Sensorbaugruppen im IoT-Zeitalter testen

Sensoren funktionieren, indem sie physikalische Effekte nutzen, um die zu erfassende Größe in die elektrische Welt zu übertragen. Es gibt Sensoren für das Erfassen fast aller physikalischer Eigenschaften: Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Füllstände, Durchflussmengen oder Abstände. Häufig unterliegen die physikalischen Effekte gewissen Nichtlinearitäten und Abhängigkeiten von weiteren Größen wie der Temperatur. Wo früher einfache Bimetallschalter zum Einsatz gekommen sind, bieten Sensorbaugruppen im Zeitalter der digitalen Automatisierung und IoT deutlich mehr Funktionalität. Oft werden mehrere Parameter erfasst, die durch analoge und digitale Schaltungen aufbereitet werden. Kleine Controller in den Sensoren ermöglichen präzise Referenz-Wertkalibrierungen in der Fertigung oder im Feld. Diese Werte werden dann als Parameter in Berechnungen oder auch zum analogen internen Abgleich genutzt. Da moderne Sensoren im industriellen Umfeld häufig in komplexen Prozessketten eingesetzt werden, verfügen sie über vielfältige Feldbusschnittstellen, um Messdaten an entsprechende Sensorknoten zu übertragen.

Prüfsystem für Füllstands-Sensoren. LXinstruments

EOL-Test Anforderungen

Je nach Gestaltung des Produktions- und Testprozesses in der Sensor-Elektronikfertigung gibt es wiederkehrende Gemeinsamkeiten, die beim Test von Sensorbaugruppen markant hervorstechen. Diese sind neben dem In-Circuit Test Boundary Scans, analoger Präzisionsabgleich des Sensormoduls, Programmieren der Firmware und der Kalibrierwerte sowie Funktionstest. Aber auch Kommunikationstest über verschiedenste Feldbus-Schnittstellen, die Kennzeichnung der Baugruppe oder des Nutzens sowie die automatische Gut- und Schlechtteilsortierung gehören dazu.

Die elektrischen Spannungen und Ströme, die bei der Wandlung der Größen entstehen, sind meist sehr klein. Um für eine hohe Präzision der Messungen sorgen zu können, werden dafür häufig neben Präzisionsmultimetern sogenannte Source-Measure-Units eingesetzt, die im spannungs-, strom- und widerstandsgeregelten Bereich arbeiten können. Da die Messinstrumente meist an der Grenze ihrer Spezifikation betrieben werden, ist es üblich, bei solchen Präzisionssystemen die Racks zu klimatisieren und das genaue thermische Design zu beachten.

Inline-System für Sensortest. Blick auf die Wechseladapter-Schnittstelle. LXinstruments

Ein weiteres heikles Thema, das sich mit Hilfe durchdachter Konzepte für Erdung und galvanische Trennung beherrschen lässt, ist die Wahl der Signalführung und die Schirmung der Leitungen. Die Sensoren sind häufig sehr klein und werden auf Leiterplattennutzen gefertigt. Um Testzeiten zu verkürzen und den Fertigungsdurchsatz entsprechend zu maximieren, setzt man beim Test von Sensoren gerne auf den parallelen Test mehrerer Baugruppen. Eine Möglichkeit ist, entsprechende Inlinesysteme in die Produktionslinie zu integrieren. Je nach Anlagendesign und Baugruppenanforderung können die Prüflinge gruppenweise nacheinander kontaktiert werden oder sogar komplett gleichzeitig über entsprechende Mehrfachadaptionen. Andere, größere Sensoren wie Füllstandsensoren für Flüssigkeiten, werden zur Kalibrierung von Hand in Prüfplätze mit mehreren Aufnahmen zum Paralleltest eingesetzt.

Vieles spricht für Kombitests

Bei Sensorbaugruppen gibt es nur wenige elektrische Netze, die mit nur einem In-Circuit Test getestet werden müssen. Funktions- und In-Circuit-Test lassen sich aus diesem Grund gut in einem System verbinden. Hierbei spricht man dann häufig von Kombitest. Da die Baugruppen immer kleiner werden, ist für die Testpunkte nicht genug Platz auf der Leiterplatte. Um trotzdem eine hohe Testabdeckung gewährleisten zu können, werden zusätzlich Verfahren wie JTAG oder Boundary Scan in die Testsysteme integriert. Bei diesen Verfahren werden die einzelnen Bausteine der Schaltung verkettet. Somit sinkt die Anzahl der benötigten Testpunkte auf der Leiterplatte auf wenige Pins, den TAP (Test Access Port).

