HW-Beschreibung

1.1Blockschaltbild

Das Messsystem umfasst Folgendes:

• NI Single-Board-RIO sbRIO-9602 (COTS von National Instruments) mit
  • Prozessor mit Echtzeitsoftware (LabVIEW RT)
  • FPGA für den Zugriff auf die anderen Platinen über digitale IOs und für die Datenverarbeitung (LabVIEW FPGA)
• 128x Analogeingänge in der folgenden Konfiguration, zweifach vorhanden:
  • 32 Single-Ended-Kanäle (0…32 V / 14 Bit)
    • 3 kS/s parallel / 1,2 MS/s Einzelkanal
    • bezogen auf einen GND-Knoten
  • 16 Single-Ended-Kanäle (0…32 V / 14 Bit)
    • 6 kS/s parallel / 1,2 MS/s Einzelkanal
    • bezogen auf einen zusätzlichen GND-Knoten
  • 16 differenzielle Kanäle (±48 V / 14 Bit)
    • 150 kS/s parallel / 1,2 MS/s Einzelkanal
• 88x Digitalausgänge in der folgenden Konfiguration, zweifach vorhanden:
  • 24 Relais, Schließer
  • 8 Relais, Wechsler
  • 10 FET-Ausgänge, bezogen auf System-GND
  • 2 FET-Ausgänge, galvanisch getrennt für beliebigen GND-Bezug
• 4x CAN
  • 2x High-Speed mit wählbarem Abschlusswiderstand (keiner, 120 Ohm, 60 Ohm)
  • 2x ohne Transceiver, um in der Lastbox DUT-spezifische Transceiver für High-Speed, Low-Speed oder spezielles CAN (z. B. E-CAN für Lkw) zu realisieren
• 10x seriell
  • ohne Transceiver, um in der Lastbox DUT-spezifische Transceiver für K-Line, LIN, … zu realisieren
• LVDS-Schnittstelle (3x Out, 2x In) für bis zu 6 kaskadierte Strommessmodule
• 16x Open-Collector-Ausgang zur Ansteuerung von Status-LEDs oder als Universalausgang
• 6x Digitaleingang zur Erfassung schneller digitaler Signale
• 16x digitale IOs zur Erfassung oder Erzeugung langsamer digitaler Signale

1.2Spannungsversorgung

Das Messsystem benötigt eine einzelne 24-V-DC-Versorgung bei einer Stromaufnahme von durchschnittlich ca. 700 mA, maximal 1500 mA.

1.3Interne Schnittstellen

In der Standardkonfiguration besteht das Messsystem aus einem Aluminiumträger, der 4 Leiterplatten enthält. Diese sind:

• NI-Single-Board-RIO-Platine sbRIO-9602 (COTS von National Instruments)
• Basis- und Kommunikationsplatine (von IRS entwickelte Platine)
• Digitalausgangsplatine (von IRS entwickelte Platine)
• Analogeingangsplatine (von IRS entwickelte Platine)

Die folgende Abbildung zeigt die 4 Platinen im Inneren des Messsystems

Die Platinen sind über Flachbandkabel mit den Steckleisten P2, P3, P4 und P5 des sbRIO verbunden. Zusätzlich können gemäß der folgenden Abbildung bis zu drei Compact-RIO-c-Series-Module angeschlossen werden.

Für den Zugriff auf die externen Signale der c-Series-Module können diese Signale auf einen freien 96-poligen Steckverbinder (DIN41612) auf der Basis- und Kommunikationsplatine geführt werden.

1.4Externe Schnittstellen

Alle externen Verbindungen zum Prüfling und zur Lastbox werden über 6x 96-polige VG-Steckverbinder (DIN41612) hergestellt. Der Träger kann also ohne weitere Verkabelung in die Lastbox gesteckt werden. Die Verbindung zur Kommunikation mit dem PC ist das einzige zusätzliche Kabel; es handelt sich um eine gewöhnliche Ethernet-Verbindung mit einem Standard-Ethernet-Kabel.

