Kurzfassung: Entwicklung von Prüfsystemen der nächsten Generation

Der Leitfaden Designing Next Generation Test Systems ist eine Sammlung von Whitepapern, die Sie bei der Entwicklung von Prüfsystemen unterstützen sollen, damit Sie Ihre Kosten senken, den Prüfdurchsatz erhöhen und Ihre Systeme an künftige Anforderungen anpassen können. Dieses Whitepaper erklärt die Unterschiede zwischen einer Plattform mit modularen Messgeräten und einer Plattform mit konventioneller Ausstattung. Der gesamte Leitfaden (120 Seiten) kann unter ni.com/automatedtest oder auf der Seite "Neueste Prüfsysteme entwickeln - eine detaillierte Anleitung" heruntergeladen werden.

Einführung in die Herausforderungen bei der Entwicklung eines automatisierten Prüfsystems

Testmanager und -ingenieure verwenden automatisierte Prüfsysteme in Anwendungsbereichen von der Designvalidierung bis hin zur abschließenden Produktionsprüfung und der Reparaturdiagnose. Das Ziel ist die Gewährleistung von Qualität und Zuverlässigkeit eines Produkts, wenn es den Endverbraucher erreicht. Automatisierte Prüfsysteme werden für einfache „Gut“- oder „Schlecht“-Tests oder eine ganze Reihe von Maßnahmen zur Charakterisierung des Produkts eingesetzt. Da die Folgekosten von Fehlern exponentiell ansteigen, je später im Entwicklungsprozess sie gefunden werden, sind automatisierte Prüfsysteme schnell zu einem noch wichtigeren Bestandteil des Entwicklungsprozesses avanciert. Dieses erste Dokument mit dem Titel „ Entwicklung von Prüfsystemen der neuesten Generation“  beschreibt die Herausforderungen vor denen Ingenieurteams bei der Reduzierung von Kosten- und Zeitaufwand für ihre Prüfanwendungen weiterhin stehen. Es bietet auch einen Einblick in Methoden, wie diese Herausforderungen bewältigt werden können: Modulare, softwaredefinierte Prüfsysteme erhöhen Durchsatz und Flexibilität drastisch und senken gleichzeitig die Gesamtkosten.

Heutzutage stehen Prüfingenieure jedoch noch mehr unter Druck, denn in der modernen Umgebung der Produktentwicklung müssen sie folgende Hürden überwinden:

• Das Design von Produkten ist komplexer als je zuvor. 
• Der Entwicklungszyklus muss verkürzt werden, um wettbewerbsfähig zu bleiben und die Kundennachfrage zu decken
• Budgets werden gekürzt, während das Testen von Produkten teurer wird.

Steigende Komplexität von Designs

Einer der deutlichsten Trends ist die zunehmende Komplexität von Designs. Branchen wie die Unterhaltungselektronik, Kommunikation und Halbleiterindustrie drängen immer mehr auf die Konvergenz von digitaler Bildverarbeitung/Video, Audio, kabelloser Kommunikation und Internetanbindung innerhalb eines Geräts. Sogar Kraftfahrzeuge verfügen heute über integrierte ausgereifte Unterhaltungs- und Informationssysteme, Sicherheits- und Frühwarnsysteme sowie Fahrwerks- und Getriebeelektronik. Prüfsysteme müssen flexibel genug sein, um eine große Vielfalt an Tests zu unterstützen, die sich von Produkt zu Produkt unterscheiden, aber auch skalierbar sein, so dass weitere Prüfkategorien untergebracht werden können, wenn neue Messfunktionalität erforderlich wird.

Verkürzung des Produktentwicklungsprozesses

Die ständig steigende Nachfrage nach den neuesten Produkten und Technologien kombiniert mit dem Wettbewerbsdruck, der erste auf dem Markt zu sein, zwingt Design- und Prüfingenieure dazu, den Produktentwicklungsprozess zu verkürzen. Um damit Erfolg zu haben, müssen Entwicklerteams neue Strategien entwickeln, um Prüfzeiten zu verkürzen und die Effizienz vom Design bis zur Produktion zu verbessern.

Steigende Kosten und knappes Budget

Mehr Funktionalität eines Geräts setzt meist einen teureren und zeitaufwändigeren Testprozess voraus. Jedoch sinken die Kosten für die Produktion einzelner Funktionen, was auch Prüfabteilungen vor die Herausforderung stellt, ihre Kosten zu reduzieren, wie in Abbildung 1 dargestellt. Infolgedessen müssen Ingenieure Prüfstrategien ausarbeiten, die Kosten senken, indem der Durchsatz der Prüfsysteme erhöht, die Kosten für Wartung und Upgrades gesenkt und die unbedingt erforderlichen finanziellen Investitionen vermindert werden.

