使用多功能 PXI I/O 套組實作精巧彈性的自動化測試系統

若要實作多功能自動化測試系統來針對工業、消費性、汽車、醫療和其他電子系統進行設計驗證、元件測試和生產測試，必須使用多種測試與量測儀器。此外，現今的設計採用大量感測器，因而需要多個類比與數位通道，且指定測試台必須能以符合成本效益的方式輕鬆擴充。

使用獨立測試設備達成這些要求並不容易。設計人員可以選擇採用像是 PCI eXtensions for Instrumentation (PXI) 等標準化尺寸的模組化作法。如此一來便可為快速變化的多功能多通道測試環境，提供靈活性與生產力增益，同時維持最低成本。

本文將簡單介紹 PXI，並以範例測試設定來強調其優勢，隨後會介紹 NI 推出的 PXI 多功能 I/O 套組，並說明其設定方式。

為何要使用 PXI？

由於測試台日益複雜，若使用獨立設備就需要搭配多個螢幕、前面板、線路，以及運作緩慢的儀器電腦介面。這會引起混淆與非必要的錯誤，不僅會延長測試時間，更會降低生產力。此外，若要更新或重新設定「機架堆疊式」測試系統，以新增像是更多通道等特點時，也很困難且昂貴。單一功能的儀器則需更換整部儀器才能改變功能，且相關的通訊、同步以及程式重新編寫作業也會讓問題更加複雜。

PXI 儀器以標準與小巧尺寸提供所需功能。在此情境下，諸如類比與數位輸入／輸出 (I/O) 通道等多個儀器，可並排安裝在常見的機殼中。PXI 亦簡化了諸如示波器、三用電表和訊號產生器等更複雜儀器的加裝與整合作業。儀器可透過共用的匯流排結構進行內部通訊，確保同步運作，在此同時，執行整合軟體的電腦亦可透過共用螢幕來控制所有儀器。

常見的測試情境

舉例來說，多功能 I/O 模組處理的測量類型包括智慧動作控制系統的變速驅動器 (VSD)，其需要使用多種感測器類型 (圖 1)。

圖 1：採用多種類比與數位感測器的 VSD 需經過測試與功能驗證。(圖片來源：Art Pini)

對 VSD 感測器元件進行測試可確保馬達溫度、轉速、軸位、扭力和振動位準感測器正確運作。大部分的感測器輸出皆為類比訊號，且訊號頻寬小，不到 1 MHz 。像是異向磁阻 (AMR) 電流感測器與軸位感測器等類比感測器就採用電阻橋，且需在測量儀器中使用差動輸入。某些感測器 (例如轉速計) 可能採用數位架構，因此需要使用一或多個數位輸入進行監測。

多功能 I/O 測試模組非常適合這些感測器類型，且提供可匹配類比感測器輸出的類比電壓範圍、頻寬和取樣率。這些模組還包含數位 I/O 通道，其取樣率大於受測數據傳輸率。

在機器人、汽車和工業環境等應用中會使用多種感測器，因此也有類似的測試要求。

多功能 I/O 測試套組

NI 推出的 PXI 套組包括一個五插槽 PXI 機殼以及兩款 NI 多功能 I/O 模組之一。PXI 多功能模組提供一套兼具類比 I/O、數位 I/O、計數器／計時器和觸發功能的組合 (圖 2)。

圖 2：PXI 多功能 I/O 套組提供獨立的自動化測試與量測系統，包括一個多功能 I/O 模組以及四個可加裝儀器的空插槽。(圖片來源：NI)

機殼提供電源與內部匯流排結構，可透過本身背板連結所有模組。PXIe 匯流排可讓多個儀器達到觸發與同步。PXIe 隸屬於 PXI 的分支，採用高速序列介面，而非 PXI 的平行數據匯流排。Thunderbolt 3 介面可透過 USB 3.0 連接器快速介接電腦。配備兩個 USB 3.0 連接器，能以菊鏈方式連接多個 PXIe 機殼。配備四個空插槽，可容納諸如示波器、數位三用電表、波形產生器、多工器開關、電源量測單元和電源供應器等其他儀器。