Das folgende Blockschaltbild zeigt einen typischen Aufbau des Messsystems in einem Lebensdauerprüfstand, in dem zusätzliche Signalkonditionierung für nicht standardmäßige Spannungsbereiche, Laststrommessungen, Analogausgänge und Kommunikations-Transceiver eingesetzt werden kann.

1.5Aufbau der Lastbox

Die folgende Abbildung zeigt die typische Anordnung des Messsystems in der Lastbox in der Seitenansicht:

In der typischen Anwendung des Messsystems werden die Ersatz- und Originallasten des Prüflings im vorderen Bereich der Lastbox auf Kühlkörpern oder anderen Lastkarten montiert. Auf der Rückseite sollten das Messsystem mit zusätzlicher Elektronik wie dem Strommessmodul sowie die Steckverbinder zum Prüfling und zur Spannungsversorgung angeordnet werden.

Die folgende Abbildung zeigt die typische Anordnung des Messsystems in der Lastbox in der Draufsicht:

Die folgende Abbildung zeigt die typische Anordnung des Messsystems in der Lastbox in der Draufsicht:

Wie in den folgenden Abbildungen dargestellt, kann das Messsystem in die DUT-spezifische Lastbox gesteckt werden

Die folgende Abbildung zeigt die Ausrichtung und die Abmessungen der VG-Steckverbinder; die richtige Position lässt sich durch Abzählen der „Löcher“ auf der Montageschiene ermitteln:

1.6GND-Konzept

Ein wichtiger Punkt beim Betrieb von Lebensdauerprüfständen ist das GND-Konzept. Das MesSy stellt ein System-GND bereit, auf das sich alle internen Signale und nahezu alle digitalen Benutzerkanäle beziehen. Für analoge Messungen stehen zusätzliche GND-Referenzeingänge zur Verfügung.

1.6.1Digitale GND-Bezüge

Nahezu alle digitalen Signale beziehen sich auf System-GND, das durch das 24-V-Netzteil festgelegt ist. Spannungsabfälle sind für digitale Signale meist weniger problematisch, sollten aber berücksichtigt werden.

Die folgende Abbildung zeigt das GND-Konzept des MesSy und seiner digitalen Kanäle:

1.6.2Analoge GND-Bezüge für die Messung

Die GND-Bezüge für analoge Messungen sind ein wichtiger Punkt, da die Spannungen durch Spannungsabfälle am Kabelbaum variieren können. Deshalb können Analogeingänge auf unterschiedliche Spannungspegel bezogen werden. Diese Signalpegel können bis zu 2,7 V über dem System-GND des MesSy liegen, das durch das 24-V-Netzteil festgelegt ist.

Unterschiedliche Referenzeingänge können auch genutzt werden, um die Spannungsmessungen auf verschiedene Prüflinge oder auf verschiedene GND-Pins eines oder mehrerer Prüflinge zu beziehen.

Beachten Sie, dass die Referenzeingänge für differenzielle Eingänge nicht relevant sind, da jeder Kanal einen eigenen Bezug hat.

1.7Basis- und Kommunikationsplatine

Die Basis- und Kommunikationskarte wurde als Träger- und Kommunikationsplatine für das sbRIO entwickelt. Neben der Versorgung und den Befestigungsbohrungen für das sbRIO bietet sie

• insgesamt vier CAN-Kanäle mit Transceiver-Enable
• bis zu 10 serielle Schnittstellen mit Transceiver-Enable
• 16 Open-Collector-Ausgänge,
• 16 TTL- und CMOS-kompatible General-Purpose-IOs,
• drei LVDS-Ausgänge und zwei LVDS-Eingänge für die Kommunikation mit den Strommessmodulen
• eine I²C-Schnittstelle für externe Elektronikmodule.
• 3 Steckplätze für Erweiterungen mit NI-Compact-RIO-c-Series-Modulen

Zwei Mikrocontroller mit ARM-Cortex-M3-Kern stellen die CAN- und seriellen Schnittstellen bereit; beide sind identisch beschaltet und haben getrennte Kommunikationsbusse sowie getrennte Reset-Signale zum sbRIO. Tiefe FIFO-Puffer für Senden und Empfangen an jeder Schnittstelle stellen sicher, dass keine Daten verloren gehen, auch wenn alle Schnittstellen gleichzeitig stark ausgelastet sind.