Abbildung 1: Daten von SIA belegen, dass die Kosten für Chips (bzw. für die Gerätefunktionen) seit einiger Zeit sinken, die Kosten für Tests jedoch weiterhin ansteigen.

 

Entwicklung von Prüfsysteme der neuesten Generation

Um der Problematik der erhöhten Komplexität von Geräten, kürzeren Entwicklungszyklen und gekürzten Budgets Herr zu werden, sehen sich Testmanager und Ingenieure gezwungen, herkömmliche Designstrategien basierend auf konventionellen Stand-alone-Geräten oder großen proprietären ATE-Systemen aufzugeben. Diesen Stand-alone-Messgeräten mangelt es an der notwendigen Flexibilität, da Softwareleistung und Benutzeroberfläche vom Hersteller definiert werden und nur von ihm über Firmware aktualisiert werden können. Dies erschwert die Durchführung von Messungen, die nicht in der Firmware des Geräts enthalten sind, sowie von Messungen mit neuen Standards. Auch die Anpassung des Systems an wechselnde Anforderungen ist nicht ohne weiteres möglich. Darüber hinaus fehlt es diesen Geräten auch an den erforderlichen Möglichkeiten der Integration, beispielsweise von Daten-Streaming oder Synchronisation, denn sie sind in erster Linie dafür vorgesehen, für sich allein und nicht in integrierten Systemen zu arbeiten. Proprietäre ATE-Systeme, wie etwa integrierte Prüfsysteme für Produktionschips, bieten zwar die notwendige Leistung, sind aber äußerst kostspielig, veralten schnell und müssen vorzeitig neu entworfen werden.

Als Reaktion auf die beschriebenen Trends implementieren Testmanager und Ingenieure inzwischen immer mehr modulare, softwaredefinierte Prüfarchitekturen auf Grundlage weit verbreiteter Industriestandards und bieten damit:

• Erhöhte Systemflexibilität: Prüfsysteme lassen sich für zahlreiche verschiedene Anwendungen, Branchen und Produktgenerationen einsetzen.
• Leistungsstärkere Architekturen, die den Durchsatz steigern und enge Korrelation und Integration von Geräten zahlreicher Hersteller ermöglichen, darunter Präzisionsstromquellen, Hochgeschwindigkeits-Analog- und Digitalkarten sowie Geräte zur Erzeugung und Analyse von HF-Signalen
• Niedrigere Kosten für Prüfsysteme durch weniger erforderliches Startkapital und reduzierte Wartungskosten, gleichzeitig vielfältigere Einsatzmöglichkeiten für zahlreiche Prüfanforderungen
• Längere Lebensdauer von Prüfsystemen basierend auf weithin anerkannten Industriestandards, die Technologieupgrades ermöglichen und somit Leistungsverbesserungen und die Anpassbarkeit an künftige Testanforderungen gewährleisten

National Instruments, ein führendes Unternehmen in der Automatisierungsbranche, stellt Hardware- und Softwareprodukte zur Verfügung, mit denen Anwender Prüfsysteme der neuesten Generation entwickeln können.
Dieser detaillierte Leitfaden enthält wichtige Informationen zum Design einer Systemarchitektur der neuesten Generation. Die Einleitung beschreibt eine Prüfsystemarchitektur (Abb. 2), die Anwendern eine Strategie an die Hand gibt, um Herausforderungen hinsichtlich der Komplexität der Geräte, kürzerer Entwicklungszeit und niedrigerer Budgets zu bewältigen.

 

Abbildung 2: National Instruments bietet eine umfassende Hardware- und Softwarelösung für die Entwicklung automatisierter Prüfsysteme

Schichtenarchitektur: Ebene 5 -- Software zur Verwaltung des Prüfsystems

Ein automatisiertes Prüfsystem setzt die Implementierung mehrerer Aufgaben und Messfunktionen voraus – einige davon beziehen sich auf den jeweiligen Prüfling, andere wiederholen sich bei jedem getesteten Gerät. Um Wartungskosten zu minimieren und die Langlebigkeit des Systems zu gewährleisten, sollte eine Teststrategie implementiert werden, welche die für den Prüfling spezifischen Aufgaben von den Tasks auf Systemebene trennt. Anwender können Prüfprogramme (oder Module), die während des Entwicklungsprozesses erstellt wurden, so schnell wiederverwenden, warten und ändern, damit sie neuen Anforderungen entsprechen.

