören. Die Messhardware befindet sich auf einer Einsteckkarte, die mit einem PC oder einer PXI-Backplane verbunden werden kann. Modulare I/O-Systeme verwenden handelsübliche Chiptechnologien, um virtuelle Instrumente mit hoher Leistung zu einem geringen Kostenaufwand zu erstellen. Die enorme Zunahme weit verbreiteter kommerzieller Technologien wie A/D-Wandler, D/A-Wandler, FPGAs und DSPs führte zu einem rasanten Wachstum bei Funktionalität und Leistung modularer I/O-Systeme. Abbildung 4 zeigt z. B. die derzeitige Leistungsfähigkeit modularer Digitalisierer, wobei hier Frequenz (die Geschwindigkeit eines Signals, das sie digitalisieren können) und bit (die max. Genauigkeit, mit der sie digitalisieren können) abgebildet sind. In vielen Fällen übertrifft die Genauigkeit virtueller Instrumentierung die von herkömmlichen Messgeräten.
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Abb. 4: Die Messleistung virtueller Instrumente übertrifft die Fähigkeiten herkömmlicher Messgeräte
PC-basierte Prüfplattform
Heutzutage gehört zu allen modernen Prüfsystemen ein PC. Jedoch wird der PC nicht nur immer mehr ein Teil des Prüfsystems, sondern entwickelt sich zur wesentlichen Integrationsplattform – dem Herzstück des Prüfsystems. GHz-Prozessoren, Hochgeschwindigkeitsbusse, weit verbreitete Software, eine ständig verbesserte Leistung und ein extrem niedriger Preis machen den PC zu einer idealen Prüfplattform. Hierzu braucht man sich nur die Fortschritte im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit des PCs während der vergangenen 20 Jahre anzusehen, wie sie in Abbildung 5 dargestellt werden. Der einzige weitere Bestandteil von Prüfsystemen, der eine Leistungssteigerung dieser Größenordnung durchlaufen hat, ist wahrscheinlich der Prüfling selbst.
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Abb. 5: Die PC-Plattform hat ihre Leistung in den vergangenen 20 Jahren um mehr als das 10.000-fache verbessert
Bei PXI (CompactPCI eXtensions for Instrumentation) handelt es sich um einen Standard für modulare I/O-Systeme, der auf PC-Technologien aufbaut. PXI sorgt für eine Erweiterung um integriertes Timing und Synchronisation, Robustheit für raue Industrieumgebungen und eine höhere Kanalanzahl bei einer PC-basierten Architektur. Ferner ist PXI ein herstellerneutraler Standard, der von über 65 Anbieterfirmen unterstützt wird.
Die von PXI gebotene Timing- und Synchronisationsarchitektur stellt eine weitere wichtige Technologie für Prüfverfahren dar. Mithilfe dieser Funktionen können die Timing-Eigenschaften mehrerer modularer I/O-Geräte eng synchronisiert werden, um eine enorm verbesserte Genauigkeit und Durchsatzrate zu erzielen. Zu einer PXI-Backplane gehören gemeinsame Trigger, ein gemeinsamer Takt und eine Gruppe von Star-Trigger-Kanälen mit geringem Laufzeitunterschied (siehe Abb. 6).
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Abb. 6: Die PXI-Plattform umfasst spezielle Ressourcen für Timing und Synchronisation.
Ein Beispiel dafür, wie Timing und Synchronisation über den PXI-Bus den Durchsatz eines Prüfsystems erhöhen können, ist der Einsatz von Digitalmultimetern (DMM) und Messstellenumchalter (Multiplexern) zum Abtasten einer Reihe von Messpunkten im Handshake-Verfahren. Beim Scannen (Abtasten) per Handshake-Verfahren erhält das DMM einen Digitalimpuls vom Schalter ("Scanner Advanced"), nimmt eine Messung vor und erzeugt dann einen Digitalimpuls ("Measurement Complete"). Wenn der Schalter den Impuls "Measurement Complete" empfängt, wechselt er zum nächsten Eintrag in der programmierbaren Scanliste. Nach dem Ausschwingen der Relais des Schaltmoduls schickt der Schalter einen "Scanner Advanced"-Impuls und veranlasst das DMM zur Ausführung einer neuen Messung, wodurch der Prozess erneut wie zuvor beschrieben ausgelöst wird. Der Prozess wiederholt sich so lange, bis die Scanliste abgearbeitet ist. Die Handshake-Signale können direkt über den PXI-Triggerbus geschickt werden. Auf diese Weise können PXI-basierte Multiplexer-DMM-Systeme die Testzeit im Vergleich zu einer mittels Software getakteten Methode um über 50 Prozent verbessern.
Virtuelle Instrumente im Einsatz
Tausende Unternehmen haben virtuelle Instrumente erfolgreich in ihren Entwicklungslabors und Produktionsstätten eingesetzt, um die oben erwähnte gesteigerte Leistung, Flexibilität und Produktivität zu erreichen. Die folgenden Beispiele zeigen, wie bedeutsam diese Technologien für Unternehmen sind, die erkannt haben, auf welche Weise sie Tests in einen strategischen Vorteil verwandeln können.
Lexmark – Genauere Tintenpatronentests mit PXI und LabVIEW
Lexmark ist weltweit führend bei der Entwicklung und Herstellung von Drucksystemen, darunter Tintenstrahl- und Laserdrucker sowie damit verbundene Verbrauchsmaterialien. Um die Anforderungen im Hinblick auf hohen Durchsatz und geringen Prüfaufwand zu erfüllen, nutzte Lexmark eine PC-basierte Lösung unter Einsatz von LabVIEW und modularen Messgeräten von NI.
Lexmark war in der Lage, seine Prüflösungen dem sich ändernden Bedarf anzupassen. 1997 arbeitete das System mit einem 8-bit-Digitalisierer mit einer Abtastrate von 20 MS/s (dem NI PCI-5102) und LabVIEW 4.1. Da sich die Technologie bei Tintenstrahldruckköpfen geändert hat, sind Lexmarks Anforderungen betreffend Geschwindigkeit und Auflösung entsprechend gestiegen. Das derzeitige Fertigungssystem arbeitet mit LabVIEW 7 Express und einem PXI-basierten System, wozu u. a. der neueste 14-bit-Digitalisierer mit einer Abtastrate von 100 MS/s (NI PXI-5122) und der 100-MHz-Digitalsignalgenerator/-analysator (NI PXI-6552) gehören. Obgleich die Leistung des Prüfsystems verbessert wurde, war Lexmark dennoch in der Lage, die Ausstattungskosten zu senken, da die neueste Messtechnologie eingesetzt wurde. Vor allem konnte Lexmark durch Einsatz einer softwarebasierten Architektur bei den virtuellen Instrumenten das System entsprechend wechselnder Anforderungen mit nur geringer Überarbeitung der Software erweitern.
| 1997 | 2001 | 2003 | |
| Digitale Signalerzeugung | ISA-Karte von Drittanbietern (25 MHz) |
NI PCI-6534 (20 MHz) |
NI PXI-6552 (100 MHz) |
| Digitalisierer für Widerstandsmessungen |
NI PCI-5102 (10 MS/s, 8bit) NI-SCOPE |
NI PCI-5911 (12,5 MS/s, 12 bit) NI-SCOPE |
NI PXI-5122 (100 MS/s, 14 bit) NI-SCOOE |
| Software | LabVIEW 4.1 | LabVIEW 6i | LabVIEW 7 Express |
US-Luftwaffe erhöht Einsatzgrad mit virtueller Instrumentierung
Im Jahr 2002 erhielt ManTech Test Systems einen Vertrag über mehrere Millionen Dollar für die Entwicklung, die Herstellung und den Support von Prüfeinrichtungen für LANTIRN-Systeme. Bei LANTIRN (Low-Altitude Navigations and Targeting Infrared for Night) handelt es sich um ein System, das in erstklassigen Kampfflugzeugen der US-Luftwaffe eingesetzt wird (z. B. im F-15E Eagle und im F-16C/D Fighting Falcon). LANTIRN sorgt für eine deutliche Verbesserung der Kampfkraft dieser Flugzeuge, so dass sie im Tiefflug, bei Nacht und bei widrigem Wetter fliegen können, um Bodenziele mit unterschiedlichen präzisionsgesteuerten und ungelenkten Waffen anzugreifen.