1.7.1Blockschaltbild

1.7.2Spezifikationen

CAN-Kommunikation

Für die CAN-Kommunikation stehen auf der Platine 4 CAN-Kanäle zur Verfügung, verteilt auf zwei Mikrocontroller. Je ein CAN-Kanal pro Controller ist als High-Speed-Kanal konfiguriert und bietet einen per Software konfigurierbaren Abschluss (offen/120 Ohm/60 Ohm) über Reed-Relais. Der andere Kanal muss extern an High- oder Low-Speed-Transceiver mit entsprechendem Abschluss angeschlossen werden.

Serielle und CAN-Kommunikationsleitungen mit externen Transceivern

Für jede der seriellen Schnittstellen sind drei Pins auf den VG-Steckverbinder geführt: RX, TX und Enable. Damit lassen sich extern Transceiver-ICs (RS232, LIN, K-Line, diskrete Pegelwandler) anschließen, die über das Enable-Signal deaktiviert werden können. Alle Signale der seriellen Schnittstellen und alle CAN-Signale für externe Transceiver erfüllen die folgende Spezifikation

General-Purpose-IOs Trig 1…16

Über einen I2C-Portexpander stehen 16 General-Purpose-IOs zur Verfügung. Alle IOs sind mit Serienwiderständen von 220 Ohm geschützt. Der Interrupt-Pin des Portexpanders ist mit dem sbRIO verbunden, um schnell auf sich ändernde Eingänge reagieren zu können. Die General-Purpose-IOs werden über einen I²C-Portexpander bereitgestellt.

Open-Collector-Ausgänge 1…16

Die Open-Collector-Ausgänge können jeweils Ströme bis 400 mA aufnehmen, begrenzt durch die maximale Strombelastbarkeit der Kupferleiterbahnen.

Wird mehr als ein Pin pro Treiber-IC verwendet, sinkt der maximal zulässige Strom. Die folgende Abbildung zeigt die Derating-Kurve bei Nutzung aller Ausgänge: Bei 25 °C sind 125 mA pro Pin zulässig, bei 85 °C etwa 60 mA.

LVDS-Schnittstelle für CMM

Für die Anbindung von LVDS-Geräten wie dem Strommessmodul CMM_II stehen drei TX-Leitungen und zwei RX-Leitungen zur Verfügung. Die Kupferleiterbahnen sind mit einer differenziellen Impedanz von ca. 100 Ohm geführt, und die RX-Leitungen sind mit 100-Ohm-Widerständen abgeschlossen.

Die Kupferleiterbahnen haben eine Breite von 350 µm und eine Dicke von 35 µm. Bei epsilon_r = 4,2 und einer Prepreg-Höhe von 475 µm beträgt der Wellenwiderstand einer einzelnen Leiterbahn etwa 80 Ohm. Ein differenziell geführtes Paar dieser Leiterbahnen mit einem Abstand von 150 µm hat eine differenzielle Impedanz von 103 Ohm.

Schnelle General-Purpose-Eingänge

Es stehen sechs TTL- und CMOS-kompatible Eingänge zur Verfügung, die mit einem High-Speed-CMOS-Puffer gepuffert sind und zur Erfassung schneller digitaler Signale verwendet werden können. Die 6 High-Speed-Eingänge sind mit einem Serienwiderstand von 1 kOhm und Doppel-Schottky-Dioden geschützt. Ein 100-kOhm-Pull-down-Widerstand sorgt für ein definiertes Potenzial, wenn die Eingänge offen bleiben. Es können Signale sowohl mit 3,3-V- als auch mit 5-V-Pegel angeschlossen werden.