例如，NI 的 867123-01 多功能 I/O 套組就含有一個 PXIe-1083 五插槽機殼、一個 PXIe-6345 多功能 I/O 模組以及相關纜線。另外，867124-01 套組採用相同的機殼與佈線，但其使用的 PXIe-6363 模組在前面板備有輸入大量端接連接器 (圖 3)。

圖 3：PXIe-6363 多功能 I/O 模組的細節圖片，包含前面板的輸入大量端接連接器視圖。(圖片來源：NI)

兩種產品套組之間的差異如下：類比輸入通道數、類比輸出通道數、數位 I/O 通道數，以及最大取樣率 (kS/s 與 MS/s) (表 1)。

表 1：PXIe-867123 與 PXIe-867124 多功能 I/O 套組之間的比較。(表格來源：Art Pini)

類比通道

兩款套組皆採用相同的類比輸入 (AI) 通道內部配置。會透過多重輸入通道共用單一類比數位轉換器 (ADC)，其使用類比多工器 (Mux) 對各個輸入進行定序 (圖 4)。

圖 4：類比通道輸入的配置包含一個 Mux，會將個別配置的輸入轉送至單一 ADC。(圖片來源：NI)

透過前面板 I/O 連接器連接輸入訊號。此外還提供 AI 感測連線與 AI 接地功能，可建立準確的量測參考位準。Mux 會選擇其中一個類比輸入，可以是適合多重量測的單一通道，或是適合定序量測的多重通道。可透過類比輸入配置選項來轉送選定通道。共有以下三種輸入配置：差動、參考單端 (RSE) 或非參考單端 (NRSE)。若是浮動電源，建議採用差動連接，會在可用的類比輸入中使用兩個作為反相與非反相差動輸入。差動輸入並未參考接地，且可連線至浮動電源。差動輸入配置可抑制共模雜訊。

RSE 輸入配置會將反相輸入 (AI-) 單點接地，可針對浮動電源採用 AI 接地，不然就是針對接地型電源採用電源接地。

浮動電源用的 NRSE 配置會將 AI- 輸入連接至電源的負極端子，並透過電阻式的返回 AI 接地連接至 AI 感測線路。針對接地參考電源，AI- 端子會直接連接至電源接地端與 AI 感測線路。

系統會將已配置的輸入轉送至 NI 可編程增益儀表放大器 (NI-PGIA)，即可放大或衰減傳入訊號，以配合 ADC 的輸入電壓範圍。針對類比訊號，共有七種可編程輸入電壓範圍，介於 ±100 mV 與 ±10 V。每個輸入訊號通道的輸入範圍皆可各自編程，且增益會隨著輸入訊號而變化。NI-PGIA 可針對所有輸入電壓範圍將趨穩時間減至最低，以達成最高的電壓量測準確度。

兩個數位轉換器的 ADC 皆採用 16 位元振幅解析度。類比訊號會量化為 65,536 個潛在位準。這可在 ±10 V 電壓範圍內提供 320 mV 的解析度，並在 ±100 mV 範圍內提供 3.2 mV 的解析度。

ADC 的數位化輸出會儲存在 AI 先進先出 (AI FIFO) 記憶體。

多功能模組亦具備類比輸出 (AO) 能力。可提供兩個或四個類比輸出，視型號而定且採用共同輸出時脈 (圖 5)。

圖 5：在典型類比輸出級中，AO FIFO 記憶體緩衝區會保留從主機下載的波形取樣值。(圖片來源：NI)

AO FIFO 記憶體緩衝區會保留從主機電腦下載的波形取樣值。將取樣值儲存於 FIFO，表示無需電腦連線即可輸出類比波形。「AO 取樣時脈」會針對從 FIFO 傳送至數位類比轉換器 (DAC) 的資料執行計時，並將數位取樣值轉換成類比電壓。使用「AO 參考選擇」變更類比輸出範圍。「AO 參考選擇」可設為 10 V 或 5 V，或者亦可透過類比 PFI (APFI) 套用外部參考。

數位通道

數位通道包含輸入與輸出功能，可擷取或產生共同線路上的數位訊號 (圖 6)。

圖 6：雙向數位 I/O 線路 (P0.x) 可擷取和產生數位訊號。(圖片來源：NI)