Das ursprüngliche LANTIRN-Prüfsystem stammt aus den späten 80ern und beruhte auf MicroVAX-Computern in Verbindung mit Stand-alone-Instrumenten. Das System war nicht nur sehr groß und benötigte sieben komplette Racks, die Luftwaffe sah sich zudem einer ganzen Reihe von Problemen hinsichtlich Zuverlässigkeit und Wartung aufgrund der zunehmenden Veralterung der Bauteile des Prüfsystems gegenüber.
Zusammen mit PXI und modularen Messgeräten von NI setzte ManTech handelsübliche Technologien ein und verringerte so die Größe des Prüfsystems um mehr als 50 Prozent. Zugleich konnten strikte militärische Vorgaben für Betriebs- und betriebsfremde Bedingungen erfüllt werden.
Kostensenkung bei Produktionsprüfungen für Mobiltelefone der dritten Generation
Xin Wei Co. LTD ist ein chinesisches Telekommunikationsunternehmen, das den Weg für den SCDMA-Standard (Synchronous Code Division Multiple Access) bahnte und an dessen Entwicklung beteiligt war. Das SCDMA-Protokoll ist eine der Grundlagen von TD-SCDMA (Time Devision – Synchronous Code Division Multiple Access), dem in China entwickelten 3G-Protokoll. Die SCDMA-Technologie von Xin Wei wird im Bandbreitenbereich von 1,8 GHz betrieben und bietet einen kostengünstigen drahtlosen Zugriff sowie Nachrichtendienste zu Kleinstädten.
In Zusammenarbeit mit Xin Wei Co. Ltd. entwickelte VI Services (ein NI-Alliance-Partner) erfolgreich eine Online-Prüfstation für den SCDMA-Mobilfunk und setzte dazu den PXI-5560 HF-Signalanalysator, LabVIEW und das Wireless Test Toolset von VI Services ein. Für jede Produktgruppe der Mobiltelefone hat Xin Wei Co. Ltd. Prüfsysteme auf Grundlage von Stand-alone-Kommunikationsprüfgeräten mit einer neuen, auf virtuellen Instrumenten basierenden Prüfstation ersetzt. Zugleich hat sich der Prüfdurchsatz bei jeder Produktgruppe fast verdoppelt, wodurch die Leistung durch Nutzung des Konzeptes der virtuellen Instrumentierung um beinahe das Vierfache gestiegen ist.
Weil sich das System der Software bedient, um die Signalanalyse auszuführen, kann es erweitert werden, wenn neue Mobilfunkstandards auf den Markt kommen, ohne dass dazu der Erwerb zusätzlicher Prüfeinrichtung notwendig wird.
Siehe auch:
Modulare Messgeräte von NIAGB
Dieses Tutorium ("Tutorium") wurde von National Instruments ("NI") entwickelt. Auch wenn National Instruments dieses Tutorium technisch unterstützt, ist es jedoch möglich, dass dieses Tutorium nicht umfassend getestet und überprüft wurde. NI übernimmt weder Garantien bezüglich der Qualität des Tutoriums noch bezüglich der weiteren technischen Unterstützung neuer Versionen ähnlicher Produkte und Treiber. DIESES TUTORIUM WIRD IM "IST-ZUSTAND" ZUR VERFÜGUNG GESTELLT UND NI ÜBERNIMMT KEINERLEI GARANTIEN. AUSFÜHRLICHERE ERLÄUTERUNGEN ZU ANDEREN EINSCHRÄNKUNGEN ENTNEHMEN SIE BITTE DEN NUTZUNGSBEDINGUNGEN AUF NI.COM (http://ni.com/legal/termsofuse/unitedstates/us/).