Automatisierung von Testsystemen in der Elektronik

Die Automatisierung scheint der einzige Weg zu sein, um die immer kürzer werdenden Lieferfristen einzuhalten, mit denen die Elektronik-Branche zu kämpfen hat. Menschen streben nach Genauigkeit und Effizienz, sind aber anfällig für Probleme und scheitern oft daran. Aber ein industrieller Prozess, ein Designlabor, eine Produktionseinheit muss erstellt werden und die Automatisierung kommt hier zur Hilfe.

Automatisierte Prüf- und Messverfahren gewährleisten Wiederholbarkeit

Bei Prüf- und Messverfahren verhält es sich nicht anders: Ingenieure versuchen, die Genauigkeit durch immer modernere Werkzeuge und Instrumente zu verbessern, aber sie wissen, dass ein Instrument nur so präzise ist wie der Mensch, der es bedient.

Automatisierte Prüf- und Messverfahren können neue Erkenntnisse über Arbeitsweisen liefern, einheitliche Prüfmethoden ermöglichen und das Risiko versehentlicher menschlicher Fehler verringern. Dies gewährleistet die Wiederholbarkeit der Ergebnisse und spart insgesamt wertvolle Zeit.

Physische Schnittstellen zur Automatisierung

Gerätehardware ist im Allgemeinen mit mehreren physischen Schnittstellen (Ports) ausgestattet, die gesteuert werden können, z. B. Ethernet, USB, proprietäre Verbindungen wie TSP-Link und ältere Schnittstellen wie RS-232 und GPIB, die allerdings nach und nach verschwinden.

Durch diesen physischen Zugriff auf das Gerät kann die Software die Kontrolle übernehmen und auf verschiedene Weise automatisieren; die Webschnittstellen der Geräte sind eindeutig die einfachsten und gebräuchlichsten. Leider haben sie oft nur einen geringen Nutzen, wenn sie lediglich die gleiche Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) oder Bildschirmoberfläche (UI) nachbilden, die die physische Hardware bietet, so dass die Benutzer nach konkreten Vorteilen wo anders suchen müssen.

LabVIEW als Werkzeug zur Automatisierung

LabVIEW ist ein weit verbreitetes Werkzeug, das Geräten einen Weg zur Automatisierung und Visualisierung ermöglicht. Der Gerätehersteller muss jedoch strukturierte Gerätetreiber-APIs (Application Programming Interfaces, Programmierschnittstellen) anbieten, um sicherzustellen, dass das virtuelle Instrument (VI) des Anwenders alle erforderlichen Funktionen enthält. Ebenso sind Treiber-APIs in Programmiersprachen, die speziell auf die Entwicklungsumgebung des Benutzers zugeschnitten sind – sei es C#, Python, VB.Net oder C++ – wahrscheinlich vom Instrumentenhersteller oder einem Drittanbieter erhältlich. In allen Fällen macht die Treiber-API die Arbeit mit dem nativen SCPI-Befehlssatz überflüssig und bietet gleichzeitig eine kontextabhängige Soforthilfe und eine automatische Befehlsvervollständigung, die das Verständnis des Gerätebetriebs erleichtern bzw. den Code-Entwicklungsprozess beschleunigen.

Testbibliotheken für spezifische automatisierte Testverfahren

In Anwendungsfällen, in denen die Geschwindigkeit des Datenabrufs und die Vielseitigkeit bei der Anwendungsanalyse entscheidend sind, greifen Messtechniker zu Python, um die Testautomatisierung zu implementieren. Test- und Messingenieure können den Code über eine Plattform wie GitHub, wo eine Vielzahl an Code-Repositorien gehostet wird (z. B. Programmatic Control Example Repository), freigeben und gemeinsam nutzen. Verschiedene, global vernetzte Entwicklerteams arbeiten so zusammen, um Tools für den Einsatz in Testprozessen zu entwickeln und auszutauschen und Online-Communities zu nutzen. Spezifische Python-Treiber verbessern und beschleunigen die Messanalyse, zum Beispiel im Bereich der Signalintegritätsanalyse, wo die statistische Auswertung von Timing-, Jitter- und Rauschdaten bei einer großen Anzahl von Abtastungen unerlässlich ist.

