Măsurători mai bune, mai rapid: cum să accelerați dezvoltarea produselor

Dezvoltarea produselor electronice și electromecanice avansate poate deveni o cursă contra cronometru. Noile instrumente performante de achiziție a datelor (DAQ) pot contribui la simplificarea și accelerarea procesului de dezvoltare, ajutându-vă să câștigați această cursă.

Instrumentele DAQ oferă performanțe ridicate, precum intrări cu rezoluție de 20-biți și domeniu de ±10 V pentru senzori, baterii și alte dispozitive, la o rată de eșantionare de până la 1 MS/s/canal, până la 16 linii digitale de intrare/ieșire, numărătoare, intrări pentru encodere în cuadratură și resolvere, precum și pentru senzori și dispozitive care generează impulsuri sau evenimente ce trebuie contorizate. De asemenea, pot fi măsurate semnale de tensiune de mare viteză, căderi de tensiune pe rezistențe șunt pentru determinarea curentului și multe altele.

Totodată, este necesară automatizarea și generarea mai multor funcții și semnale, inclusiv citirea și scrierea pe linii digitale TTL, comanda releelor de curent redus prin intermediul liniilor digitale, generarea semnalelor de control de ieșire de ±10 V și a semnalelor de ±10 V pentru simularea senzorilor, generarea semnalelor modulate în lățime de impuls (PWM), precum și sincronizarea semnalelor de tensiune, digitale și de contorizare.

Pentru a câștiga cursa către lansarea pe piață, asemenea instrumente trebuie să fie și ușor de utilizat, oferind funcții precum unități independente de temporizare pentru intrările și ieșirile analogice și digitale, autocalibrare, conectivitate USB, precum și configurare și integrare rapide. Sistemul trebuie să ofere și opțiuni software, precum aplicații gratuite pentru înregistrarea datelor, API-uri și programe demonstrative, alături de suport avansat pentru Python și C/C++.

DAQ prin USB

Noul sistem mioDAQ USB de la NI oferă performanța și flexibilitatea necesare pentru a accelera lansarea pe piață a unei game largi de sisteme electronice și electromecanice. Acesta utilizează conectivitate USB Type-C și se conectează rapid la un laptop sau la un calculator desktop printr-un singur cablu, utilizat atât pentru colectarea și analiza datelor, cât și pentru alimentare.

Figura 1: Această parte a dispozitivului mioDAQ USB include diverse intrări/ieșiri. Conectorul USB se află pe partea opusă. (Sursa imaginii: NI)

Sistemul oferă până la 16 canale cu rezoluție de 20-biți pentru măsurători în domeniul ±10 V și poate suporta până la un milion de eșantioane simultane pe secundă. În plus, dispune de o varietate de canale digitale de intrare/ieșire și de canale pentru numărătoare/temporizatoare, permițând realizarea unor sisteme flexibile și performante pentru testare și dezvoltarea produselor (Figura 1).

Pinii Smart ID comunică cu o memorie EEPROM furnizată de utilizator, ceea ce permite integrarea unor funcții inteligente în bancul de testare. Memoria EEPROM poate fi conectată direct la fișa cu borne cu arc sau poate fi integrată în plăcile prototip. Aceasta poate fi interogată pentru:

verificarea conectării cablurilor la porturile corecte;
stocarea informațiilor despre dispozitivul supus testării (DUT), pentru utilizarea acestora la maparea canalelor și a constantelor;
automatizarea înregistrării metadatelor.

Compensarea joncțiunii reci (CJC – Cold Junction Compensation) este utilizată în cazul termocuplurilor. Aceasta compensează diferența de temperatură dintre joncțiunea caldă a termocuplului (unde este măsurată temperatura) și joncțiunea rece (unde conductoarele termocuplului sunt conectate la sistemul de măsurare). CJC îmbunătățește semnificativ acuratețea măsurătorilor efectuate cu termocupluri, în special atunci când temperatura joncțiunii reci variază.

Performanță și robustețe

Proiectat pentru utilizare pe bancul de lucru, mioDAQ este suficient de robust pentru a fi integrat și în standuri de testare complet automatizate. Este conceput să își mențină acuratețea timp de până la 10 ani fără recalibrare, fiind astfel potrivit pentru testele de producție sau aplicațiile de teren, unde recalibrarea frecventă poate afecta productivitatea. Sunt disponibile și modele cu cicluri de recalibrare de doi ani, ideale pentru testarea pe bancul de laborator și pentru aplicațiile de validare.

