Utiliser l’architecture SLSC pour ajouter des éléments supplémentaires au chemin du signal d’un système de test

Lors de la construction de systèmes de test, le chemin du signal du matériel ou de l’unité à tester (Device Under Test - DUT) à l’instrument de mesure nécessite très souvent des éléments supplémentaires pour le conditionnement, le chargement et la commutation personnalisés du signal. C'est dans cet esprit que NI a créé l'architecture NI Switch Load and Signal Conditioning (SLSC). Ce white paper montre comment le SLSC de NI peut être utilisé pour ajouter des éléments supplémentaires au chemin du signal dans un système de test typique.

En guise de démonstration d’application, nous allons stimuler une unité de contrôle électronique (Electronic Control Unit - ECU) avec un signal de modulation de largeur d’impulsion (Pulse Width Modulation - PWM) comme celui couramment utilisé sur les ECU, et mesurer ainsi sa réponse. Étant donné que de nombreuses ECU nécessitent des niveaux de tension plus élevés, nous ajouterons des éléments supplémentaires pour permettre un décalage du niveau de tension afin de générer et mesurer un signal référencé à une source d’alimentation externe telle qu’une batterie de voiture.

Nous allons également ajouter un relais pour insérer un défaut dans le chemin du signal, simulant ainsi un fil coupé dans le faisceau de câbles du boîtier de l’ECU.

Le système utilisera une carte FPGA de la Série R au format PXI pour générer et mesurer le signal numérique PWM dans un châssis PXI, puis adapter les tensions et ajouter l’interrupteur dans le châssis SLSC.

Pour simplifier, nous n’utiliserons pas une véritable ECU. Dans notre cas, l’unité sous test sera un bloc de connexion qui rebouclera le câble et utilisera l’une des entrées numériques de la Série R pour mesurer le signal PWM généré par la sortie numérique.

Le diagramme ci-dessous montre le chemin du signal que nous suivrons : à partir du système PXI, le routage passe par le SLSC et jusqu’au bloc de connexion, où le signal utilise un wrapping et retourne à travers le SLSC vers le système PXI.

Le module PXIe-7822R se connecte à un RTI-12301 à l’aide d’un câble SHC68-C68-RDIO2 standard. Le RTI-12301 répartit les signaux pour le module SLSC-12201. Le SLSC-12201 est utilisé pour mettre à l’échelle les signaux par rapport à une source de référence externe. Dans notre cas, nous utilisons une alimentation 24 V mais, dans la réalité, cela pourrait représenter la tension de la batterie d’une ECU automobile ou d’une unité remplaçable en ligne (Line Replaceable Unit - LRU) d’un avion. Le signal passe de l’avant du SLSC à l’arrière, à l’aide d’un câble HD 44, et se branche sur un RTI-12305. Le RTI-12305 interrompt les signaux en sortie du SLSC-12101 qui sert à commuter le signal, simulant ainsi un fil de liaison brisé dans les câbles.

Les images suivantes montrent une vue arrière et avant de la configuration, qui inclut des modules PXI et SLSC supplémentaires qui ne sont pas utilisés dans cette application. Les fils pour wrapping, la référence externe et le câble Ethernet ne sont pas câblés dans ces illustrations.  La section suivante décrit plus en détail le chemin du signal, en indiquant le chemin de la sortie PWM à l’entrée PWM.

Image 4. Vue arrière du SLSC

Image 5. Vue de face du SLSC et d’un système PXI.

Le signal PWM est généré dans le FPGA, et le code FPGA est indiqué dans la section dédiée au logiciel. La broche de sortie du FPGA est disponible sur le connecteur VHDCI situé sur le panneau avant du PXIe-7822R, c’est un signal de 3,3 volts. Le train d’impulsions est transmis via un câble VHDCI SHC68-C68-RDIO2 à l’interface de transition arrière RTI-12301 sur le châssis SLSC.

Le kit de développement de module SLSC présente un moyen standard de distribuer les signaux du RTI au module SLSC.

Le train d’impulsions est ensuite amplifié par le module SLSC-12201 qui peut le convertir en tensions entre 5 V et 33 V en fonction d’une tension externe Vsup. Le module SLSC-12201 est programmé via le port Ethernet à l’aide de l’API SLSC et présente divers modes de fonctionnement. Dans notre cas, nous avons programmé la sortie en tant que mode courant fourni, et nous l’avons configurée pour utiliser une référence externe connectée à la broche Vsupp du RTI-12301. Pour cet exemple, nous utilisons une alimentation externe 24 V CC.

Le signal utilise la modulation de largeur d’impulsion (PWM) avec une plage comprise entre 0 V et 24 V. Ce signal de sortie est disponible sur le connecteur HD44 à l’avant du module SLSC-12201. Le signal est transmis par câble pour wrapping HD44 1:1 vers le RTI-12305 et mis à la disposition d’un module de prototypage SLSC-12101. Sur ce module, nous avons placé un relais contrôlé à l’aide de l’une des broches commandées par logiciel sur le contrôleur SLSC 12101 (CPLD).

