Ottimizzare il collaudo dello standard ZigBee

WIRELESS TEST –

Con LabView e l’analizzatore di segnale vettoriale RF PXI-5660 di National Instruments è stato possibile accelerare il test dello standard ZigBee 802.15.4 ottimizzando la velocità di trasmissione dati, ripetibilità e accuratezza nel collaudo di fine linea nella produzione di MaxStream.

Lo standard ZigBee è una tecnologia wireless rivolta ad applicazioni di natura consumer, commerciale, governativa e industriale per comunicazioni di basso-medio raggio. La specifica include reti mesh a elevata affidabilità, consumi ridotti e bassi costi di implementazione. La trasmissioni via etere sono regolate dalla specifica Ieee 802.15.4, che fornisce un bitrate di 250 kbps in una banda di 2.4 GHz. Le altre bande di frequenza lavorano a velocità di trasmissione dati più basse, ma la popolarità dei prodotti basati sulla tecnologia da 2.4 GHz è apprezzata in tutto il mondo. Lo standard ZigBee fornisce fino a 16 canali tramite Dsss (Direct sequence spread spectrum). MaxStream è uno dei maggiori fornitori di soluzioni embedded wireless, sia basate su standard che proprietarie. Con l’aggiunta dell'analizzatore di segnale vettoriale PXI-5660 al nostro sistema di test di fine linea, abbiamo migliorato la velocità di tramsissione, ripetibilità e accuratezza. L’espandibilità e la flessibilità della piattaforma Pxi ci ha permesso di incrementare il nostro sistema di test di fine linea per rimanere al passo con la rapida crescita della nostra azienda. L’ambiente di progettazione di sistemi LabView è da tempo uno dei componienti chiave del sistema di test di fine linea di produzione di MaxStream. Lo utilizziamo per una vasta gamma di test funzionali, RF, operativi e di programmazione in impianti di produzione interessati da criticità. La stazione di test montata su rack, esegue test elettrici basici, programmazione di microcontrollori, test e calibrazione di parametri RF e customizzazione di moduli. Ciascuna stazione di test del nostro sistema di test di fine linea era formata da un analizzatore di spettro RF, un generatore di segnale RF, un misuratore di potenza RF, un alimentatore Dc, un’antenna per i test via etere, un Pc commerciale con LabView run-time engine, due schede Daq PCI-6025E e un’interfaccia Pci-Gpib per il controllo degli strumenti montati sul rack. Facendo un benchmark è emerso che i test RF – specialmente le misure tramite analizzatore di spettro – limitavano la velocità di trasmissione dati del sistema. Tutta la batteria delle misure dell’analizzatore di spettro richiedeva circa 10 secondi. Un’analisi del tempo di esecuzione ha rivelato due colli di bottiglia: I tempi di sweep dell’analizzatore di spettro impiegavano una buona percentuale dei tempi di misura, seguiti dai tempi di setup e di strasferimento dati tramite GPIB. Questi cambiamenti possono incidere profondamente in un impianto di produzione e quindi avere un impatto considerevole nel core business di un’azienda. Per ridurre ogni eventuale rischio, abbiamo preso in prestito l’analizzatore di segnali vettoriali NI PXI-5660 di National Instrumement per avere un riferimento sul possibile miglioramento di velocità. Inoltre abbiamo effettuato un insieme di test per identificare qualsiasi rischio significante.

Miglioramenti nella velocità
Già dalle prime ore, il vantaggio in termini di velocità era palese. Abbiamo messo l’analizzatore di segnali vettoriali di National Instruments accanto all'analizzatore 8594E di Agilent. Abbiamo effettuato diversi tipi di misure mantenendo invariati l’ampiezza di banda, le misure dell’array dei dati, i livelli di riferimento e l’arco di tempo. In tutte le misure effettuate dalla stazione di test MaxStream, l’analizzatore PXI-5660 ha ottenuto una velocità di 10 volte superiore rispetto al 8594E di Agilent. Le misure tramite analizzatore di spettro, che richiedevano circa 10 secondi con uno strumento montato su rack tramite Gpib, adesso terminano in meno di un secondo. Il digitalizzatore IF a elevata ampiezza di banda, unito al backplane Pc a bassa latenza ed elevata ampiezza di banda nello chassis Pxi offrono misure più rapide e una maggiore velocità di produzione. La strumentazione virtuale ha fornito notevoli miglioramenti al generatore di segnali anche se abbiamo mantenenuto il generatore originale. Nel sistema originale, un pezzo di hardware proprietario forniva il segnale modulato al generatore di segnale RF. Con l’aumento del numero di prodotti e delle frenquenze di dati, l’hardware proprietario non era in grado di sostenere le prestazioni richieste – nello specifico per le frequenze di dati richieste per gli standard ZigBee e 802.15.4. Durante il processo di sviluppo, abbiamo utilizzato un VI (Virtual Instruments) di LabView e una scheda Daq PCI-6250 della Serie M per produrre la forma d’onda richiesta per lo standard 802.15.4. Nel passaggio in produzione, abbiamo migliorato questo codice per supportare tutti i tipi di radio MaxStream, sostituendo l’hardware proprietario e migliorando le prestazioni.