Autocalibrarea poate compensa diferențele dintre mediile de funcționare, precum și variațiile componentelor rezultate din procesul de fabricație. Aceasta este inițiată prin simpla apăsare a unui buton în utilitarul de configurare hardware. Driverul mioDAQ stochează ajustările de autocalibrare într-o memorie EEPROM integrată, sub forma unui polinom multivariabil, implementat astfel încât să nu afecteze semnificativ viteza de procesare și să ofere, în același timp, performanțe superioare unei ecuații de calibrare liniară mai simple.

Măsurători și funcții de control

Printre măsurătorile acceptate de mioDAQ se numără:

Senzori și alte semnale de ±10 V, la rate de până la 1 MS/s/canal;
Căderi de tensiune pe rezistențe șunt;
Tensiuni ale bateriilor (măsurare de până la ±10 V la vârf);
Linii de alimentare ale proiectelor alimentate prin USB sau de la baterie;
Numărarea impulsurilor și a evenimentelor;
Encodere în cuadratură;
Resolvere;
Potențiometre cu fir pentru măsurarea deplasării liniare;
Senzori și transformatoare de curent pentru joasă tensiune.

Unele dispozitive mioDAQ acceptă multiplexarea pentru a permite utilizarea unui număr mai mare de canale. În modul multiplexat, un singur convertor analog-digital este utilizat pentru mai multe canale de intrare analogică. Deși această abordare mărește efectiv numărul de canale disponibile, rata totală de eșantionare trebuie împărțită între canalele multiplexate, ceea ce reduce rata de eșantionare disponibilă pentru fiecare canal în parte.

De asemenea, semnalele de control pot fi automatizate pentru o varietate de funcții, precum:

generarea semnalelor de ieșire de ±10 V;
generarea semnalelor digitale de ieșire;
comanda unui releu extern prin intermediul liniilor digitale;
generarea semnalelor cu modulație în lățime a impulsului (PWM);
simularea senzorilor;
conectarea LED-urilor;
generarea semnalelor de ceas și de declanșare.

Patru modele pentru cerințe diferite

Tabelul 1: mioDAQ USB este disponibil în patru modele, permițând utilizatorilor să adapteze nivelul de performanță la cerințele aplicației. (Sursa tabelului: NI)

Cele patru modele mioDAQ – 789887-01, 789882-01, 789888-01 și 789884-01 – permit utilizatorilor să aleagă exact nivelul de performanță necesar pentru dezvoltarea rapidă a unor produse mai bune și pentru desfășurarea activităților de cercetare (Tabelul 1).

O privire în interior

Pentru a beneficia la maximum de dispozitiv, este necesară o bună înțelegere a specificațiilor și capabilităților sale. De exemplu, mioDAQ acceptă trei configurații ale terminalelor de intrare analogică.

Modul diferențial măsoară diferența de tensiune dintre două terminale de intrare și poate fi utilizat pentru a reduce efectul zgomotului de mod comun. Modul single-ended cu referință (RSE) măsoară tensiunea unui semnal față de un anumit punct de referință, izolat față de împământare. Atunci când trebuie măsurată tensiunea unui semnal asociat unei mase flotante sau izolate, fără o referință externă la masă, poate fi utilizat modul single-ended fără referință (NRSE).

Unitățile separate de temporizare permit stabilirea unor rate diferite pentru canalele de intrare analogică (AI), ieșirile analogice (AO) și liniile digitale de intrare/ieșire (DIO). De exemplu, utilizatorul poate:

sincroniza sistemele la același semnal de ceas și utiliza AI, AO și DIO la aceeași rată și în același interval de timp;
declanșa o operație pe baza valorii tensiunii unei intrări analogice;
declanșa simultan mai multe subsisteme care funcționează la rate diferite;
redeclanșa achiziția de date, astfel încât să fie preluat un număr fix de eșantioane în urma unui eveniment de declanșare, după care sistemul se resetează și așteaptă următorul eveniment.

Interfața de funcții programabile (PFI – Programmable Function Interface) a sistemului NI mioDAQ USB este alcătuită dintr-o serie de linii digitale de intrare/ieșire care pot fi configurate ca I/O digitale statice sau utilizate împreună cu funcții de numărare/temporizare, declanșare și temporizare. Acestea oferă o flexibilitate sporită pentru control și monitorizare.

De exemplu, liniile PFI pot fi utilizate pentru funcții precum achiziția analogică, generarea formelor de undă sau gestionarea evenimentelor de numărare. Suportul software, inclusiv driverul NI-DAQmx și utilitarele de configurare, simplifică utilizarea liniilor PFI.

