Sistemas de Control y Vending S.L. >>> SMB
Proyecto SMB
es el nombre por el que se conoce al banco de pruebas de sensores inclinómetros/acelerómetros que SCV desarrolló para Robert Bosch España durante los años 2001-2002. El objetivo principal del proyecto consistia en una aplicación capaz de realizar una serie de pruebas y el tarado (grabacion del registro interno) a un numero determinado de microsensores de inclinación. Estas pruebas se dividen en pruebas de temperatura y pruebas de giro. Dichas pruebas se realizan en una camara de temperatura y en un útil de giro respectivamente.
El proyecto SMB comenzó por conocer a fondo el microsensor de inclinación, objeto de todo este proyecto (BOSCH SMB). El microsensor está provisto de las siguientes 6 patillas:
- Uout: Es la salida del microsensor. Una vez programado, ésta varía de 1.5 V a 4.5 V según el ángulo de inclinación.
- Vcc: Es la alimentación del microsensor (5V)
- Data: Esta patilla sirve para leer y escribir datos del microsensor
- Clock: Señal de reloj
- Temp: Salida del sensor de temperatura incorporado en el microsensor (opcional)
- Gnd: Señal de masa.
Este microsensor está provisto de un registro interno con una serie de campos que definen su comportamiento. Estos campos tienen un tamaño entre 1 y 9 bits y su utilidad es variada. Un campo habita o deshabita el autotest (Built In Test) que efectúa el sensor al ser encendido. Otro representa un offset con el cual variaremos la señal de salida con inclinación nula. También existe otro offset dependiente de la temperatura. Otros dos campos nos indican el tipo de sensor y la sensibilidad de éste. Por último tenemos un bit de inhibición de programación.
Las pruebas se realizan en una cámara de temperatura preparada con un útil de contactado en el que se puede insertar una placa que contiene 78 microsensores y en una cámara de giro en la que existe un util de contactado similar.
El principal objetivo de las pruebas que se realizan a cada microsensor es el de encontrar los valores óptimos de los campos de su registro interno para que éste se comporte tal y como es requerido por el usuario final del microsensor. Una vez encontrados estos valores, se programa el microsensor con ellos y se le marca como bueno. Los microsensores que no pasen todas las pruebas se marcan como malos y se desechan. El orden de las pruebas es siempre primero las pruebas de temperatura (donde se calcula y se tara el offset dependiente de la temperatura) y finalmente las de giro.El proceso de prueba de temperatura comprende 3 fases denominadas RT1 (Temperatura baja 1), HT (Temperatura Alta), y RT2 (Temperatura baja 2). Durante estas pruebas, se hacen multitud de medidas y tarados provisionales (programación soft del registro) al sensor hasta encontrar el offset dependiente de la temperatura óptimo. Una vez encontrado el valor óptimo se le hace un tarado definitivo con este valor (programación hard o quemado).Durante las pruebas de giro, ocurre algo parecido, puesto que se efectúan mediciones y programaciones soft con inclinaciones nula, de 45º y de -45º con el fin de encontrar los valores óptimos de los demás campos del registro del sensor. Una vez hallados, se procede al tarado definitivo del resto de los campos del sensor.
El
banco está dividido en dos máquinas denominadas A y B, las
cuales pueden funcionar de manera independiente la una de la otra. Algunas
de las razones por las que se ha empleado esta filosofía, son la
comparación de funcionamiento de las dos máquinas, la cual
puede facilitar la localización de fallos, y el aumento de la velocidad
del proceso de prueba o rendimiento de la máquina.
En la bandeja de horno, la mitad de los microsensores pertenecen a A y
la otra mitad a B. En el giro, ocurre lo mismo.
Figura 1. Esquema de la instrumentacion
El esquema principal de la instrumentación empleada se encuentra en la figura 1. A la izquierda podemos ver representadas las dos cámaras del banco. La única diferencia entre estas dos cámaras es que la cámara de giro, no utiliza la señal de temperatura de los sensores. Durante el proceso de pruebas de los sensores, nos vemos obligados a realizar mediciones precisas de algunas patillas de los sensores. Para medir voltajes, el banco dispone de 6 multímetros digitales Keithley 2700 (3 de A y 3 de B) con los que se miden en paralelo las señales de Temp, Vout y Vcc. Para encaminar estas señales, se utilizan tarjetas de multiplexores de relé incorporadas en los multímetros. Dada la gran variedad de magnitudes a medir, se han utilizado una serie de modos de configuración para los multímetros, uno para cada tipo de señal a medir.
La figura 2 nos muestra la vista frontal del banco con los dos armarios que la componen. El de la izquierda aloja toda la instrumentacion mientras que el de la derecha contiene el PC sobre el que corre la aplicación de control y la caja electrica del banco.