I²C-Schnittstelle

Über die I²C-Schnittstelle lassen sich zusätzliche externe Elektronikmodule ansteuern.

C-Series-Module

An die drei Sub-D-Steckverbinder des sbRIO können drei C-Series-Module angeschlossen werden, um weitere Funktionen hinzuzufügen

Mikrocontroller-Flash-Schnittstelle

Diese Schnittstelle dient zum Flashen der Mikrocontroller im Selbsttestadapter. Sie ist nur für den IRS-internen Gebrauch bestimmt.

1.7.3Layout

1.7.4Anschluss an das sbRIO

Die Kommunikationsplatine ist über einen 50-poligen Steckverbinder mit der Steckleiste P2 des sbRIO verbunden. Die Pinbelegung ist wie folgt.

1.7.5Pinbelegung VG-Steckverbinder X1 (externe Signale)

1.7.6Pinbelegung VG-Steckverbinder X2 (Spannungsversorgung, Mikrocontroller-Flashing, reserviert)

Die Pins C24 bis C31 dienen zum Flashen der Mikrocontroller. Dieser Vorgang wird nur bei IRS durchgeführt. Schließen Sie an diese Pins keine Signale an.

Die Pins B23 und C23 dienen zum Anschluss zusätzlicher externer Module über I²C. Zur Verwendung der I²C-Schnittstelle siehe Kapitel 4.5.

Der Rest des zweiten VG-Steckverbinders X2 ist nahezu vollständig für künftige Verwendung reserviert, insbesondere für die Verdrahtung zusätzlicher C-Series-Module, die über drei SUB-D-Steckverbinder an das RIO angeschlossen werden und deren Eingänge auf den VG-Steckverbinder verdrahtet werden können. Zu diesem Zweck sind alle Pins des VG-Steckverbinders auf drei 32-polige Steckleisten geführt.

1.7.7Zuordnung der Kommunikationsleitungen

Beachten Sie, dass es zwei Mikrocontroller gibt, die jeweils 2 CAN-Schnittstellen und 5 serielle Schnittstellen bedienen. Die Kommunikationsleitungen sind den beiden Mikrocontrollern gemäß der folgenden Tabelle zugeordnet:

1.7.8CMM-Anschluss

Informationen zum Anschluss des CMM finden Sie in Kapitel 4.1.

1.8Analogeingangsplatine 128x

Die Analogeingangsplatine bietet 128 Analogkanäle, aufgeteilt in zwei identische Subsysteme mit je 64 Kanälen und den folgenden Eigenschaften:

• 32 Single-Ended-Kanäle (externe Referenzspannung 1), 0...32 V bei 3 kS/s gleichzeitig
• 16 Single-Ended-Kanäle (externe Referenzspannung 2), 0...32 V bei 6 kS/s gleichzeitig
• 16 differenzielle Kanäle, unterteilt in gleichzeitig abgetastete Gruppen von je 8 Kanälen, -48...48 V bei 150 kS/s parallel.

Um die Eingangsströme möglichst gering zu halten, wurde am Eingang der Single-Ended-Kanäle kein Spannungsteiler vorgesehen. Da das Signal direkt am nichtinvertierenden Eingang des Eingangsverstärkers anliegt, wird eine sehr hohe Eingangsimpedanz erreicht. Beachten Sie, dass dieser offene Eingang die Verstärker zur oberen Versorgungsschiene driften lässt, wenn keine Eingangsspannung angeschlossen ist. In diesem Fall liefern die ADCs nur Einsen (0x3FFF).

Ein EEPROM-Speicher ist vorhanden, in dem Kalibrierdaten, Kalibrierwerte, eine ID, die Hardwarerevision und technische Details (z. B. Dämpfung / Verstärkung jedes Kanals) gespeichert werden können.

Die Analogeingangsplatine wird wie das gesamte Messsystem aus einer einzelnen 24-V-DC-Versorgung gespeist. Ein Schaltnetzteil zwischen den analogen Mess-Subsystemen erzeugt positive und negative Spannungen, die mit LDOs linear geregelt werden, um saubere Versorgungsschienen bereitzustellen. Die folgende Abbildung zeigt die Spannungsversorgungseinheit der Analogeingangsplatine.

