使用NI LabVIEW FPGA 與智能 DAQ的自動高電壓電擊測試

Author(s):
David Hakey - Medtronic, Inc.
Patrick J. Ryan - Medtronic, Inc.
Johnny Maynes - Medtronic, Inc.

Industry:
Electronics, Biotechnology

Products:
NI-VISA, LabVIEW, FPGA Module, PXI-7811R

The Challenge:
   構成自動化的高電壓 (HV) 電擊器測試系統(tǒng)，以個別測試 12 組 HV 電擊器模塊，并可測試不同的產品類型，縮短整體測試時間。

The Solution:
   使用 NI LabVIEW FPGA 軟件與 NI 智能數(shù)據(jù)采集 (DAQ) 硬件，建立非同步化的環(huán)境；所有的 12 個模塊均具有獨立通訊埠，并可自動執(zhí)行作業(yè)。

Medtronic 公司的測試工程團隊必須研發(fā)自動化的 HV 電擊器測試解決方桉，且共 12 個測試模塊能夠個別測試 1 ~ 4 種不同的產品，以縮短整體測試時間。透過 LabVIEW FPGA 與 NI 智能DAQ硬件，團隊將模塊通訊速度從 20 KHz (平行通訊埠) 大幅提升至 1.7 MHz (FPGA)，而縮短整體測試時間。

    前款手動系統(tǒng)即透過平行通訊埠同步執(zhí)行 12 個模塊，僅可測試 1 種 HV 電擊器，且測試 12 組儀器需耗時 135 分鐘。新的自動化系統(tǒng)可透過 FPGA 數(shù)位 I/O 通訊功能，非同步執(zhí)行 12 個模塊，并于 48 分鐘內測試最多 4 種不同類型的共 12 項裝置。重入碼測試序列器 (Reentrant test sequencer) 與測試程式可獨立控制各測試模塊，因此可由自動化裝置操作 (Handling) 系統(tǒng)引導進行各組測試作業(yè)。執(zhí)行測試的主機電腦整合自動化裝置操作系統(tǒng)，與 HV 電擊器測試系統(tǒng)。

測試自動化
    AeroSpec 測試自動化操作系統(tǒng)將負責從 4 組輸入盤 (Input tray) 中取出待測裝置 (DUT)；透過光學自行辨識 (OCR) 功能讀取 DUT 序號；將 DUT 載入或卸載 12 組測試模塊之一；最后根據(jù)測試結果，將 DUT 置于 12 組輸出盤之一。4 項不同的產品可設定于 4 組輸入盤中，每輸入盤可容納 20 組裝置。

    Test executive 系統(tǒng)為主控制器，可提供使用者界面、主導測試模塊的負載與卸載程度，并讓 Test manager 針對實際裝置或裝載于測試模塊的裝置，進行 HV 電擊器測試。

   Test manager 將決定受測產品，并將該筆資訊送至 Test executive，讓操作者選擇要進行測試的產品。操作者根據(jù)各系統(tǒng)設定以載入產品并開始測試，測試處理器接著將 DUT 載入至測試模塊中。一旦載入 DUT，即開始于特定模塊中進行測試。Test executive 與測試處理器將于測試期間持續(xù)載入剩下的 DUT，Test manager 將跟著測試每組 DUT 直至完畢。Test manager 可動態(tài)調用最多 12 組重入碼測試序列器 (Test Sequencer)，并接著動態(tài)調用重入碼獨立測試程序。Test manager 將依據(jù)測試執(zhí)行檔啟動測試程序 (Test executive)。

    系統(tǒng)將管理于 LabVIEW 圖形化程式設計環(huán)境中管理所有測試模塊與 DUT。各測試模塊均具有靜態(tài)屬性集，其中數(shù)值將根據(jù)產品類型、測試階段、硬體設定，與其他處理屬性而有所變化。當目前 DUT 的測試作業(yè)結束，測試系統(tǒng)將關閉記憶體內的測試佇列。Test manager 將監(jiān)控測試狀態(tài)，并于 DUT 完成測試時通知 Test executive 測試通過/失敗狀態(tài)。Test executive 將接著讓測試器卸載 DUT，并將之放置于輸出盤 (Output tray) 中。.接著另 1 組 DUT 將載入至測試模塊，以進行下個測試循環(huán)。各 12 個測試模塊均獨立進行 DUT 載入、測試，與卸載循環(huán)。自動化測試器則會將載入/卸載作業(yè)要求排入佇列。

    共 2 組 NI PXI-7811R 模塊 則透過序列通訊 (SPI) 與 JTAG，分別溝通測試模塊與 DUT。此 2 個 NI PXI-7811R 模塊均執(zhí)行相同的 LabVIEW FPGA 程序，但具有不同的同步機制 (Semaphore) 與 NI-VISA 來源可控制該模塊。

    Test sequencer 將從測試程式中動態(tài)呼叫測試案例 (Test case)，以控制 DUT 測試作業(yè)。由于記憶體必須容納測試程式與最多 12 組重入碼或 Test sequencer 的獨立備份，因此必須犧牲些許系統(tǒng)效能，以囊括所有 subVI 或 subfunction 重入碼。僅這些 subVI 即可形成系統(tǒng)瓶頸，或包含可產生重入碼的總體 (Global) 功能。此解決方桉則可降低整體系統(tǒng)記憶體的使用率，以提升相關效能。所有 Test sequencer 與測試程式均使用相同 FPGA，因此系統(tǒng)使用同步機制 (Semaphore) 或稱為載具 (Token)，以控制各 PXI-7811R 模塊。

    所有 VI 均必須存取 FPGA 程序，以初始化該同步機制。各 FPGA 系統(tǒng)均具有獨立同步機制，可讓群組 A (1 ~ 6) 中的 1 個模塊存取第一個 FPGA 系統(tǒng)；而群組 B (7 ~ 12) 的 1 個模塊則幾乎同步存取第二個 FPGA 系統(tǒng)。每組 FPGA 的互動作業(yè)極為短暫 – 約幾個毫秒 (Millisecond)；因此該方式適于分配 FPGA 來源程序，以支援 12 組對等程式。各模塊的各個測試程序約有 600 個 FPGA 互動作業(yè)。FPGAs 可非同步高速執(zhí)行 12 個模塊，以處理系統(tǒng)可負荷的所有流量。