In jedem Prüfsystem kommen Operationen vor, die sich von Prüfling zu Prüfling unterscheiden, sowie Operationen, die bei jedem getesteten Gerät gleich sind, wie etwa Aufgaben auf Systemebene.

 

Operationen die sich je nach Prüfling unterscheiden: • Gerätekonfiguration • Durchzuführende Messungen • Datenerfassung • Analyse der Ergebnisse • Kalibrierung • Testmodule

Operationen, die bei jedem Prüfling gleich sind: • Benutzeroberflächen • Benutzerverwaltung • Prüflingszuordnung anhand von Seriennummern • Steuerung des Testablaufs • Speichern der Ergebnisse • Prüfbericht

Einige Unternehmen schreiben eigene Prüfsequenzen und investieren wertvolle Ressourcen in die Entwicklung von proprietärer Prüfmanangementsoftware. Oft führt dies zu eingeschränkter Produktivität und beansprucht Ressourcen für die Softwarewartung. Um eine optimale Produktivität zu erzielen, sollten Entwicklerteams kommerziell erhältliche Testmanagementsoftware wie etwa NI TestStand verwenden. So lässt sich der Entwicklungsaufwand für Operationen, die bei jedem Gerät gleich sind, reduzieren. Die Nutzung dieser Software ermöglicht Anwendern die Konzentration auf diejenigen Aufgaben, die sich von Gerät zu Gerät unterscheiden.

Weitere Informationen dazu bietet das Whitepaper "Entwicklung einer modularen Softwarearchitektur (engl.)".

Unabhängig von der gewählten Hard- und Software rechnen sich die in ein Prüfsystem geflossenen Investitionen nur dann, wenn sich die erfassten Messdaten effizient weiterverarbeiten und ohne Zeitverlust in verwertbare Informationen umwandeln lassen. Sollen Messergebnisse langfristig archiviert werden, müssen schon beim Design des Prüfsystems die richtigen Entscheidungen hinsichtlich der Datenarchivierung und -verwaltung getroffen werden. Die gewählten Methoden und Werkzeuge müssen zum einen zu den aktuellen Prozessen für die Datenauswertung passen, aber auch offen für zukünftige Erweiterungen und Änderungen sein. Die TDM-Technologie (TDM = Technical Data Management) von National Instruments bietet hierfür eine skalierbare und kostengünstige Lösung, die auf folgenden etablierten Standards basiert:

• TDM-Datenmodell zur einheitlichen Interpretation von Messdaten inklusive beschreibender Informationen (Metadaten)
• NI-DataFinder-Technologie zur automatischen Verwaltung umfangreicher Dateibestände unabhängig vom Dateiformat
• NI DIAdem mit integrierter Suchoberfläche zum Suchen und Recherchieren in Datenbeständen sowie Analyse und Berichterstellung

Weitere Informationen dazu bietet das Whitepaper "Testdatenverwaltung für Unternehmen (dt.)"

 

Schichtenarchitektur: Ebene 4 -- Software für die Anwendungsentwicklung

Die Anwendungsentwicklungsumgebung, z. B. LabVIEW and LabWindows/CVI von National Instruments, spielen eine wichtige Rolle in der Architektur des Prüfsystems. Mithilfe dieser Werkzeuge können Entwickler von Prüfsystemen mit vielfältigen Messgeräten kommunizieren, Messungen integrieren, Informationen anzeigen, andere Anwendungen anbinden u. v. m. Eine ideale Entwicklungsumgebung für Prüf- und Messanwendungen ist einfach bedienbar, ermöglicht leistungsstarke, kompilierte Anwendungen, integriert verschiedene I/Os und bietet eine flexible Programmierung, so dass die Anforderungen einer großen Vielfalt an Anwendungen erfüllt werden können.

Bedienfreundlichkeit ist mehr als nur die Möglichkeit, ein System schnell zu installieren und einsatzbereit zu machen. Dank bedienfreundlicher Anwendungsentwicklungsumgebungen können Entwickler Verarbeitungsroutinen mit mehreren Messgeräten schnell integrieren. Zudem können sie anspruchsvolle Benutzeroberflächen erstellen, eine Anwendung einsetzen und warten und sie je nach Produktdesign und Systemanforderungen ändern.

Weitere Informationen dazu sind dem Whitepaper "Welche Software für welche Applikation?" zu entnehmen.