Ein Softstart / Power-Sequencing ist vorhanden, um den Einschaltstrom in dem Moment zu verringern, in dem die Spannungsversorgung angeschlossen wird.

Wie im folgenden Funktionsblockschaltbild dargestellt, werden die Kanäle auf ADCs mit je zwei Kanälen gemultiplext. 32 Single-Ended-Kanäle werden von einem 32:1-Multiplexer mit den Adressleitungen ADR1_0 bis ADR1_4 verarbeitet, die übrigen 16 Single-Ended-Kanäle von einem 16:1-Multiplexer mit den Adressleitungen ADR2_0 bis ADR2_3, und die differenziellen Kanäle werden über zwei 8:1-Multiplexer mit gemeinsamen Adressleitungen ADR3_0 bis ADR3_2 geschaltet.

Alle Adressleitungen sind mit High-Speed-CMOS-Puffern gepuffert, um die Last für die Ausgangstreiber des FPGA zu verringern und saubere Signale auf der Leiterplatte bereitzustellen.

1.8.1Blockschaltbild

1.8.2Spezifikationen

Alle Eingänge werden mit einer Auflösung von 14 Bit gewandelt.

Die Single-Ended-Eingänge können jeweils mit einer Rate von 3 kSa/s (Kanäle 1–32 und 65–80) / 6 kSa/s (Kanäle 33–48 und 81 bis 96) abgetastet werden, die differenziellen Eingänge mit mehr als 150 kS/s.

Wird nur ein Kanal gemessen, sind Abtastraten von bis zu 1,2 MSa/s (eventuell 1,5 MSa) erreichbar.

Die differenziellen Eingänge sind frequenzkompensiert, um Signalverläufe genau wiederzugeben.

Spezifikation der Single-Ended-Kanäle

Spezifikation der differenziellen Kanäle

1.8.3Layout

1.8.4Anschluss an das sbRIO

Die Karte ist über zwei 50-polige Steckverbinder mit P4 und P5 des sbRIO verbunden, jeweils mit der folgenden Pinbelegung

1.8.5Pinbelegung VG-Steckverbinder X3 (externe Signale Analog-Subsystem 1)

SING_In_1 bis SING_In_32 sind auf REF_In_1 bezogen, SING_In_33 bis SING_In_48 auf REF_In_2.

1.8.6Pinbelegung VG-Steckverbinder X4 (externe Signale Analog-Subsystem 2)

SING_In_1 bis SING_In_32 sind auf REF_In_1 bezogen, SING_In_33 bis SING_In_48 auf REF_In_2.

Die Referenzeingänge sind gegen Signale von mehr als 2,7 V über oder 0,2 V unter Masse geschützt, dieser Bereich darf jedoch nur kurzzeitig überschritten werden!

Die +24-V-Versorgung wird an die Pins C12 und C13 jedes VG-Steckverbinders angeschlossen.

1.8.7Genauigkeit der Analogeingänge

Für eine gute Genauigkeit muss eine Kalibrierung durchgeführt werden. Verstärkung und Offset jedes Kanals müssen nach dem Aufbau ermittelt werden. Die Werte für Verstärkung und Offset werden im EEPROM der Analogeingangsplatine gespeichert. Sie werden beim Start gelesen und bei jedem Auslesen eines Analogwerts verwendet.

Single-Ended-Kanäle

Die folgende Abbildung zeigt die typische Genauigkeit aller 96 Single-Ended-Kanäle im nicht kalibrierten Zustand

Die folgende Abbildung zeigt die typische Genauigkeit aller 96 Single-Ended-Kanäle nach der Kalibrierung

Differenzielle Kanäle

Die folgende Abbildung zeigt die typische Genauigkeit aller 32 differenziellen Kanäle im nicht kalibrierten Zustand.