Il test di produzione
Lo scopo di un sistema di test di fine linea di produzione è quello di determinare la correttezza dell’assemblaggio di un dispositivo nel più breve tempo possibile. Il desiderio implicito in questo scopo è ridurre i tempi di test ottimizzandone l’accuratezza. Alcune filosofie di test di fine linea di produzione richiedono alcune funzioni in più rispetto all tradizionale verifica operativa. Dall’altro capo dello spettro si trova un sistema di validazione di qualsiasi specifica tramite temperatura, vibrazioni, variazioni di temperatura e cambi di tensione. Ovviamente, i requisiti degli strumenti e i tempi di test influenzano pesantemente i costi, che possono variare lungo lo spettro di completezza del test. La maggior parte dei sistemi di test si trova in mezzo a due estremi di questo spettro. Un beneficio dell’impiego di un chipset basato su standard – come per tutte le soluzioni ZigBee - riguarda la presenza di alcuni livelli di test prima che i chip vengano posizionati sulla scheda. Questo reduce il costo del test di produzione e permette al sistema di test di impiegare meno tempo nella validazione del chip e più tempo nel test del sistema. Un modulo ZigBee richede meno test rispetto a un ricetrasmettitore proprietario, risparmiando il tempo che invece è richiesto per i test di modulazione e maschera e permettendo una semplice e veloce calibrazione RF, mask testing e anlisi di modulazione. Nella produzione, le misure più critiche riguardano la trasmissione di potenza, frequenza e maschera spettrale. Il PXI-5660 con un'ampiezza di banda IF di 20 MHz, offre misure più veloci per questi parametri rispetto alla maggior parte degli strumenti su rack della stessa fascia di prezzo, che tipiacamente supportano un’ampiezza compresa tra 3 e 5 MHz. Lo spettro 802.15.4 supera l'ampiezza di banda IF di molti di questi strumenti, richiede tempi più lunghi di sweep o acquisizione per ottenere gli stessi dati. Una delle caratteristiche del PXI-5660 è il downconverter digitale in grado di demodulare un segnale trasmesso sull'hardware, presentando i dati di banda base su LabView e permettendo l'analisi dello spettro RF trasmesso con una precisione di gran lunga superiore alla maschera spettrale.

Il test di sviluppo
Mentre il test di produzione è focalizzato sull'ottimizzazione della velocità di trasmissione dati in un breve arco di tempo, lo scopo del test di sviluppo, in cambio, è quello di ottimizzare la copertura e l'analisi di tutti i possibili casi al di fuori dei normali parametri. Ancora una volta, il PXI-5660 primeggia in quest’area. NI Spectral Measurements Toolkit for LabView include VI per molti strumenti applicabili allo ZigBee e 802.15.4, inclusa potenza in banda, potenza nel canale adiacente, ampiezza di banda occupata e la ricerca di picchi dello spettro. NI Modulation Toolkit for LabView fornisce una generazione del segnale avanzata e l’analisi utile nel test dello standard 802.15.4, riducendo lo sforzo richiesto per creare dei generatori e ricevitori di pacchetti di dati per il test e la validazione da banco. Gli strumenti modulari Pxi forniscono dei miglioramenti di prestazioni a parità di costo, o meglio, rispetto agli strumenti da rack che abbiamo sostituito.I piani futuri includono la migrazione di  tutte le schede Pci nella stazione di test su Pc con gli equivalenti Pxi. La piattaforma software e hardware di National Instruments consente questa transizione in maniera agevole, senza bisogno di apportare modifiche al codice.

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