Test- und Messgerätehersteller bieten die Möglichkeit, Python-Befehle direkt über Python-Treiber auszuführen, anstatt die altmodischen SCPI-Befehle aufzurufen. Dies ist ein enormer Fortschritt insbesondere für diejenigen, die ihre ersten Erfahrungen mit Test- und Messsystemen gemacht haben, als nur manuelle Messungen möglich waren.

Ingenieure, die auch Code-Entwickler sind, können mit den Möglichkeiten der nativen Python-Befehle zur Steuerung von Oszilloskopen, Digitalmultimetern, Source Measure Units (SMU‘s), Wellenformgeneratoren und mehr experimentieren. Es steht eine benutzerfreundliche Python-Schnittstelle zur Verfügung, die das mühsame manuelle Parsen überflüssig machen und den Arbeitsablauf optimieren soll.

Testautomatisierungs-Workflow in Kurzform

Der Arbeitsablauf für die Kommunikation mit Messgeräten ist im Allgemeinen recht einfach: Jede Aktion, die wir von einem Prüfgerät verlangen, entspricht einem Steuerbefehl; die Abfolge mehrerer Befehle in der richtigen Reihenfolge entspricht dem, was im Allgemeinen als automatisiertes Prüfskriptverfahren gilt. Man kann sich das wie folgt vorstellen: ein Befehl zur Initialisierung beziehungsweise Konfiguration der Geräteparameter wird gefolgt von einem Befehl zur Einleitung der Erfassung und schließlich einem Befehl zur Rückgabe der erfassten Daten, sobald das vorgesehene Messfenster vervollständigt ist. Bei der Optimierung geht es vor allem darum, die richtigen Datenpakete zu übertragen und sicherzustellen, dass die Prüfgeräte umgehend auf Erfassungsanforderungen reagieren.

Verbesserungsmöglichkeiten bei der Zeitplanung des Arbeitsablaufs

Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Zeitplanung in diesem Arbeitsablauf zu verbessern. Ein Ansatz besteht darin, sicherzustellen, dass das Prüfgerät in der Lage ist, die Erfassung und die Verarbeitung beziehungsweise Übertragung der Daten parallel zu verarbeiten. Ein anderer Ansatz besteht darin, dass ein lokaler Prozessor Berechnungen durchführt und nur die Ergebnisse zurückgibt sowie spezielle Aktionen und Ausnahmen behandelt, falls die Ergebnisse auf eine kritische Testbedingung hindeuten, die es z. B. erforderlich macht, dass das Gerät die Messungen aussetzt.

In Hinblick auf die Ziele, das Testen zu beschleunigen, Ineffizienzen zu reduzieren, die Genauigkeit zu verbessern und den Arbeitsablauf für die Anwender zu vereinfachen, ist es interessant sich anzuschauen, was die Test- und Messindustrie tut, um dies zu erreichen.

Intelligente Assistenten leiten den Bediener

So müssen beispielsweise Messungen im Zusammenhang mit der Validierung bestimmter Kommunikationsstandards einem präzisen und standardisierten Arbeitsablauf folgen. Aktuelle Messgeräte wenden eine gewisse Intelligenz auf die Testmethoden an und führen den Bediener durch die Messung. Intelligente Assistenten leiten den Bediener an, so dass er eine präzise Checkliste gemäß den Standardanforderungen abarbeiten kann. In den komplexesten Messszenarien können die Geräte die Ergebnisse mit früheren Erfassungen vergleichen, um potenzielle Muster zu erkennen und Vorschläge machen, um die Grundursachen zu beheben. Die Validierung von High Speed Serial Standards ist die Testanwendung, bei der diese Bemühungen den größten Mehrwert bringen.