Die folgende Abbildung zeigt die typische Genauigkeit aller 32 differenziellen Kanäle nach der Kalibrierung

1.9Digitalausgangsplatine

Die Digitalausgangskarte bietet 64 Relais und 24 MOSFETs für allgemeine Schaltaufgaben. Die Relais sind in 48 Schließer und 16 Wechsler aufgeteilt. Die MOSFETs sind als Open-Drain-Low-Side-Schalter beschaltet und können bis zu 60 V und 3 A schalten. Der VG-Steckverbinder ist jedoch nur für 2 A pro Pin spezifiziert, daher sollte ein Strom von 2 A nicht überschritten werden. Der Gesamtstrom aller 10 FETs, die gegen GND schalten, sollte unter 14 A bleiben.

4 der 24 Transistoren sind galvanisch von den übrigen (und voneinander) getrennt.

Die MOSFETs können jeweils direkt über I/O-Pins des sbRIO geschaltet werden: Eine logische 0 schaltet den MOSFET ein, eine logische 1 aus. Jeder MOSFET-Ausgang kann für schnelle Schaltanwendungen wie PWM verwendet werden.

Die Relais werden über I²C-Portexpander angesprochen. Alle Portexpander sind am selben I²C-Bus angeschlossen, haben aber unterschiedliche Adressen. Die Portexpander schalten die Relais mithilfe leistungsfähiger Treiber-ICs.

Die Karte Relais_FET_LDSA besteht aus zwei identischen Subsystemen. Der MOSFET-Teil und die Portexpander der Karte werden vom sbRIO versorgt; die Relais benötigen eine zusätzliche 24-V-Versorgung an den VG-Steckverbindern X5, X6.

1.9.1Blockschaltbild

Das folgende Funktionsblockschaltbild zeigt, wie jedes der Subsysteme (d. h. eine Hälfte des Gesamtsystems) arbeitet.

1.9.2Spezifikationen

Open-Drain-MOSFET-Ausgänge

Relais – Schließer

Relais – Wechsler

Die folgende Abbildung zeigt die maximale Schaltspannung der Wechsler-Relais in Abhängigkeit vom Schaltstrom.

1.9.3Layout

1.9.4Anschluss an das sbRIO

Die Karte ist über ein 50-poliges Flachbandkabel mit der Steckleiste P3 des sbRIO verbunden. Der zugehörige Steckverbinder hat die folgende Pinbelegung. Stellen Sie sicher, dass die Karte an keinen anderen Steckverbinder als P3 des sbRIO angeschlossen ist!

1.9.5Pinbelegung VG-Steckverbinder X5 (externe Signale Digital-Subsystem 1)

Die Open-Drain-Ausgänge 1 bis 10 schalten alle gegen GND, während die galvanisch getrennten Open-Drain-Ausgänge 11 und 12 gegen separate Pins (GND_ISO_11 und GND_ISO_12) schalten.

1.9.6Pinbelegung VG-Steckverbinder X6 (externe Signale Digital-Subsystem 2)

Die Open-Drain-Ausgänge 12 bis 22 schalten alle gegen GND, während die galvanisch getrennten Open-Drain-Ausgänge 23 und 24 gegen separate Pins (GND_ISO_23 und GND_ISO_24) schalten.

1.9.7PWM-Timing mit MOSFETs

Alle Open-Drain-Ausgänge, auch die galvanisch getrennten, können zur PWM-Erzeugung verwendet werden.

Die folgende Abbildung zeigt das typische Zeitverhalten eines MOSFET-Ausgangs mit angeschlossenem externem Pull-up von 1 kOhm

Beachten Sie, dass bei Pull-up-Widerständen mit höherem Widerstandswert längere Anstiegszeiten auftreten. Die Fallzeit ist weitgehend unabhängig von der Größe des Pull-up-Widerstands.

Die sbRIO-SW verwendet eine Zeitauflösung von 1 µs. Bei Bedarf kann die Auflösung bis auf 25 ns angepasst werden. Beachten Sie jedoch, dass sich dadurch die maximale Periodendauer der Signalerzeugung verringert.