Lorsque le relais est activé, le signal peut passer par celui-ci et est disponible sur le connecteur HD 44 situé à l’avant du module SLSC-12101. Le signal est transmis via un câble HD 44 1:1 à un bloc de connexion où il est connecté par câble wrapping sur l’entrée.
Le chemin de retour est similaire, mais il n’y a pas de relais sur le module SLSC-12101. Le signal est simplement envoyé en direct au SLSC-12201 qui est configuré en mode entrée avec un seuillage sur la tension de 12 V avant qu’il ne soit ramené à une valeur lisible par le FPGA.

Architecture SLSC

Le SLSC est une architecture modulaire qui complète les plates-formes matérielles NI, les PXI et la Série C, dans la mesure où il est conçu pour permettre aux clients et partenaires de créer facilement les circuits imprimés personnalisés nécessaires aux systèmes de test et qui peuvent s’interfacer aisément tant du point de vue matériel que logiciel.

L’architecture SLSC comprend trois éléments : le châssis, le module et la RTI (Rear Transition Interface). Pour plus de détails sur le châssis, veuillez vous reporter au manuel de démarrage. Comme illustré dans les schémas ci-dessous, les modules ont une hauteur de 144,32 mm (4U) et une profondeur de 281,9 mm, et présentent trois connecteurs d’interfaçage à l’arrière (XJ1, XJ2 et XJ3). Le connecteur XJ1 est utilisé pour les communications de module à l’aide de l’API du driver SLSC. Le connecteur XJ2 sert à l’interface entre les signaux, et le XJ3 sert pour les connexions haute puissance.

La RTI permet la connectivité des modules SLSC au matériel de mesure NI. Les applications peuvent utiliser différentes RTI de NI et de tiers, ou une conception personnalisée. Concevoir ses propres RTI permet au concepteur de système de réduire la quantité de câbles et le câblage point à point dans les systèmes.

Le diagramme ci-dessous illustre les connexions de la RTI à la référence externe, à l’appareil de mesure et au module SLSC-12201.

Kit de développement de modules SLSC

Le kit de développement de modules (MDK) pour le SLSC fournit aux concepteurs des contraintes de conception détaillées pour parvenir à une interopérabilité du système avec d’autres modules et produits de l’écosystème. Pour créer des modules, l’utilisateur doit avoir accès à un MDK valide de NI. Pour plus de détails sur la façon d’obtenir le MDK, veuillez contacter NI.

Châssis PXIe avec LabVIEW 2015 et PXIe-7822R

Le PXIe-7822R est un matériel d’E/S reconfigurables (RIO) doté d’un FPGA programmable par l’utilisateur pour un traitement embarqué et un fonctionnement flexible des E/S. Avec LabVIEW FPGA, vous pouvez configurer individuellement les lignes numériques en tant qu’entrées, sorties, compteurs/timers, PWM, entrées d’encodeur ou protocoles de communication spécialisés. Vous pouvez également programmer une prise de décision embarquée personnalisée qui s’exécute avec une vitesse et une fiabilité cadencées par le matériel. Pour ce projet, nous utilisons DIO0 comme sortie PWM et DIO1 comme entrée PWM.

SLSC-12201

Le SLSC-12201 est un module de conditionnement de signal numérique conçu pour fonctionner avec les périphériques NI d’E/S numériques (DIO). Voici un diagramme et une image du module.

Le module est configurable via le bus SLSC en tant que sortie ou entrée. En tant que sortie, il est capable d’amplifier les signaux numériques sur l’une des deux références externes (Vsup_x). Le circuit de sortie peut également être programmé pour fonctionner en 3 modes : Push, Pull, ou Push-Pull.

En tant qu’entrée, le module est par défaut en position de Pull-down, mais il est possible de configurer un Pull-up programmable. Le seuil du signal en entrée est programmable pour fonctionner comme une entrée TTL 5 V standard ou comme plage étendue avec seuil programmable.

La référence externe (Vsup_x) peut être programmée sur l’un des deux groupes de 8 voies chacun.

Pour cette configuration, nous utilisons Vsup_1 qui est connecté à 24 V sur le connecteur JR1 du connecteur RTI 12301.

Pour ce projet, nous utilisons P0.0 en tant que sortie PWM mise à l’échelle, et P0.1 en tant qu’entrée PWM mise à l’échelle.

RTI-12301

La RTI-12301 est utilisée pour faire correspondre les signaux du module PXIe-7822R à l’aide d’un câble SHC68-C68-RDIO2 standard au module SLSC-12201. Ceci pour attribuer DIO0 PXIe-7822R sur le PXIe-7822R à P0.0 sur le module SLSC-12201 et attribuer DIO1 à P0.1.

SLSC-12101

Le SLSC-12101 est un module de prototypage destiné à aider les développeurs de modules SLSC à concevoir rapidement des prototypes. Le module est divisé en 4 zones de prototypage sur lesquelles les utilisateurs peuvent créer des prototypes de circuits en soudant des composants directement sur chaque zone, ou en installant une carte fille.