Pornire rapidă a proiectului

Figura 2: NI mioDAQ este livrat împreună cu conectorii și cablurile necesare pentru a putea începe imediat lucrul și pentru a accelera procesul de dezvoltare. (Sursa imaginii: NI)

În pachetul NI mioDAQ, utilizatorul găsește componentele necesare pentru a începe rapid lucrul: un dispozitiv NI mioDAQ, un cablu USB-C la USB-C de 2 metri, prevăzut cu șurub de blocare (număr de catalog 789956-02), borne cu arc (număr de catalog 785502-01), o carcasă posterioară pentru borne, destinată preluării solicitărilor mecanice asupra cablurilor (număr de catalog 785080-01) precum și o șurubelniță NI pentru strângerea șurubului de blocare al conectorului USB. Cablul, bornele cu arc și carcasa posterioară pot fi achiziționate și separat (Figura 2).

Software-ul accelerează configurarea și oferă flexibilitate

Configurarea mioDAQ începe prin scanarea codului QR de pe dispozitiv. Acesta direcționează utilizatorul către pagina web NI, de unde pot fi descărcate software-ul și documentația necesare. Resursele disponibile includ manualul de utilizare, videoclipuri pentru configurare, schema pinilor și software-ul necesar, inclusiv linkuri pentru descărcarea FlexLogger Lite și a driverelor pentru LabVIEW, Python și C/C#, contribuind astfel la simplificarea procesului și la reducerea timpului necesar configurării.

Software-ul gratuit NI Measurement & Automation Explorer (MAX) oferă acces la hardware-ul NI și constituie un punct central pentru interacțiunea cu componentele hardware și software NI. Acesta este instalat automat împreună cu driverele NI și configurațiile de sistem. MAX permite configurarea dispozitivelor, diagnosticarea problemelor și chiar crearea unor dispozitive simulate în scopuri de testare, fără a fi necesară prezența hardware-ului fizic.

NI FlexLogger Lite este o aplicație software gratuită destinată proiectelor simple sau utilizatorilor aflați la început, care doresc să achiziționeze și să înregistreze date. Fără a necesita programare, aplicația permite configurarea rapidă a sistemului, vizualizarea și înregistrarea datelor provenite de la senzori și alte dispozitive de măsurare.

FlexLogger Lite detectează automat hardware-ul DAQ NI și oferă opțiuni de configurare specifice senzorilor. Datele achiziționate pot fi vizualizate în timp real, astfel încât utilizatorii să poată monitoriza măsurătorile pe parcursul efectuării lor. Aplicația permite, de asemenea, înregistrarea datelor în formate uzuale, precum Excel sau fișiere binare .tdms.

FlexLogger Lite completează software-ul FlexLogger cu funcționalități extinse, iar utilizatorul poate trece la versiunea completă atunci când are nevoie de funcții mai avansate, precum testarea automată, măsurători personalizate și extinderea sistemului la mai multe șasiuri.

Pentru aplicații mai complexe

Pentru cerințe mai complexe, utilizatorul poate apela la LabVIEW. Acesta rulează pe Windows și Linux și oferă un limbaj de programare grafic, împreună cu un mediu de dezvoltare destinat aplicațiilor de automatizare, testare și măsurare. Abordarea grafică facilitează reprezentarea și înțelegerea proceselor complexe în comparație cu programarea tradițională bazată pe text.

LabVIEW este utilizat pe scară largă în domenii precum industria aerospațială, industria auto și industriile de proces, pentru automatizarea măsurătorilor, testării și achiziției de date. Acesta oferă funcții pentru vizualizarea și analiza datelor, precum și pentru control în timp real cu comportament determinist.

Pentru un mediu software mai puternic și mai cuprinzător, mioDAQ este compatibil cu NI LabVIEW+ Suite, o colecție integrată de aplicații software NI creată pentru eficientizarea proceselor de testare și validare. Suita oferă instrumente pentru automatizare, achiziție de date, analiză și raportare.

Bazată pe LabVIEW, suita LabVIEW+ include printre componentele sale principale:

NI TestStand, un cadru de testare pentru proiectarea, gestionarea și executarea secvențelor de testare;
InstrumentStudio, pentru configurarea și controlul interactiv al instrumentelor;
FlexLogger, pentru înregistrarea rapidă și scalabilă a datelor;
DIAdem, pentru analiza datelor și generarea rapoartelor.

Opțiuni de montare

Figura 3: Pe lângă utilizarea pe birou, pentru mioDAQ sunt disponibile soluții de montare pe șină DIN orizontală (stânga sus), pe șină DIN verticală sau pe panou (dreapta sus), precum și într-un rack de 19 inci, cu înălțimea de 1U (jos). (Sursa imaginii: NI)

mioDAQ USB nu este limitat la utilizarea pe birou. Pentru realizarea standurilor de testare și a sistemelor de automatizare sunt disponibile mai multe opțiuni de montare: pe șină DIN, în poziție verticală sau orizontală, pe panou și în rack de 19 inci. Kiturile de montare sunt livrate împreună cu cabluri USB-C prevăzute cu conectori la 90°, pentru simplificarea instalării. Sunt disponibili și conectori USB-C de schimb, cu numărul de catalog 789957-02.

