Sistema di Test ad Architettura Aperta per Schede Elettroniche ad Alte Prestazioni

Author(s):
A. Cardinale - GALILEO AVIONICA

Industry:
Aerospace/Avionics

Products:
High-Speed Digitizers, Modular Instruments, Serial, LabVIEW, Reconfigurable I/O, PXI/CompactPCI, FPGA Module

The Challenge:
Realizzare un sistema di collaudo automatico da utilizzare per il test ricorrente di produzione di schede elettroniche. I presupposti per l’inizio dell’attività sono stati: - la potenzialità del sistema di soddisfare i continui requisiti prestazionali richiesti dai nuovi progetti con un impatto trascurabile sul pregresso; -la possibilità di concentrare su un’unica postazione integrata tutta la strumentazione necessaria al collaudo dei moduli; -la disponibilità di un ambiente software di sviluppo stabile ed orientato al controllo della strumentazione; -la necessità di ridurre in modo consistente lo sviluppo di soluzioni hardware dedicate.

The Solution:
La macchina di test sviluppata è destinata al collaudo di fine linea di schede elettroniche multiprocessore. Gli strumenti presenti nel sistema sono in formato PXI e gestiti in ambiente NI LabVIEW. Tale soluzione ha garantito il rispetto di tutti i vincoli funzionali e prestazionali richiesti, in uno spazio contenuto e con tempi di sviluppo ridotti. L’operatore è seguito durante l’intero percorso di collaudo da un’interfaccia grafica intuitiva.

Le schede elettroniche (Unit Under Test) prese in considerazione per lo sviluppo della stazione di test sono caratterizzate dalla presenza di molteplici interfacce di comunicazioni. Uno dei punti fermi dell’intero progetto è stata quindi la volontà di massimizzare l’integrazione degli strumenti e dei relativi cablaggi con l’obiettivo di aumentare la vita utile dell’intero set-up di test rispetto all’impiego di strumentazione esterna il più delle volte condivisa da più stazioni. Tra le piattaforme prese in considerazione, quella PXI ci è apparsa subito in grado di garantire il raggiungimento di un tale obiettivo con costi comunque contenuti. La volontà di realizzare una stazione di test in grado di collaudare schede elettroniche anche molto differenti tra loro, ha suggerito la scelta conservativa del un backplane a 14 slot risultando poi, con il consolidarsi del design, anche il più appropriato. Data la relativa necessità di potenza di calcolo e storing dei dati in locale, è stato inserito un PC NI PXI-8185 in grado di garantire un’ulteriore riduzione dell’ingombro finale della stazione di collaudo. Il sistema operativo installato è Microsoft Windows 2000. Le schede elettroniche collaudate su questo sistema sono dotate di bus di comunicazione VME e la conseguenza più  naturale per mettere in comunicazione i due mondi è stato il bridge NI VME-PXI-8015 basato su tecnologia MXI-2 e costituito dai due moduli PXI-MXI-2 e VME-MXI-2. Entrambi i backplane infine sono stati inseriti in un rack ottenendo evidenti vantaggi in termini di trasportabilità e fissaggio di tutti i cablaggi necessari all’utilizzo degli strumenti.

Gli altri moduli PXI presenti all’interno del cestello sono:

- Un controllore JTAG per effettuare un primo screening statico in modalità boundary scan. L’alta densità di segnali presenti a connettore di ciascuna UUT e la presenza di un discreto numero di componenti con package BGA lasciano facilmente intuire come la verifica delle migliaia di interconnessioni elettriche rivesta un ruolo chiave nel processo di collaudo. Una tale situazione, in un’ottica di massimizzazione della copertura di test e snellimento dell’eventuale ricerca del guasto, ha condotto allo sviluppo di un’interfaccia attiva custom per ciascun modulo in collaudo. Al termine del vero e proprio collaudo boundary scan, qualora necessario, si procede con la programmazione on-board dei componenti sfruttando il medesimo hardware e software.

- Una scheda di comunicazione su bus avionico 1553 ridondato in grado di operare sia in modalità “bus controller” che di “remote terminal” in base alla tipologia di collaudo richiesta. Il collegamento delle schede mediante trasformatore e stub di terminazione permette l’aggiunta di ulteriori dispositivi da testare con un ridotto impatto sui cablaggi.

- Un oscilloscopio NI PXI-5102 in grado di misurare i parametri fondamentali di alcuni segnali di sincronizzazione generati dalle schede in particolari condizioni operative.

- Tre generatori arbitrari di funzione NI PXI-5421 caratterizzati da 16 bit di risoluzione e 100M campioni al secondo, il cui uso simultaneo e sincronizzato  permette la generazione di un segnale video sintetico multicanale. Per far questo, sono state utilizzate una serie di funzioni  presenti nella libreria del driver software NI-Video, come la decomposizione di un’immagine bitmap nelle tre componenti base e la gestione dei necessari segnali di sincronismo. I tre vettori numerici così ottenuti, di tipo I16, vengono caricati sui tre generatori arbitrari. Questa soluzione ha permesso di soddisfare i vincoli funzionali richiesti dall’applicazione garantendo, nel contempo, un’infrastruttura hw flessibile ed utilizzabile in future applicazioni senza ulteriori costi. Tale risultato non sarebbe stato raggiunto adottando soluzioni dedicate alla generazione di solo segnali video.

- Una matrice di switch con adattamento a 75ohm in grado di commutare i molteplici canali video per creare specifiche condizioni operative o più semplicemente per visualizzare i pattern di test su un monitor da laboratorio senza dover intervenire sul cablaggio del sistema.

Una scheda NI-7831R che ha permesso l’implementazione su FPGA dell’interfaccia di comunicazione digitale propria di una delle schede sotto test. La combinazione di questa soluzione hardware con il software NI LabVIEW FPGA ha permesso tempi di sviluppo estremamente rapidi senza introdurre le potenziali criticità proprie di un applicativo gestito dal sistema operativo. L’applicazione è stata portata a termine in piena autonomia ed ha con sè il naturale vantaggio di un progetto “dedicato”, senza i rischi e costi ad esso collegati. Sfruttando la naturale riprogrammabilità dell’FPGA, si utilizzano gli ingressi e uscite digitali e le porte di acquisizione analogiche in base alle esigenze contingenti di collaudo, evitando l’introduzione di ulteriori moduli dedicati.

Il modulo NI PXI-8420 necessario a garantire la comunicazione su protocollo seriale RS232 tra la scheda sotto test e la stazione di collaudo utilizzato sia per operazioni di download software che per il tracciamento delle fasi di collaudo durante l’esecuzione della sequenza di test.

L’ambiente software destinato al collaudo dei moduli sotto test, nel rispetto di tutti i vincoli prestazionali e funzionali richiesti, è stato sviluppato in LabVIEW per la naturale propensione al controllo della strumentazione. Graficamente si presenta come un’interfaccia utente di semplice  interpretazione suddivisa in più schede automaticamente selezionate con l’avanzare del collaudo.

Con l’inserimento nella maschera principale dei dati identificativi di scheda, si permette al sistema di selezionare la  sequenza di vettori di test opportuna per poi proseguire con l’inizializzazione della UUT  e l’eventuale caricamento del software di test via RS232 o ftp.

Dopo questa prima fase, parte il vero e proprio collaudo funzionale. Durante l’esecuzione della sequenza di test viene tracciato il continuo avanzamento in un’apposita finestra di log visibile dall’operatore. Gli stessi dati, completati dagli estremi temporali di inizio e fine sessione di test, sono salvati su file sotto forma di report.

L’intera fase di collaudo è automatizzata e l’eventuale intervento dell’operatore è richiesto e supervisionato dal software di controllo. Questa necessità, con l’obiettivo di ridurre il tempo uomo impiegato nel collaudo di ciascuna scheda elettronica, è realizzata mediante finestre “pop-up” attivate unicamente nella fase iniziale o finale del test.

I risultati subito riscontrati sono riconducibili alla relativa semplicità di collaudo delle schede oltre che all’eliminazione di qualsiasi fase di preparazione preliminare del banco di test tipica dei banchi che impiegano strumentazione esterna. Nel medio-lungo periodo, quest’ultima caratteristica garantirà una drastica riduzione dei problemi di collaudo riconducibili all’usura dei cablaggi.

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A. Cardinale
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