Print

Měřicí systém pro testování spolehlivosti MEMS rezonátorů

-- 13.03.17

Zadání

Vytvořit přístroj, který dokáže řídit a měřit pohyb několika struktur MEMS rezonátoru, za účelem provádění testování kvazi statických a únavových zlomů.

Řešení

Použít modul sbRIO-9651 SOM (System on Module) jako kompaktní výpočetní jednotku a doplnit jej o potřebné digitální periferie a analogovou část. Vytvořit tak karty pro sběr dat, které se vejdou do měřicího racku, aby bylo možné provádět paralelní testy několika měřených jednotek v průběhu delších časových intervalů.

Úvod

Vývojové centrum v Budapešti otevřela společnost Robert Bosch Kft. Hungary v roce 2005. Vyvíjí se v něm různé elektronické řídicí jednotky a mechanické komponenty pro automobily, stejně jako přístrojové panely a asistenční systémy pro řidiče. Oddělení ESI (Engineering Sensors for Internal Customers) vyvíjí převážně mikroelektromechanické (MEMS) senzory pro stáčivou rychlost, zrychlení a tlak, které se používají v elektronických řídicích jednotkách a v zákaznických produktech.

Existují různé způsoby výroby struktur typu MEMS, jejichž popis by byl nad rámec této případové studie. Abychom zaručili kvalitu a spolehlivost produktů, musíme testovat materiály a procesy. Dále je nutné pochopit mechanismy, které vedou k chybám, ideálně v co nejranější fázi vývojového cyklu. Podle dizertační práce Roberta Edwarda Borocha jsou typickými mechanismy selhání u MEMS rezonátoru nejčastěji statické fraktury (při velké mechanické zátěži) a únavové fraktury (změny v materiálu či v cyklické zátěži v průběhu času). Potřebovali jsme vyvinout systém, který by dokázal testovat výše uvedené mechanismy selhání paralelně na 20 strukturách.

Měl mít následující úlohy:

  • najít rezonanční frekvenci struktur;
  • vyvolat kvazi statickou frakturu (působit na struktury vlastní frekvencí a rychle zvyšovat amplitudu, dokud nedojde ke zlomu);
  • provádět test na únavové fraktury (působit na struktury vlastní frekvencí po delší časový úsek, dokud nedojde ke zlomu).

Systém musí přesně zjistit amplitudu výchylky, při které došlo ke zlomu, a změřit počet cyklů před projevem únavové fraktury. Také jsme potřebovali, aby byl systém snadno adaptovatelný na podobné testy v budoucnu.

Popis aplikace

Předchozí systém

Předchozí systém se skládal z PC, signálních generátorů, osciloskopu a několika měřicích karet, které byly vyvinuty speciálně pro tento test. Po vložení vzorku jsme museli manuálně nastavit měřicí karty pro každou MEMS strukturu zvlášť prostřednictvím nastavitelných rezistorů. Každý čip typu MEMS obsahuje několik struktur, takže jsme museli manuálně pomocí propojek nastavit také zvolenou strukturu pro testování. Jakmile byla hotova kalibrace a nastavení, byly karty vloženy do racku, kde prováděly buzení testovaných struktur v uzavřené smyčce, dokud nedošlo ke zlomu. Počítač periodicky kontroloval každou kartu, aby zjistil výskyt zlomu či aktuální hodnotu výchylky. Karty byly plně analogové a neměly žádnou vlastní inteligenci. Kalibrace karet byla časově náročná a museli jsme ji provádět vždy, když jsme zvolili novou strukturu nebo vložili nový čip.

Potřebovali jsme vyvinout systém, který by dokázal vybrat strukturu a nastavit měřicí obvody a parametry měření alespoň zčásti automaticky (ideálně zcela automaticky).