Le module respecte toutes les exigences de compatibilité de niveau 2 définies par les spécifications de conception de module SLSC et est acheminé de manière à atteindre également la compatibilité de niveau 1 si le développeur de module respecte les exigences de signalisation d’un panneau arrière E/S entièrement compatible. Ces exigences sont décrites au chapitre 11 de la documentation de conception du module SLSC.

Le module comporte 4 zones (banks) vierges pouvant être utilisées pour le prototypage, comme illustré dans l’image ci-dessous :

Pour cet exemple, nous avons construit le circuit présenté ci-dessous sur la zone 1. Le but de ce circuit est d’ouvrir ou de fermer le relais SPDT en simulant un circuit ouvert pour notre signal PWM. Le relais nécessite 24 V à 15 mA pour stimuler le relais qui est alimenté par le transistor 2N3904 NPN. Le transistor est activé à l’aide de la broche 23 de CPLD.  

Voici le schéma des broches utilisé sur le SLSC-12101.

XJ2 : Broche a1 = Signal en sortie PWM mis à l’échelle+ » J1 Broche1

XJ2 : Broche b1 = Signal en sortie PWM mis à l’échelle- » J1 Broche16

XJ2 : Broche d1 = Signal en entrée PWM mis à l’échelle+ Retour » J2 Broche3

XJ2 : Broche e1 = Signal en entrée PWM mis à l’échelle- Retour » J2 Broche18

RTI-12305

La RTI 12305 est utilisée pour faire correspondre les signaux d’un SLSC à l’aide d’un connecteur à 44 broches situé sur le panneau avant du module SLSC. Ceci est utilisé pour les connexions par wrapping telles que l’insertion de défauts ou la commutation.

Bloc d’alimentation externe, câbles HD 44 et blocs de connecteurs HD 44

L’alimentation externe est fournie par une alimentation 24 V CC de NI (PSU 15) et les signaux sont câblés par des câbles point à point HD 44 vers un bloc de connecteurs Phoenix HD 44.

Le logiciel de ce projet est divisé en trois sections : la première section indique la programmation requise pour le SLSC-12201, la deuxième, le code LabVIEW requis pour créer les signaux PWM et la troisième, comment utiliser le SLSC-12101 pour l’insertion de défauts.

Programmation du SLSC-12201

Description des capacités du module

Chaque module SLSC est configuré par des propriétés et des commandes réparties entre les capacités du module et les capacités du canal physique. Ces fonctionnalités sont stockées dans la mémoire non volatile (NVMEM) du module, ce qui évite d’avoir à installer une couche logicielle spéciale pour utiliser le module. L’API du SLSC permet de contrôler les fonctionnalités du module.

L’utilisation de l’exemple d’envoi « Show Command and Property Tree.vi » permet à l’utilisateur d’obtenir toutes les propriétés et commandes du module SLSC-12201.

Programmation du SLSC-12201

La première étape consiste à configurer le sens de la ligne 0 du port 0 sur une sortie numérique. Il s’agit du chemin de la sortie PWM :

L’étape suivante consiste à configurer le sens de la ligne de connexion sur une entrée numérique. Il s’agit du chemin de l’entrée numérique :

Le code suivant attribue le Vsup_0 à la banque 0. Le Vsup_0 est connecté à l’alimentation externe 24 V. Le VI définit également le seuil haut/bas sur 12 V.

Notez que ce code utilise la commande « NI.UpdateChannelConfiguration ». Ceci valide toutes les propriétés de configuration précédentes et permet la configuration simultanée des canaux numériques et des groupes de voies.

Programmation du PXIe-7822R

Sortie PWM

Le code LabVIEW FPGA suivant explique comment générer un signal de sortie PWM :

Mesure PWM

L’entrée PWM est mesurée à l’aide du diagramme ci-dessous. Pour plus de détails sur la création de firmware PWM pour les périphériques NI de la Série R, consulter le lien suivant : http://www.ni.com/example/5963/en/

Programmation du SLSC-12101 et de l’application hôte

Commutateur de déconnexion

Ce code contrôle le relais et peut insérer des défauts de circuit ouvert à la demande de l’utilisateur ou en fonction des programmes de séries de tests. Le code ci-dessous utilise une structure d’événement (pour éviter de générer du trafic inutile sur le châssis SLSC) :

Application hôte

Le système final pour cette application simple peut être observé ci-dessous.  Ceci illustre le panneau avant de LabVIEW.

Ce white paper explique comment utiliser l’architecture SLSC pour ajouter des éléments supplémentaires au chemin du signal d’un système de test à l’aide de l’architecture SLSC de NI.

La liste suivante répertorie les composants matériels et logiciels utilisés :

1. Documentation sur la conception du module SLSC (disponible auprès de NI lors de l’achat du produit, numéro de référence 785205-01)
2. SLSC-12001 - Guide de démarrage et spécifications
3. SLSC-12201 - Guide d’initiation
4. SLSC-12101 - Guide de l’utilisateur
5. Exemple de modulation de largeur d’impulsion - Personnalité DAQ