P0.x 線路可搭配靜態或高速數位線路運，當作輸入或輸出。PXIe-63xx 系列模組還配備十六個可編程功能介面 (PFI) 線路，可供使用者配置成 PFI 介面或數位 I/O 通道。當作輸入時，PFI 通道可針對類比輸入、類比輸出、數位輸入、數位輸出或是計數器／計時器功能，轉送外部來源。當作輸出時，可將眾多類比輸入、類比輸出、數位輸入、數位輸出或是計數器／計時器功能轉送至各個 PFI 端子。

這些線路全部都支援 2.2 V 至 5.25 V 的邏輯高位準，以及 0 V 至 0.8 V 的邏輯低位準。數位線路時脈頻率最高可達 10 MHz。

每個數位線路皆配備數位濾波器，可用來對數位輸入訊號解彈跳。根據使用的濾波器時脈頻率而定，共有以下三種濾波器設定：短、中、高。「短」設定可確保大於 160 ns 的脈寬可通行，「中」設定可讓 10.24 ms 及以上的脈寬通行，「高」設定可讓 5.12 ms 及以上的脈寬通行。脈寬若不到通行脈寬的一半，則保證會遭到抑制。

接下來讓我們回頭探討 VSD 馬達範例，數位輸入可用於解碼軸位。可透過光學編碼器的數位輸出來讀取軸位。光學編碼器具有以下三種數位輸出：一個每轉一次的索引脈衝，以及兩個具有 90˚ 相位差的方波 (稱為正交輸出)。正交輸出通常會稱為「A」與「B」。將索引脈衝與正交輸出互相結合，即可計算出絕對軸方向與旋轉方向。

計數器／計時器

兩種 PXIe 模組皆包含四個通用 32 位元計數器／計時器級，以及一個頻率產生器級。每個計數器／計時器級共有八個訊號輸入路徑，且提供十四種可用的訊號作為計數器計時器輸入。選定的訊號必須套用至時脈；不提供計數器／計時器倒數功能。計數器／計時器可用於計數邊緣、測量頻率或期間，或是取得像是寬度、工作週期或邊緣間隔時間等脈衝量測值。

有個計數器／計時器應用範例，即在 VSD 馬達圖例中測量來自光學編碼器的索引脈衝頻率。可調整頻率，以每分鐘轉速為單位來讀取馬達轉速。

頻率產生器或計數器的輸出可產生簡易脈衝、脈衝列、恆定頻率、分頻，或是等效時間取樣 (ETS) 脈衝串流。

ETS 脈衝串流會產生脈衝輸出，且計數器閘極脈衝會產生增量延遲。這可為重複波形提供採樣計時，針對頻率高於數位轉換器奈奎斯特頻率的類比輸入，提供較高的取樣率。

軟體支援

有多個軟體套裝可支援多功能 I/O 模組。NI 的 LabVIEW 可提供圖形化編程環境，可簡化數據採集、處理和分析作業。此外還可建立互動式使用者介面，可用於測試、監測、控制和資料封存。

針對想要產生專屬程式碼的使用者，NI 提供可支援選定程式設計語言的驅動程式，包括 Python、C、C++、C#、.NET 和 MATLAB。

NI 還提供名為 FlexLogger 的無程式碼軟體套件。FlexLogger 能讓使用者透過內建的處理工具與客製化儀表板，檢視、儲存和分析測試資料。其具備的能力可針對測量值設定限值，也可針對超出限制的情況發出警示。FlexLogger 亦可讓使用者自訂使用者介面的視覺化工具，包括新增圖表、數字指標和儀表 (圖 7)。

圖 7：FlexLogger 可顯示使用加速計和轉速計測量的馬達振動量測值，藉此查看機械諧振。(圖片來源：NI)

圖片上方的畫面指出帶刻度的振動位準 (單位為 g) 與時間的關係。轉速計會以 RPM 為單位測量轉速，其讀數會以右下方的數位計顯示。在下方圖表中，振動資料的快速傅立葉變換 (FFT，一種可用的訊號處理工具) 可顯示出振動位準與頻率的關係。

結論

針對需要大量 I/O 的應用，測試系統必須適應不斷變化的要求。NI 的多功能 I/O 套組可建立多通道自動化測試系統的基礎，提供類比與數位輸入及輸出通道與多個計數器／計時器的組合。採用 PXIe 機殼並配備額外插槽，可裝入其他模組化測試與量測儀器，讓使用者享有必要擴充性，達到符合成本效益的測試。