Der On-Instrument-Scripting-Ansatz

Geräte mit fortschrittlichen Verarbeitungsfunktionen, wie z. B. die grafischen SMUs und DMMs von Keithley sowie die DAQs, können mit selbst entwickelten Skripten programmiert werden, die als Apps erscheinen, ähnlich wie bei einem herkömmlichen Smartphone. Bei Keithley spricht man von TSP-Anwendungen.

Die geräteinterne Skripterstellung mit TSP ermöglicht eine direkte, automatische Steuerung und Verarbeitung, ohne dass ein externer Computer erforderlich ist. Durch die Verlagerung der Logiksteuerung auf das Gerät selbst ist der Kommunikationsaufwand erheblich geringer und das Gerät erhält die Möglichkeit, Entscheidungen im laufenden Betrieb zu treffen.

Tektronix bietet Anwendern die Möglichkeit, benutzerdefinierte Skripte zu erstellen, die mathematische Funktionen auf den erfassten Datensatz anwenden und einen berechneten Wert anzeigen oder zurückgeben können. TSP-Skripte können für eine Vielzahl von Anwendungsbedürfnissen geschrieben werden: von der Einrichtung von Puffern und Triggern mit Code bis hin zum Setzen dynamischer Strom- und/oder Spannungsgrenzen für das Sourcing und vieles mehr.

Steuerung von Geräten ohne die Komplexität der Programmierung?

Python, C# und branchenübliche Anwendungsumgebungen wie LabVIEW bieten äußerst leistungsfähige Möglichkeiten zur Steuerung Ihrer Geräte. Mit der notwendigen Konnektivität kann ein Gerät auf Ihre Befehle reagieren und Funktionen in jeder beliebigen, komplex entwickelten Bibliothek ausführen.

Aber ist das immer notwendig? Nach Ansicht der Betreiber von Prüf- und Messgeräten wird das Gerät oft für eine ganz bestimmte, genau definierte Art von Messung verwendet, die immer wieder wiederholt wird. Warum also nicht den Programmieraufwand den Anbietern von Prüf- und Messgeräten überlassen und die von ihnen speziell entwickelten Anwendungen nutzen?

Testdurchführung per App dank proprietärer Software

Dies ist bei Kickstart von Tektronix der Fall. Diese proprietäre Software ermöglicht nach der Installation auf dem Laptop die vollständige Kontrolle über die Gerätekonfiguration, die Testdurchführung und den Datenabruf vom Testgerät in nur wenigen Minuten. Müssen Anwender Halbleiterbauelemente charakterisieren und immer wieder dieselben Kurven über mehrere Tage hinweg verfolgen, wobei Sie lediglich die Umgebungsbedingungen für jeden zusätzlichen Testlauf ändern, gibt es eine App dafür. Müssen sie Batterien zyklisch testen und ihre Eigenschaften im Laufe der Zeit verfolgen, um das Verhalten der Kapazitätsverringerung zu verstehen, gibt es auch dafür eine App. Müssen sie den Isolationsgrad eines bestimmten Materials nachweisen, wollen sich aber nicht in der Komplexität der Verwendung eines hochentwickelten Elektrometers verlieren, hat die Software auch dafür eine Lösung.

Dedizierte Apps sind relativ kostengünstig und werden auf die Fähigkeiten eines bestimmten Instruments zugeschnitten. Sie werden von den Anbietern von Prüf- und Messgeräten regelmäßig gewartet, damit sie auch weiterhin die neuesten Aktualisierungen der Normen berücksichtigen und die neuesten Gerätemodelle unterstützen. Die Anwender profitieren von der Tatsache, dass es sich um solide, robuste Softwareoptionen handelt, deren Wartungslizenzkosten niedrig sind und problemlos geplant und budgetiert werden können. Tektronix bietet auch mehrere Arten von Bench-Software an, darunter Kickstart, TekScope, SignalVu PC und andere, die eine Automatisierung der Instrumente und eine einfache Bedienung per Mausklick ermöglichen. (bs)