Principy měření

Testované struktury se skládají z pohyblivé a pevné části. Elektrické napětí aplikované mezi pohyblivou a pevnou část struktury způsobuje mechanickou výchylku pohyblivé části vlivem elektrostatické síly (budicí signál). Výchylku pohyblivé části měříme tak, že přivedeme vysokofrekvenční signál (měřicí signál) na fixní elektrody (se vzájemným fázovým posunem o 180°) a měříme proud indukovaný v pohyblivé části. Tento proud je převeden na napěťový signál, který je zesílen, filtrován přes horní propust (pro odstranění budicího signálu) a demodulován.

Výsledný signál obsahuje informace o aktuální pozici měřené struktury. Používáme je pro určení přenosové funkce rezonátoru. Pro zpracování signálu se používá zesilovač s matematickými funkcemi pro získání užitečné informace ze šumu prostředí. Jeden čip zahrnuje několik struktur, z nichž jedna má výchylku omezenou na známou hodnotu (kalibrační vzorek). Tu můžeme použít pro přesné určení výchylky způsobené přivedeným napětím. Další vzorky mají vyšší mezní výchylku, čehož je možné dosáhnout při testování zlomu.

Hardwarová architektura

Karty pro zpracování signálu se skládají z následujících prvků:

  • modul sbRIO-9651 SOM;
  • základní periferie tohoto modulu (Gigabit Ethernet, konektory USB, SD karta);
  • napájecí zdroje;
  • 2× vysokorychlostní (rozsah 100 MS/s) A/D převodník s předzpracováním signálu;
  • obvod pro generování hodinového signálu (Si5340) pro přesné časování A/D převodníků;
  • duální vysokorychlostní (rozsah 200 MS/s) D/A převodník s předzpracováním signálu;
  • 2× pomalý A/D převodník a 2× pomalý D/A převodník pro nastavování a čtení libovolných parametrů.

Přes 40 digitálních vstupně/výstupních kanálů jsme nechali nezapojených a přivedli jsme je na čelní panel, abychom umožnili další rozšiřování systému v budoucnu.

Požadavky

Systémová architektura

Aby bylo toto testovací zařízení dostatečně flexibilní a znovu použitelné a aby bylo možné detekovat čas zlomu přesně, rozhodli jsme se pro distribuovanou architekturu systému. Ta se skládá z několika inteligentních měřicích jednotek, které fungují navzájem nezávisle a neustále monitorují měřenou strukturu. Požadavky na zpracování signálu byly natolik specifické, že jsme museli postavit vlastní jednotku pro zpracování signálu. Aby byl systém opakovaně použitelný, rozdělili jsme jeho funkce do dvou kategorií: obecný digitizér signálu (generátor a karta pro zpracování) a specializovaná karta pro zpracování signálu pro konkrétní úlohu. 

Mechanická omezení

Potřebovali jsme umístit tyto karty do racku, což mělo za následek nestandardní požadavky na rozměry. Proto jsme se rozhodli pro kartu pro zpracování signálu vytvořenou na míru. Abychom zkrátili délku vývoje, omezili rozměry DPS a snížili složitost, rozhodli jsme se použít procesorový modul. Na trhu je k dispozici široká nabídka těchto modulů, ale z více důvodů jsme zvolili sbRIO-9651 SOM. Má kompaktní rozměry, obsahuje obvod FPGA a můžeme jej programovat s vysokou mírou abstrakce prostřednictvím LabVIEW. Naučit se základy programování v LabVIEW trvá poměrně krátce, což ještě více podporuje možnost opakovaného použití tohoto systému. Modul sbRIO-9651 SOM je dobře zdokumentován a existuje k němu podrobný průvodce vývojem nosné desky, což usnadňuje vývoj hardwaru.

Systém se skládá z 20 karet pro zpracování signálu s moduly SOM a z 20 analogových karet, které mají na starost předzpracování signálu. Když je systém vestavěn do racku, jsou karty pro zpracování signálu spojeny s analogovými kartami prostřednictvím střední desky, která obsahuje zároveň napájení. Existuje také varianta ve stolním provedení, kde je jedna karta pro zpracování signálu připojena přímo k analogové části a napájení je přivedeno externě.

Softwarová architektura

Softwarové požadavky zahrnovaly:

  • snadnou údržbu s omezenou složitostí;
  • rychlé zpracování signálů s nízkou latencí;
  • autonomní provoz i v případě výpadku sítě;
  • žádné ztráty dat.