Schichtenarchitektur: Ebene 3 -- Treibersoftwar für Mess-, Steuer- und Regelanwendungen

Die Mess-, Steuer- und Regelsoftware spielt eine wichtige Rolle, denn sie bestimmt über die Anbindung an verschiedene Hardware im System, die Systemkonfiguration sowie Diagnosewerkzeuge. Der NI Measurement and Automation Explorer (MAX) beispielsweise erkennt Hardware, darunter Datenerfassungs- und Signalkonditionierungshardware, GPIB, USB, LAN-gesteuerte Geräte, PXI-Systeme, VXI-Geräte sowie modulare Messgeräte, automatisch. Anwender können so die gesamte Hardware aus einer Umgebung heraus konfigurieren. Integrierte Diagnosetests sorgen dafür, dass die Geräte einwandfrei funktionieren und integrierte Testprogramme ermöglichen die schnelle Überprüfung der Hardwarefunktionalität, bevor mit der Programmierung begonnen wird. Die Treibersoftware für Mess-, Steuer- und Regelanwendungen sollte über Programmierschnittstellen auch die Integration in die Ebene der Anwendungsentwicklungssoftware ermöglichen, so dass Geräte problemlos programmiert werden können. Die Bestandteile der Treibersoftware – Hardwaretreiber, Programmierschnittstellen und ein Konfigurationsmanager – sollten sich nahtlos in die Entwicklungsumgebung integrieren, so dass die Leistung optimiert, die Produktivität erhöht und der Wartungsaufwand minimiert wird.

Weitere Informationen dazu bietet das Whitepaper "Entwicklung einer modularen Softwarearchitektur (engl.)".

Schichtenarchitektur: Ebene 2 -- Bustechnologie für Rechen- und Messanwendungen

Das Herzstück jedes modernen automatisierten Prüfsystems bildet ein Computer, ein Desktop-PC, eine Server-Workstation, ein Laptop oder ein Embedded-Computer, wie er mit PXI und VXI eingesetzt wird. Ein wichtiger Aspekt der Rechnerplattform ist die Anbindungsmöglichkeit (und Kommunikation) mit vielfältigen Geräten eines Prüfsystems. Für Stand-alone- und modulare Messgeräte stehen mehrere Bustechnologien zur Verfügung, darunter GPIB, USB, LAN, PCI und PCI Express. Jedes dieser Bussysteme besitzt seine individuellen Stärken und ist damit besser für bestimmte Anwendungen geeignet als andere. GPIB ist beispielsweise im Bereich der Gerätesteuerung am gängigsten und eignet sich für viele Gerätetypen, USB ist am weitesten verbreitet, leicht anzuschließen und ermöglicht einen hohen Durchsatz, LAN eignet sich besonders für verteilte Systeme und PCI Express bietet die höchste Leistung.

Die Verbreitung des Computers hat zur Entwicklung höchst leistungsfähiger Busse wie etwa PCI und PCI Express geführt, welche niedrige Latenz und den höchsten Datendurchsatz bieten. Der PCI-Bus ermöglicht bis zu 132 MB/s Busbandbreite und PCI Express, eine Weiterentwicklung von PCI, kann bis auf 4 GB/s skaliert werden, um steigende Anforderungen an die Bandbreite zu erfüllen und trotzdem vollständige Kompatibilität mit PCI zu gewährleisten. Abbildung 3 stellt die Latenz und Bandbreite der beliebtesten Gerätesteuerungsbusse dar.

Abbildung 3: Vergleich verschiedener Gerätesteuerungsbusse. PCI und PCI Express bieten insgesamt die beste Leistung hinsichtlich Übertragungsrate und Latenz bzw. gesamter Durchsatzleistung.

• "Hybride Systeme: Integration von Testsystemen mit mehreren Plattformen und von mehreren Herstellern"  
• "Die Leistung von Busssystemen – Verschiedene Bustechnologien für die Gerätesteuerung"
   

Schichtenarchitektur: Ebene 1 -- Mess- und Geräte-I/Os

Grundsätzlich gibt es heute zwei Arten von Architekturen für Messsysteme – eine traditionelle und eine virtuelle Struktur. Abbildung 4 stellt die Gemeinsamkeiten beider Versionen dar. In beiden Fällen besteht das System aus Messhardware, Chassis, Netzteil, Bus, Prozessor, Betriebssystem und Benutzeroberfläche.

Vom Standpunkt der Hardware aus ist der augenfälligste Unterschied die Anordnung der Bestandteile. Ein traditionelles oder Stand-alone-Messgerät vereint alle Bestandteile eines einzelnen Gerätes in einem Behältnis. Die Messfunktionalität, Analyse, Anzeige sowie Steuerung und Regelung des Messgeräts werden vom Hersteller definiert.

Im Gegensatz dazu beinhalten modulare, softwaredefinierte virtuelle Instrumente universelle Messhardware, die Anwendern mehr als nur die Standardfunktionen bietet und ihnen erlaubt, eigene Messungen und Benutzeroberflächen in Software zu definieren. Der modulare Ansatz erlaubt Anwendern, die Messfunktionalität des Prüfsystems festzulegen und Systeme zu erstellen, die für zukünftige Anforderungen skaliert werden können. Mit einer modularen, softwaredefinierten Methode führen Anwender benutzerspezifische Messungen bzw. Messungen für neue Standards durch oder passen das System an veränderte Bedingungen an (z. B. um Messgeräte, Kanäle oder neue Messungen hinzuzufügen). Diese Kombination flexibler, anwenderdefinierter Software mit skalierbarer Hardware steht im Zentrum der modularen Systemarchitektur.

Weitere Informationen bieten die folgenden Whitepaper:

Zusammenfassung: Entwicklung von Prüfsystemen der neuesten Generation

Zunehmende Komplexität von Geräten, kürzere Entwicklungszeiten und gekürzte Budgets bieten Anwendern die Gelegenheit, ihre Strategien für automatisierte Tests zu überdenken und nach Möglichkeiten Ausschau zu halten, die Effizienz zu erhöhen und Kosten zu senken. Bei der Entwicklung von Prüfsystemen der neuesten Generation müssen Strategien angewendet werden, um Systeme flexibler zu gestalten, die Messleistung und den Durchsatz zu erhöhen, die Kosten für Prüfsysteme zu reduzieren und deren Lebensdauer zu verlängern. Modulare, softwaredefinierte automatisierte Prüfsysteme überwinden die Mängel herkömmlicher, auf Stand-alone-Geräten basierender Lösungen oder kostspieliger proprietärer ATE-Systeme. Eine modulare Hardwareplattform, basierend auf weit verbreiteten Industriestandard-Plattformen wie PXI, ermöglicht Anwendern die Entwicklung skalierbarer Prüfsysteme, welche die Funktionalität von Messgeräten unterschiedlicher Hersteller in sich vereinen. Darüber hinaus erlaubt sie Entwicklerteams die Integration vorhandener Ausstattung, so dass die anfänglichen Kosten für die Implementierung gesenkt werden. Neben softwaredefinierten Messungen, die aktuelle PC-Technologien wie etwa Multicore-Prozessoren und PCI Express ausnutzen, können Prüfsysteme der neuesten Generation den Durchsatz erhöhen und an verschiedene Produktgenerationen und Branchen angepasst werden.

Zahlreiche Unternehmen haben eine modulare, softwaredefinierte Strategie implementiert und profitieren bereits davon. Microsoft  beispielsweise entwickelte das Prüfsystem für die Controller der Xbox 360 mithilfe von NI LabVIEW und PXI gestützten modularen Messgeräten. Das resultierende Prüfsystem arbeitete doppelt so schnell wie seine Vorgänger. Sanmina-SCI produziert mit NI TestStand und PXI anerkannte medizinische Prüfgeräte, welche die Anforderung, 83000 Geräte pro Woche zu testen, noch übertreffen und die Produktionsanforderungen um 95 % steigern.

Relevante NI-Produkte und Whitepaper

National Instruments, ein führendes Unternehmen in der Automatisierungsbranche, stellt Hardware- und Softwareprodukte zur Verfügung, mit denen Anwender Prüfsysteme der neuesten Generation entwickeln können.

Software:

• NI TestStand (Testmanagement-Framwork)
• NI LabVIEW (Grafische Programmierumgebung)
• LabVIEW SignalExpress (interaktive Messoftware)
• NI DIAdem (Datenverwaltung und -auswertung)
  

Hardware:

• Modulare Messgeräte (Oszilloskope, Multimeter, HF, Schaltmodule u. v. m.)
• Multifunktionsdatenerfassung
• Komponenten für PXI-Systeme (Chassis and Controller)
• Gerätesteuerung (GPIB, USB und LAN)

Whitepapers:

NI stellt den Leitfaden Designing Next Generation Test Systems Developers Guide zur Verfügung. Hierbei handelt es sich um eine Sammlung von Whitepapern, die den Leser bei der Entwicklung von Prüfsystemen, die Kosten senken, den Prüfdurchsatz erhöhen und an künftige Anforderungen angepasst werden können, unterstützen sollen. Der gesamte Leitfaden (120 Seiten) kann unter ni.com/automatedtest oder auf der Seite ”Neueste Prüfsysteme entwickeln - eine detaillierte Anleitung“ heruntergeladen werden.