Nová éra automatizovaného testování

Po dobu více než 30 let je technologická komunita svědkem platnosti Moorova zákona.

Skutečnost, že se počet tranzistorů na čipu každých 18 měsíců zdvojnásobí, vedla k významným pokrokům ve výkonnosti elektroLabnických zařízení. To je patrné nejen na nejnovějších procesorech Intel i7, ale také na celkové miniaturizaci technologií (např. disků SSD 64 GB), které nyní mají velikost poštovní známky. Tyto technologické pokroky znamenají významné úspory nákladů. Například LCD obrazovky, které dříve stávaly stovky dolarů, jsou nyní součástí levných blahopřání. S přístroji, které jsou rychlejší, menší a stojí méně než kdy dříve, průmysl zažívá explozi nových produktů, které kombinují funkčnost drobných praktických doplňků, jakými je např. GPS, digitální fotoaparát a telefon, do jediného integrovaného nástroje. Navíc jsou tyto nástroje softwarově konfigurovatelné a uživatelé si mohou stahováním aplikací jednotlivá zařízení přesně přizpůsobit svým požadavkům.

S rostoucím počtem technologických inovací je úzce spojeno testování každé nově přidané funkce. Například při přidání bezdrátové funkce LAN do nové generace produktů se zpravidla aplikuje 50 nových testů, které je nutno uskutečnit ve stejné době, jako testy předchozí generace produktu. Moorův zákon je naštěstí platný i pro nové generace testovacích platforem a virtuální instrumentaci. Testovací systémy založené na softwarově definovaných řešeních a virtuální instrumentaci jsou bez problému schopny držet krok v testování nejnovějších technologií.

Od stojanů s naskládanými přístroji až po PXI

Po desítky let technici sestavovali automatické testovací systémy tak, že vzali klasické „krabicové“ měřicí přístroje, které používali na měřicím pracovišti, a jeden na druhý je naskládali do stojanu (rack). Stojan je prostřednictvím rozhraní měřicích přístrojů připojen k počítači, kde se systém automatizuje softwarovým programem. Tyto stojanové sestavy jsou sice funkční, ale měřicí přístroje se v nich nevyužívají podle původního záměru.

Klasické měřicí přístroje byly navrženy k použití na měřicím pracovišti, pro případy, kdy chce technik zařízení ručně testovat nebo vyhledat závadu. Obrazovky, ovladače a tlačítka nástrojů ve stojanu často znamenají plýtvání prostorem a penězi. Tyto přístroje dále nebyly navrženy k rychlému měření a velké datové propustnosti vyžadované v automatizovaných aplikacích. Na vývojovém pracovišti představuje 10 sekund měření zanedbatelnou hodnotu, ale při testování tisíců přístrojů na výrobní lince se může jednat o ztráty v řádu stovek tisíců dolarů.

Obr. 1 Na rozdíl od klasického stohování přístrojů do stojanu mohou technici výkonnost systému PXI v průběhu jeho životnosti zvýšit – výměnou kontrolerů podle nejnovějších požadavků na kapacitu zpracování

Během několika posledních let dosáhl průmysl v automatizovaném testování bodu zlomu a nyní uskutečňuje rozsáhlý přechod na platformu PXI. Platforma PXI je optimalizovaná pro automatické testování, poskytuje řešení, které je rychlejší, menší a ekonomicky mnohem výhodnější, než stojanové uspořádání. Například, když společnost Harris RF Communications, dodavatel vícepásmových taktických radiostanic pro vojenské využití, nedávno zaznamenala zvýšenou poptávku po svých vysoce výkonných stanicích řady Falcon, přišla s požadavkem na dokonalejší metodu zkoušení, při níž by se počet současně testovaných radiostanic zvýšil. Společnost Harris postavila nový testovací systém na platformě PXI a softwaru pro správu testů NI TestStand. Díky produktům National Instruments byla společnost Harris schopna zvýšit počet zkoušených radiostanic a snížit náklady na testování jednoho kusu o 74 procent.

Nejnovější průzkum společnosti National Instruments jednoznačně prokázal nástup platformy PXI. V průzkumu se více než 70 procent manažerů testování vyjádřilo, že budou nové testovací systémy založené na platformě PXI využívat jako jádro nejméně v jednom ze svých budoucích automatizovaných testovacích systémů. Naproti tomu stojí pouhých 30 procent manažerů testování, kteří budou ve svých automatizovaných testovacích systémech nadále pokračovat v používání přístrojů uspořádaných do stojanů.

Obr. 2 Nový modul NI PXIe-5665 představuje řešení s oborově nejvyšší vf výkonností, které je o 40 procent levnější než srovnatelná řešení se stojanovým uspořádáním, a zabírá 1/10 jeho rozměrů

Prodejci tradičních měřicích přístrojů chystají také rozsáhlé investice do systému PXI. Například společnost Agilent Technologies zveřejnila v září 2010 svůj úmysl zavést platformu PXI a uvést na trh více než 40 modulů. Společnost Agilent se přidala k více než 60 výrobcům sdružených v alianci PXI Systems Alliance, která investuje a propaguje otevřený multiplatformní standard PXI.