Je nach Branche und Einsatz sind die Bussysteme an Sensoren sehr unterschiedlich. Ein für den breiten Einsatz vorgesehenes Testsystem muss daher viele unterschiedliche Kommunikationsbusse unterstützen. Häufig in der Industrie- und Prozessautomatisierung eingesetzte Schnittstellen sind altbekannte wie Profibus und Modbus oder Hart-Schnittstellen. Im Fahrzeugbereich sind Bussysteme wie LIN und CAN weit verbreitet. Die sichere Prüfung der Kommunikation ist in jedem Fall Teil des Testumfangs.

Modulare Plattform, ausgelegt für Mehrfachtest

Wie können diese Anforderungen mit anpassbaren Standardprüfsystemen umgesetzt werden? Bei der Auswahl der richtigen Testsystemplattform für den Test von Baugruppen wie Sensoren sollte unbedingt auf Folgendes Wert gelegt werden. Die Testsystemplattform sollte skalierbar sein. Je nach Produkt oder Variante sollte es möglich sein, durch den Einsatz anderer Prüfadapter mehrere Produkte gleichzeitig testen zu können. Das System sollte ausreichend Präzisionsinstrumente beinhalten, die für den parallelen oder wahlweise seriellen Test konfiguriert werden können. Je nach Varianz im zu testenden Produktspektrum kann einfache Messtechnik mehrfach vorgesehen werden, wohingegen teure Messtechnik meist nur einmal vorhanden ist. Somit lassen sich weite Teile der Synergieeffekte nutzen, ohne die Systemkosten unverhältnismäßig zu steigern.

OTP-basiertes Testsystem für den 3-fach-Test von Sensorbaugruppen. LXinstruments

Konzept für Präzisionsmesstechnik

Durch Klimatisierung des Systemschranks lassen sich häufig langfristig stabile Messergebnisse an den Grenzen der Messgeräte-Spezifikation erzielen. Zyklische interne Abgleiche mit einer hochstabilen Referenz lassen den Einsatz von kostengünstigen Messinstrumenten für den Paralleltest zu. Die Systemschnittstelle und der interne Aufbau sollten so gestaltet sein, dass eine signalgerechte Leitungsführung, wie beispielsweise auf Twisted-Shielded-Pair oder auf Koaxialleitung, möglich ist. Die Prüfsysteme werden bei der Einführung von neuen Produkten oder Varianten dann aufgerüstet. Deshalb sind flexible Konzepte empfehlenswert, die eine spätere Erweiterung der Systemressourcen frühzeitig berücksichtigen. In der Praxis haben sich 30 Prozent Reserve bewährt.

Einige Standardsysteme bieten Selbsttestadapter für die Systeme mit an. Bei der Durchführung eines Selbsttests sollten die Schalt- und Leitungswege sowie die Kommunikation mit Instrumenten automatisch überprüft werden können. Um die Genauigkeit des Systems sicherzustellen, müssen die Instrumente jährlich kalibriert werden. Meist werden die Instrumente hierfür ausgebaut und zum jeweiligen Hersteller geschickt. Große Elektronikfertiger haben eigene Labors am Standort oder arbeiten mit Dienstleistern zusammen, die vor Ort die Kalibrierung durchführen können. In beiden Fällen werden die Instrumente dazu aus- und wieder eingebaut. Dieser jährliche Aufwand kann, wenn von Anfang an berücksichtigt, reduziert werden. Es gibt Systemkonzepte, die mit Kalibrieradaptern oder Systemerweiterungen ein automatisiertes Kalibrieren des Systems oder einzelner Messinstrumente ermöglichen. Betrachtet man den jährlichen Aufwand und die Ausfallzeiten, kann diese Funktionalität eine Investition schnell amortisieren.

Wichtige Rolle für die Systemsoftware

Eine Softwareplattform, die gewisse Schichten voneinander trennt, erzeugt eine mitwachsende Systemplattform sowie einen hohen Grad an Wiederverwendung der Software. Die Nutzung kommerziell verfügbarer Testsequenzer ermöglicht den Einsatz von Standardtreibern für Messinstrumente. Dies reduziert die Kosten für die Softwareentwicklung und ermöglicht bei richtiger Gestaltung auch den Austausch von Hardwarekomponenten, wenn ein Messinstrument gegen ein neues Modell eines anderen Herstellers ausgetauscht werden muss. Eine wichtige Rolle spielt auch die Software, die im Schichtenmodell über dem Sequenzer steht. Eine vereinfachte Standardbedienoberfläche ermöglicht nicht nur systemübergreifend die gleiche Bedienung, sondern auch den Einsatz einer relationalen Prüfdatenbank zur Produkt- und Testdatenverwaltung. Durch Industrie 4.0-Protokolle wie OPC-UA können moderne Testsysteme einfach in unterschiedlichste Fertigungsautomatisierungen eingebunden werden.

productronica 2019: Halle A1 Stand 543

(hw)