Detaliile de montare (Figura 3) includ:

Kitul cu clemă pentru montare orizontală pe o șină DIN standard de 35 mm (număr de catalog 789986-01), livrat împreună cu un cablu USB-C cu conectori la 90°;
Montarea pe șină DIN în poziție verticală sau pe panou, prin intermediul fantelor de fixare, utilizând kitul cu numărul de catalog 789955-01; acesta include un cablu USB-C cu conectori la 90°;
Montarea în rack de 19 inci cu ajutorul kitului 789953-01, care permite instalarea a până la două dispozitive mioDAQ și include două cabluri USB-C cu conectori la 90°.

Concluzie

mioDAQ USB de la NI oferă nivelul ridicat de performanță hardware și gama largă de instrumente software necesare pentru a accelera dezvoltarea produselor electronice și electromecanice avansate și pentru a scurta timpul până la lansarea pe piață. Totul începe cu o instalare și o configurare simplificate și continuă cu intervale de calibrare garantate de până la 10 ani. Sunt disponibile modele cu diferite configurații și numere de canale, astfel încât sistemul să poată fi adaptat cerințelor fiecărui proiect. În toate cazurile, acestea oferă acuratețea și precizia necesare utilizatorului.

Lecturi recomandate:

How to Build a Compact Data Acquisition System (Cum să construiți un sistem compact de achiziție a datelor)
Test Software Bundle Simplifies the Creation of Test Programs (Pachetul software de testare simplifică dezvoltarea programelor de test)
How to Speed System Design, Validation, and Production Test Using Modular Instruments and Software (Cum să accelerați proiectarea sistemului, validarea și testarea în producție utilizând instrumente modulare și software)
Implementing a Compact and Flexible Automated Test System Using Multifunction PXI I/O Bundles (Implementarea unui sistem automatizat de testare compact și flexibil utilizând pachete multifuncționale de I/O PXI)

Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații
Rolf Horn, inginer de aplicații la DigiKey, face parte din grupul european de asistență tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la orice întrebări legate de dezvoltare și inginerie de la clienții finali din EMEA, precum și de a scrie și corecta articole și bloguri în limba germană pe platformele TechForum și maker.io ale DK. Înainte de DigiKey, a lucrat la mai mulți producători din domeniul semiconductorilor, axându-se pe sisteme embedded FPGA, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto.

Rolf deține o diplomă în inginerie electrică și electronică de la Universitatea de Științe Aplicate din München, Bavaria și și-a început cariera profesională la un distribuitor local de produse electronice în calitate de arhitect de soluții de sistem pentru a-și împărtăși cunoștințele și expertiza în continuă creștere în calitate de consilier de încredere. Hobby-uri: petrecerea timpului cu familia + prietenii, călătoriile cu autorulota personală VW-California și plimbarea cu motocicleta, un BMW GS 100 din 1988.

DigiKey

Glosar de termeni

DAQ (Data Acquisition) – Achiziție de date. Procesul de măsurare, conversie și înregistrare a semnalelor provenite de la senzori sau alte dispozitive.

mioDAQ USB – Familie NI de dispozitive DAQ conectate prin USB-C, destinată măsurării, testării și automatizării în aplicații electronice și electromecanice.

ADC (Analog-to-Digital Converter) – Convertor analog-digital care transformă un semnal analogic într-o reprezentare digitală ce poate fi procesată de sistem.

Eșantionare simultană – Achiziția în același moment a datelor de pe mai multe canale, utilizând convertoare ADC dedicate.

Multiplexare – Utilizarea unui singur ADC pentru mai multe canale analogice. Crește numărul de canale disponibile, dar împarte rata totală de eșantionare între acestea.

CJC (Cold Junction Compensation) – Compensarea joncțiunii reci utilizată la măsurarea cu termocupluri pentru corectarea influenței temperaturii la punctul de conectare.

RSE / NRSE – Configurații de intrare single-ended cu referință, respectiv fără referință, utilizate pentru măsurarea tensiunilor în funcție de modul de raportare la masă.

PFI (Programmable Function Interface) – Linii digitale configurabile pentru intrări/ieșiri statice, numărare, temporizare și declanșare.

PWM (Pulse-Width Modulation) – Modulație în lățime a impulsului, metodă de control bazată pe variația duratei impulsurilor unui semnal periodic.

Autocalibrare – Funcție prin care dispozitivul compensează variațiile mediului de funcționare și ale componentelor pentru menținerea acurateței măsurătorilor.