Moorův zákon počítá s platformou PXI i do budoucna

Systém PXI má z Moorova zákona při využití standardní běžné technologie obrovský prospěch. S tranzistory 2 000× menšími, než s tranzistory vyráběnými před 20 lety, poskytuje řešení NI vysoce výkonný systém vf měření v kompaktním 3U provedení, které je 10× menší než srovnatelné měřicí pracoviště. To znamená úsporu prostoru, hmotnosti a spotřebované energie. Když společnost Analog Devices přešla při testování svých mikrofonů MEMS z tradičního automatického zařízení (ATE) na systém PXI, hmotnost jejích testovacích systémů se snížila 66× a spotřeba energie 16×. Jenom přepravní kontejner pro předchozí systém ATE stál tolik, co celý nový testovací systém PXI.

Platnost Moorova zákona je zřejmá také z kapacity systému PXI. Díky modulární architektuře kontrolerů mohou technici rozšířit kapacitu zpracování pouhou záměnou kontroleru – konstrukce a uspořádání měřicích přístrojů budou zachovány. Zvýšení výkonnosti lze snadno dosáhnout výměnou systému – systém z roku 2001, který pracuje s výkonem 2,5 GFLOPS, se nahradí kontrolerem využívajícím nejnovější procesor Intel core i7 s rychlostí více než 35 GFLOPS. Vyšší výkonová kapacita je důležitá při náročných aritmetických operacích, např. při zpracování a analýze vysokofrekvenčních signálů. Například při stanovení charakteristik svých výkonových zesilovačů zaznamenala společnost TriQuint Semiconductor po přechodu z tradičního systému laboratorního měření na systém PXI 6 až 14násobné zkrácení testovacích časů GSM, EDGE a WCDMA. Pomocí modulárních nástrojů NI PXI se doba stanovení charakteristik nových částí snížila ze dvou týdnů asi na jeden den.

Kromě menších a rychlejších řešení posouvá PXI neustále hranice výkonnosti měření na všech platformách. Nový vektorový analyzátor signálu (VAS) NI PXIe–5665 poskytuje nejlepší vf výkonnost ve své třídě, včetně špičkových parametrů fázového šumu, amplitudové přesnosti a dynamického rozsahu. VAS se může pochlubit vynikajícími parametry a výkonem a oproti klasickým řešením nabízí 40procentní úsporu nákladů a 90procentní úporu místa. Jiným příkladem vynikající měřicí technologie je nový digitizér NI PXIe–5186. Modul NI PXIe-5186 vyvinutý ve spolupráci společností National Instruments a Tektronix ™ (přední světový výrobce osciloskopů), je nevýkonnějším digitizérem PXI na trhu. Dosahuje šířky pásma 5 GHz a vzorkovacího kmitočtu až 12,5 GS/s.

Vývoj softwaru

I když systém PXI poskytuje rychlejší, menší a mnohem rentabilnější možnost, jeho skutečná síla spočívá ve výhradně softwarově definovaném řešení. Na rozdíl od tradičních měřicích přístrojů s fixní a dodavatelem stanovenou funkčností je funkčnost testovacích systémů PXI dána softwarově dle jednotlivých aplikací. Stejným způsobem, kterým si technici mohou stahovat aplikace do svých inteligentních telefonů, si nyní mohou sami přesně upravovat testovací systémy pro zkoušená zařízení.

Obr. 3 Testování složitých systémů (např. WLAN na čipu) vyžaduje nové úrovně abstrakce a možností testovacího softwaru

Vývoj softwaru pro systémy PXI pokračuje současně s rostoucí složitostí zkoušených zařízení. Když technici testují zařízení, jakým je např. systém WLAN na čipu (SOC), se již pro ověření funkčnosti jednotlivých součástí nepoužívají jednoduché testy založené na stimulaci a odezvě. Ale naopak musí testovací systémy často komunikovat v reálném čase prostřednictvím digitálních protokolů (např. I2C, PCI Express a SPI) a provádět testy zařízení spolu se sychronizací VF měření. Modelování, řízení a testování těchto systémů při této úrovni složitosti vyžaduje nové úrovně softwarové abstrakce.

Toto však naštěstí umožňují nástroje, mezi něž patří např. grafické vývojové prostředí NI LabVIEW. Stejné grafické vývojové prostředí používané k řízení měřicích přístrojů již 25 let poskytuje zkušebním technikům možnost modelovat složité systémy stimulacemi a odezvami, včetně přesného časování a synchronizace. Mimo jiné mohou technici v LabVIEW programovat hradlová pole FPGA pro přímé zpracování signálu, komunikaci pomocí zákaznických protokolů a mnoho dalších funkcí.

Moorův zákon stanoví, že nově vyvinuté přístroje jsou rychlejší, menší a levnější než kdy dříve. Aby se svými zkoušenými přístroji udrželi krok, zkušební technici musí přejít na testovací systémy na bázi PXI.