Antes
de realizar la lectura y programación del registro del microsensor,
necesitamos encaminar las señales de Clock, Data y Vcc hacia un
módulo de tarado (Tar-A y Tar-B). Esto se consigue con dos
sistemas de conmutación Keithley 7002 (SW-A y SW-B) equipados
con 6 tarjetas de relés de 40 pares de líneas cada uno.
La caja de tarado es controlada por el software de control mediante 16
líneas digitales, a través de la tarjeta NI-6533.
Para realizar la programación y lectura del sensor, es necesario
enviar pulsos de muy corta duración por las patillas de Clock y
Data. Esto es posible hacerlo mediante las funciones de envío de
ráfagas que nos proporciona NI-DAQ para la tarjeta digital
NI-6533.
Las fuentes de continua que ofrecen alimentación al sensor (Pow-Sup-A
y Pow-Sup-B) lo hacen a través del módulo de tarado para
mejorar la velocidad de conmutación de la tensión correspondiente.
Se utilizan dos fuentes de Agilent Technologies 6611C.
La parte mecánica del banco es controlada por un PLC que se comunica con el programa de control mediante un puerto serie en el que se implementa el protocolo 3964R de Siemens. El PLC es el encargado de todo tipo de acción mecánica como poner los microsensores donde corresponda en cada momento, girar los sensores, abrir y cerrar la puerta del horno, así como de cambiar la temperatura del mismo.
Este es el listado completo de la instrumentacion empleada en el banco:
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2 Tarjetas GPIB National Instruments.
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6 Multímetros digitales Keithley 2700
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12 Tarjetas de relés Keithley 7702
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2 Equipos de conmutación Keithley 7002
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12 Tarjetas de relés 7011
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2 Fuentes de alimentation Agilent 6611C
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Mainframe PXI-1010
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Bus SCXI
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Tarjeta digital I/O 6533
-
Interfaz MXI3 PXI-PCI-83302
-
Módulos específicos de tarado
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Controlador PCI Pentium III Compaq
PROGRAMACION.
La programacion del banco se ha realizado con LabWindows CVI 5.5, de la prestigiosa compañía NATIONAL INSTRUMENTS. Con el fin de optimizar tiempos, la programación del banco incorpora la multitarea (con el API de win32) en todas las acciones en las que esta sea posible. Gracias a esto, podemos contar con ciertos recursos del sistema como:
- Semaforos: Empleados para implementar exclusividad en el empleo de ciertos rescursos. Por ejemplo, un multímetro puede ser usado por varias tareas, que esperarán una a una a que el multímetro esté libre, según vayan llegando a la cola.
- Eventos: Nos permiten la sincronización de procesos. Los eventos se activan y desactivan cuando ha pasado algo significativo en la ejecucion del programa, avisando a otros procesos para que tomen las acciones que sean necesarias.
- Mailboxes: Son los buzones que utilizan los procesos para intercambiar información.
- Threads: Tambien llamados hilos. Son procesos que pueden ejecutarse de manera paralela.
Las
pruebas de horno las realizan a la vez dos threads, uno de cada
máquina. Cada uno de estos threads realiza secuencialmente las
pruebas a cada uno de los microsensores que le corresponde, para ello,
encamina todas las señales del microsensor para poder trabajar
con él. Con las pruebas de giro ocurre lo mismo.
Gracias a este método de programación, mientras el horno
no esta utilizando la instrumentación porque se encuentra realizando
el calentamiento-enfriamiento de la cámara, se pueden realizar
las pruebas de giro.
Debido
a la gran cantidad de elementos con los que interactúa el software
de control, se ha hecho uso de ciertos servidores (SRV, indicados
en rojo en la figura 3) accesibles
mediante librerías de enlace dinámico (DLL, indicados
en verde claro), con lo que se simplifica y se reparte la comunicación
con el PLC, el módulo de tarado y el servidor de trazas.
La instrumentación manejada mediante comandos SCPI y IEEE-488.(1/2) por el bus GPIB está compuesta de 6 multímetros, dos mainframes de conmutación y dos fuentes de alimentación.
El fichero Parametros.c nos provee de un sistema capaz de cargar valores de una tabla de Excel con la finalidad de configurar nuestra aplicación con sólo modificar parámetros en dicha tabla.
El usuario puede visualizar en cada momento cada uno de los paneles en los que se ofrece información relativa a las pruebas manuales de enrutado y tarado, pruebas de temperatura y giro, etc...
MODULOS DE TARADO
La comunicación entre la aplicacion y los sensores se realiza a través de un hardware de propósito específico llamado modulo (o caja) de tarado. La caja de tarado de los sensores SMB está compuesta por una serie de tarjetas de circuito impreso interconectadas entre si por medio de un back-plane de bus VME C64 además de varias fuentes de alimentación que generan las distintas tensiones necesarias para la lectura y programación.
En la figura 4, podemos ver la parte frontal de un caja de tarado SMB. En la parte inferior derecha pueden verse una serie de conectores BNC que nos facilitan una variedad de señales muy útiles a la hora de depurar el funcionamiento de los módulos. Sobre estos conectores se encuentra la tapa tras la que se hallan las tarjetas de circuito impreso. En la parte izquierda del frontal podemos encontrar las dos fuentes (dobles) de alimentacion y el interruptor de encendido/apagado.
En la figura 5, vemos la vista trasera del módulo de tarado. De izquierda a derecha se encuentra el conector de comunicacion con la tarjeta digital y debajo de este la alimentacion externa del sensor proveniente de la fuente de alimentacion Agilent. Luego encontramos una serie (6) de conectores Lemo, que nos traen las señales de un sensor, provenientes del enrutado realizado por los módulos Keithley 7002. Sobre ellos dos BNC cuya función es medir la calidad del quemado de los bits del registro del sensor. Finalmente a la derecha se encuentra el conector de alimentacion de corriente AC a 220V.
CABLEADO
Dada
la gran cantidad de conexiones que existen entre las cámaras de
giro y temperatura y el banco de programación, se desarrolló
un complejo sistema de cableado. Si echamos cuentas sobre las conexiones
de la camara de temperatura podemos ver que 78 (el sistema esta previsto
hasta para 80) sensores con 6 pares de señales (señal-masa)
cada uno hacen un total de 936 señales. Estas señales provenientes
de la cámara de temperatura irán, en varias mangueras, conectadas
a las tarjetas de relés que se hallan en los multímetros
Keithley 2700 y en los equipos de conmutación Keithley
7002. Se eligieron conectores ITT Canon, por su alta calidad
y comodidad.En la figura 6 podemos
ver la conexión entre una manguera proveniente de la cámara
de temperatura (trae los 78 pares de lasseñales de Vcc de todos
los sensores) y la parte trasera del multímetro destinado a medir
esta magnitud. Justo encima de la manguera conectada, vemos un conector
hembra sin manguera conectada, es el conector que conecta todas las señales
de Vdd de la camara de giro. Este sistema se ideó para dotar al
cableado de la máxima flexibilidad posible, puesto que realizar
un cableado directo de todas las señales de la manguera a las bornas
internas de la tarjeta multiplexora, implicaría una mayor dificultad
en operaciones de mantenimiento en caso de fallo.Cada tarjeta de relés
lleva incorporado un conector hembra ITT Canon cableado a las bornas
internas. 
En caso de fallo (rotura accidental de un relé) bastaria con cambiar la tarjeta junto con su conector por otra de repuesto, sin afectar esto a la manguera de señales. Para unir los conectores solidamente a los multímetros se diseñaron unas placas de soporte robustas.En la figura 7 vemos la misma técnica de antes, aplicada a las matrices de conmutación Keithley 7002. las cuales encaminan las señales Clock, Data y Vcc hacia el módulo de tarado correspondiente.En la parte superior de la figura 8 puede verse la conexion de las 12 mangueras que van a los 6 multímetros Keithley 2700. Las mangueras van fijadas a uno de los laterales del armario mediante unas solidas abrazaderas. En la figura 9 podemos ver la 12 mangueras que van conectadas a las tarjetas de relés de los equi pos de enrutado Keithley 7002.
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LA APLICACION
La aplicacion de control del banco fue programada con el entorno visual LabWindows CVI 5.5. A continuación mostramos algunos paneles de la aplicación.
El panel principal de la aplicacion nos proporciona una vision completa del estado de la máquina. En la parte superior se encuentra un esquema de las cámaras que componen la máquina, en las que se puede ver el numero de placa de sensores que se encuentra en ella actualmente. A la derecha se encuentran botones que dan acceso a otros paneles auxiliares al principal. En la parte central, vemos el contenido de las cámaras de temperatura y giro. Pinchando en cualquier sensor de estas cámaras, se despliega el panel de datos dinámicos del sensor, que veremos a continuación.
El panel de datos dinámicos del sensor, nos informa de la evolución de un sensor durante el proceso de pruebas. En el podemos encontrar información relativa a las pruebas de horno (temperatura) y giro.
El panel de enrutamiento manual, sirve para realizar la conexión entre un sensor y la instrumentacion necesaria para realizarle las pruebas. Se puede enrutar a la vez un sensor de la maquina A y otro de la máquina B. Se puede elegir entre la cámara de temperatura o de giro.
Este proyecto fue presentado en público el dia 12 de febrero de 2002 durante los NIDAYS de Madrid. Este congreso es celebrado anualmente por NATIONAL INSTRUMENTS con el el fin de dar a conocer los nuevos avances en el mundo de los sistemas de test y medida, así como soluciones de usuario en la que la utilización de productos de ésta marca han sido de importancia vital para el producto final desarrollado.