Zvolili jsme následující softwarovou architekturu:

  • FPGA pro generování, sběr a zpracování signálu s použitím matematických metod s vysokou propustností a pro ovládání periferií;
  • kontrolér reálného času pro nahrávání obrazu pro obvod FPGA, parametrizaci funkcí FPGA, obsluhu čelního panelu, spouštění měření a ukládání výsledků na SD kartu;
  • software na PC slouží jako uživatelské rozhraní, uživatel může nastavit parametry měření a software je aplikuje na každý RT kontrolér, periodicky kontroluje stav každé karty, sbírá měřená data pro pozdější vyhodnocení.

Výhody použití sbRIO-9651

Využití konceptu integrovaného modulu typu SOM usnadnilo návrh hardwaru. Zkrátili jsme dobu potřebnou pro vývoj, neboť jsme se dokázali vyhnout některým závažným hardwarovým chybám už u prvních prototypů. Fakt, že jsme použili LabVIEW jako vysokoúrovňový programovací jazyk, přispěl k výraznému zkrácení doby vývoje.

Odhadujeme, že implementace funkcí pro zpracování signálu ve VHDL by zabrala minimálně dvojnásobek času. Kromě toho použití LabVIEW pomáhá kolegům s minimálními znalostmi technologie FPGA pochopit kód a udržovat jej v budoucnu. Mohli jsme napsat software pro všechny tři cílové platformy (PC, RT kontrolér a FPGA) v jediném programovacím jazyku – LabVIEW. S tradičním řešením bychom pro implementaci softwaru museli použít minimálně dva programovací jazyky (C a VHDL).

Závěr

Použili jsme modul sbRIO-9651 pro vytvoření systému na míru a zároveň s možností opakovaného použití pro provádění únavových testů křemíkových rezonátorů na bázi MEMS. Systém je distribuovaný s velikou mírou autonomie, což znamená, že není nutné manuální nastavování. Celý jej lze naprogramovat v LabVIEW a urychlit tak vývoj i učení nových technologií. Plánujeme jej využít v různých aplikacích (testování rezonančních struktur pro nové automobilové produkty, možná další aplikace pro záznam dat). Využití modulu sbRIO-9651 značně zkrátilo délku vývoje a omezilo složitost DPS. V průběhu vývoje s tímto modulem jsme nenarazili na žádné problémy.


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

Národné fórum údržby 2017
2017-05-30 - 2017-05-31
Místo: Vysoké Tatry, Štrbské Pleso, Hotel PATRIA
Průmyslové roboty budoucnosti Omron Adept
2017-05-30 - 2017-05-30
Místo: Hotel Avanti, Brno
Průmyslové roboty budoucnosti Omron Adept
2017-06-01 - 2017-06-01
Místo: Clarion Congress Hotel, Praha
Technology Days 2017
2017-06-05 - 2017-06-09
Místo: Výukové a výzkumné centrum v dopravě (VVCD), Pardubice
IQRF Summit 2017
2017-06-07 - 2017-06-08
Místo: Praha, hotel Clarion

Katalog

COGNEX
COGNEX
Emmy-Noether-Str. 11
76131 Karlsruhe
tel. 737 489 292

B+R automatizace, spol. s r.o.
B+R automatizace, spol. s r.o.
Stránského 39
616 00 Brno
tel. +420 541 4203 -11

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

BALLUFF CZ s.r.o.
BALLUFF CZ s.r.o.
Pelušková 1400
19800 Praha
tel. 724697790

Mitsubishi Electric Europe B.V.
Mitsubishi Electric Europe B.V.
Pekařská 621/7
155 00 Praha 5
tel. +420 251 551 470

všechny firmy
Reklama


Tematické newslettery




Anketa


Ano, proto se je snažíme minimalizovat
Ne, jsou na odpovídající úrovni
Nejsou vysoké, ale rychle rostou

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   Partneři   |   Blogy   |   
Copyright © 2007-2017 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI