معدات الاختبار الآلية

الحاسوب الصناعي هو حاسوب مكتبي عادي مُغلف في رفوف قياسية قياس 19 بوصة، مزود بفتحات PCI/PCIe كافية لاستيعاب بطاقات مُحفز/استشعار الإشارة. ويؤدي هذا الحاسوب دور وحدة التحكم في نظام الاختبار الآلي (ATE). ويتم فيه إدارة تطوير تطبيقات الاختبار وتخزين النتائج. تتضمن معظم أنظمة الاختبار الآلي الحديثة لأشباه الموصلات أجهزة متعددة يتم التحكم فيها بواسطة الحاسوب لتوليد أو قياس مجموعة واسعة من المعايير. قد تشمل هذه الأجهزة وحدات تزويد الطاقة للأجهزة (DPS) ^{[ 1 ] [ 2 ]،} ووحدات قياس المعلمات (PMU)، ومولدات الموجات العشوائية (AWG)، ومحولات الإشارات الرقمية، ووحدات الإدخال/الإخراج الرقمية، ووحدات تزويد الطاقة. تُجري هذه الأجهزة قياسات مختلفة على الجهاز قيد الاختبار (DUT)، ويتم مزامنتها بحيث تُولد وتقيس الموجات في الأوقات المناسبة. وبناءً على متطلبات زمن الاستجابة، تُؤخذ أنظمة الوقت الحقيقي في الاعتبار أيضًا لتحفيز الإشارات والتقاطها.

تُعدّ وصلة الربط الجماعي واجهة توصيل بين أجهزة الاختبار (PXI، VXI، LXI، GPIB، SCXI، وPCI) والأجهزة/الوحدات قيد الاختبار. يعمل هذا القسم كنقطة ربط للإشارات الداخلة والخارجة بين جهاز الاختبار الآلي (ATE) والأجهزة/الوحدات قيد الاختبار.

على سبيل المثال، لقياس جهد جهاز أشباه موصلات معين، تقوم أجهزة معالجة الإشارات الرقمية (DSP) في نظام الاختبار الآلي (ATE) بقياس الجهد مباشرةً وإرسال النتائج إلى جهاز كمبيوتر لمعالجة الإشارة، حيث يتم حساب القيمة المطلوبة. يوضح هذا المثال أن الأجهزة التقليدية، مثل مقياس التيار ، قد لا تُستخدم في العديد من أنظمة الاختبار الآلي نظرًا لمحدودية عدد القياسات التي يمكن للجهاز إجراؤها، والوقت الذي يستغرقه استخدامها لإجراء القياس. إحدى المزايا الرئيسية لاستخدام معالجة الإشارات الرقمية لقياس المعلمات هي الوقت. إذا أردنا حساب ذروة جهد الإشارة الكهربائية ومعلمات أخرى لها، فسيتعين علينا استخدام جهاز كشف الذروة بالإضافة إلى أجهزة أخرى لاختبار تلك المعلمات. أما عند استخدام أجهزة تعتمد على معالجة الإشارات الرقمية، فيتم أخذ عينة من الإشارة، ويمكن حساب المعلمات الأخرى من قياس واحد.

لا تخضع جميع الأجهزة لاختبارات متساوية. فالاختبارات تزيد من التكاليف، لذا نادراً ما يتم اختبار المكونات منخفضة التكلفة بشكل كامل، بينما يتم اختبار المكونات الطبية أو عالية التكلفة (حيث تكون الموثوقية مهمة) بشكل متكرر.

لكن اختبار الجهاز لجميع المعايير قد يكون ضروريًا أو غير ضروري، وذلك بحسب وظائف الجهاز والمستخدم النهائي. على سبيل المثال، إذا كان الجهاز يُستخدم في المنتجات الطبية أو المنقذة للحياة، فيجب اختبار العديد من معاييره، وضمان بعضها. إلا أن تحديد المعايير المراد اختبارها قرار معقد يعتمد على الموازنة بين التكلفة والعائد. إذا كان الجهاز جهازًا رقميًا معقدًا، يحتوي على آلاف البوابات المنطقية، فيجب حساب تغطية اختبار الأعطال. وهنا أيضًا، يكون القرار معقدًا، ويعتمد على اقتصاديات الاختبار، وعلى تردد وعدد ونوع منافذ الإدخال/الإخراج في الجهاز، وعلى التطبيق النهائي.

تتصل أنظمة اختبار المعدات الآلية (ATE) عادةً بأداة وضع آلية، تُسمى "المُعالج"، تقوم بوضع الجهاز قيد الاختبار (DUT) فعليًا على مُهايئ اختبار الواجهة (ITA) ليتمكن الجهاز من قياسه. قد يحتوي الجهاز أيضًا على مُهايئ اختبار واجهة (ITA)، وهو جهاز يُنشئ توصيلات إلكترونية بين نظام اختبار المعدات الآلية والجهاز قيد الاختبار (المعروف أيضًا باسم الوحدة قيد الاختبار أو UUT)، ولكنه قد يحتوي أيضًا على دوائر إضافية لتكييف الإشارات بين نظام اختبار المعدات الآلية والجهاز قيد الاختبار، بالإضافة إلى تجهيزات مادية لتركيب الجهاز قيد الاختبار. أخيرًا، يُستخدم مقبس لتوصيل مُهايئ اختبار الواجهة بالجهاز قيد الاختبار. يجب أن يتحمل المقبس متطلبات الإنتاج القاسية، لذا يتم استبداله عادةً بشكل متكرر.

مخطط توصيل كهربائي بسيط: جهاز اختبار آلي → جهاز اختبار داخلي → جهاز اختبار (عبوة) ← معالج

تستخدم أجهزة الاختبار الآلية القائمة على الرقاقات عادةً جهازًا يسمى المسبار يتحرك عبر رقاقة السيليكون لاختبار الجهاز.

مخطط واجهة كهربائية بسيط: ATE → Prober → Wafer (DUT)

إحدى طرق تحسين وقت الاختبار هي اختبار عدة أجهزة في وقت واحد. تدعم أنظمة اختبار الأجهزة الآلية (ATE) الآن وجود مواقع متعددة حيث تتشارك كل منها موارد النظام. يمكن استخدام بعض الموارد بالتوازي، بينما يجب تسلسل موارد أخرى لكل جهاز قيد الاختبار.

ناقل واجهة الأغراض العامة (GPIB) هو واجهة متوازية قياسية وفقًا لمعيار IEEE-488 (الذي وضعه معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات ) تُستخدم لتوصيل أجهزة الاستشعار والأجهزة القابلة للبرمجة بالحاسوب. يُعد GPIB واجهة اتصالات رقمية متوازية ذات 8 بتات، قادرة على نقل البيانات بسرعة تزيد عن 8  ميجابايت/ثانية. يُتيح هذا الناقل توصيل ما يصل إلى 14 جهازًا بوحدة تحكم النظام باستخدام موصل ذي 24 سنًا. وهو من أكثر واجهات الإدخال/الإخراج شيوعًا في الأجهزة، ومصمم خصيصًا لتطبيقات التحكم في الأجهزة. وقد قامت مواصفات IEEE-488 بتوحيد هذا الناقل وتحديد مواصفاته الكهربائية والميكانيكية والوظيفية، بالإضافة إلى تحديد قواعد الاتصال البرمجية الأساسية. يُعد GPIB الخيار الأمثل للتطبيقات في البيئات الصناعية التي تتطلب اتصالًا قويًا للتحكم في الأجهزة.

طُوِّر معيار GPIB الأصلي في أواخر الستينيات من القرن الماضي بواسطة شركة هيوليت-باكارد لربط أجهزة القياس القابلة للبرمجة التي كانت تُصنِّعها والتحكم بها. وقد أدى ظهور وحدات التحكم الرقمية ومعدات الاختبار القابلة للبرمجة إلى الحاجة إلى واجهة قياسية عالية السرعة للتواصل بين أجهزة القياس ووحدات التحكم من مختلف الموردين. في عام 1975، نشر معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) معيار ANSI/IEEE رقم 488-1975، وهو معيار IEEE للواجهة الرقمية لأجهزة القياس القابلة للبرمجة، والذي تضمن المواصفات الكهربائية والميكانيكية والوظيفية لنظام الربط البيني. وتم تنقيح هذا المعيار لاحقًا في عامي 1978 (IEEE-488.1) و1990 (IEEE-488.2). وتتضمن مواصفات IEEE 488.2 الأوامر القياسية لأجهزة القياس القابلة للبرمجة (SCPI)، والتي تُحدد أوامر مُحددة يجب على كل فئة من فئات الأجهزة الالتزام بها. وتضمن SCPI التوافق وقابلية التكوين بين هذه الأجهزة.

لطالما حظيت ناقلة IEEE-488 بشعبية واسعة نظرًا لسهولة استخدامها وإمكانية الاستفادة من مجموعة كبيرة من الأدوات والمحفزات القابلة للبرمجة. إلا أن الأنظمة الكبيرة تعاني من القيود التالية:

• تحدد سعة توزيع برامج التشغيل النظام إلى 14 جهازًا بالإضافة إلى وحدة تحكم.
• يحد طول الكابل من المسافة بين وحدة التحكم والجهاز إلى مترين لكل جهاز أو 20 مترًا إجمالاً، أيهما أقل. ويؤدي هذا إلى مشاكل في الإرسال للأنظمة المنتشرة في غرفة واحدة أو للأنظمة التي تتطلب قياسات عن بُعد.
• تحدد العناوين الأساسية عدد الأجهزة التي تستخدم عناوين أساسية في النظام بـ 30 جهازًا. ونادرًا ما تستخدم الأجهزة الحديثة عناوين ثانوية، مما يفرض حدًا أقصى قدره 30 جهازًا على حجم النظام. ^{[ 4 ]}

يُحدد معيار LXI بروتوكولات الاتصال لأنظمة القياس وجمع البيانات باستخدام الإيثرنت. تعتمد هذه الأنظمة على أجهزة صغيرة الحجم ووحدات قابلة للتخصيص، باستخدام شبكة محلية (إيثرنت) منخفضة التكلفة ومفتوحة المعيار. توفر الأجهزة المتوافقة مع معيار LXI مزايا الحجم والتكامل للأجهزة المعيارية دون قيود التكلفة والشكل التي تفرضها بنى الأجهزة التقليدية. من خلال استخدام اتصالات الإيثرنت، يتيح معيار LXI مرونة في التغليف، وسرعة إدخال/إخراج عالية، واستخدامًا موحدًا لاتصال الشبكة المحلية في مجموعة واسعة من التطبيقات التجارية والصناعية والفضائية والعسكرية. يتضمن كل جهاز متوافق مع معيار LXI برنامج تشغيل للأجهزة الافتراضية القابلة للتبديل (IVI) لتسهيل الاتصال مع الأجهزة غير المتوافقة مع معيار LXI، بحيث يمكن للأجهزة المتوافقة مع معيار LXI التواصل مع الأجهزة التي لا تتوافق معه (مثل الأجهزة التي تستخدم GPIB أو VXI أو PXI، إلخ). يُسهّل هذا بناء وتشغيل التكوينات الهجينة للأجهزة.

تستخدم أجهزة LXI أحيانًا البرمجة النصية باستخدام معالجات نصوص الاختبار المدمجة لتهيئة تطبيقات الاختبار والقياس. توفر الأجهزة القائمة على البرمجة النصية مرونة معمارية، وأداءً محسّنًا، وتكلفة أقل للعديد من التطبيقات. تعزز البرمجة النصية مزايا أجهزة LXI، كما توفر LXI ميزات تُمكّن البرمجة النصية وتُحسّنها. على الرغم من أن معايير LXI الحالية للأجهزة لا تشترط أن تكون الأجهزة قابلة للبرمجة أو أن تُطبّق البرمجة النصية، إلا أن العديد من الميزات في مواصفات LXI تتوقع وجود أجهزة قابلة للبرمجة وتوفر وظائف مفيدة تُحسّن قدرات البرمجة النصية على الأجهزة المتوافقة مع LXI. ^{[ 5 ]}

تُعدّ بنية ناقل VXI منصةً قياسيةً مفتوحةً للاختبار الآلي، تعتمد على ناقل VME . وقد طُرحت VXI عام 1987، وتستخدم جميع أشكال بطاقات Eurocard، بالإضافة إلى خطوط تشغيل، وناقل محلي، ووظائف أخرى مُلائمة لتطبيقات القياس. تعتمد أنظمة VXI على هيكل رئيسي أو هيكل خارجي مزود بما يصل إلى 13 فتحة، يُمكن تركيب وحدات أجهزة VXI المختلفة فيها. ^{[ 6 ]} كما يُوفر الهيكل جميع متطلبات الطاقة والتبريد اللازمة له وللأجهزة التي يحتويها. يبلغ ارتفاع وحدات ناقل VXI عادةً 6U .

PXI عبارة عن ناقل طرفي متخصص في أنظمة جمع البيانات والتحكم في الوقت الحقيقي. تم طرحه عام 1997، ويستخدم PXI عاملي الشكل CompactPCI 3U و 6U ، ويضيف خطوط تشغيل، وناقلًا محليًا، ووظائف أخرى مناسبة لتطبيقات القياس. يتم تطوير مواصفات أجهزة وبرامج PXI وصيانتها من قبل تحالف أنظمة PXI. ^{[ 7 ]} يُنتج أكثر من 50 مصنعًا حول العالم أجهزة PXI. ^{[ 8 ]}

تُستخدم تقنية USB لتوصيل الأجهزة الطرفية، مثل لوحات المفاتيح والفأرات، بأجهزة الكمبيوتر. وهي عبارة عن ناقل بيانات يعمل بتقنية التوصيل والتشغيل ، ويدعم ما يصل إلى 127 جهازًا على منفذ واحد، ويبلغ معدل نقل البيانات الأقصى النظري له 480  ميجابت/ثانية (سرعة USB عالية وفقًا لمواصفات USB 2.0). ونظرًا لأن منافذ USB تُعدّ من الميزات القياسية لأجهزة الكمبيوتر، فهي تُمثل تطورًا طبيعيًا لتقنية المنافذ التسلسلية التقليدية. مع ذلك، لا يُستخدم USB على نطاق واسع في بناء أنظمة الاختبار والقياس الصناعية لعدة أسباب؛ منها على سبيل المثال، أن كابلات USB ليست صناعية، وتتأثر بالتشويش، وقد تنفصل عن طريق الخطأ، كما أن أقصى مسافة بين وحدة التحكم والجهاز هي 30  مترًا. ومثل RS-232 ، يُعدّ USB مفيدًا للتطبيقات في بيئة المختبر التي لا تتطلب اتصالًا قويًا عبر ناقل البيانات.

RS-232 هو معيار للاتصال التسلسلي شائع الاستخدام في الأجهزة التحليلية والعلمية، وكذلك للتحكم في الأجهزة الطرفية مثل الطابعات. على عكس GPIB، يتيح منفذ RS-232 إمكانية توصيل جهاز واحد فقط والتحكم فيه في كل مرة. كما يُعد RS-232 منفذًا بطيئًا نسبيًا، حيث تقل معدلات نقل البيانات النموذجية فيه عن 20  كيلوبايت/ثانية. يُناسب RS-232 التطبيقات المختبرية التي تتطلب اتصالًا أبطأ وأقل استقرارًا. ويعمل بجهد ±24  فولت.

يمكن تطبيق فحص الحدود كواجهة ناقل على مستوى لوحة الدوائر المطبوعة أو على مستوى النظام للتحكم في أطراف الدائرة المتكاملة وتسهيل اختبارات الاستمرارية (الترابط) على وحدة الاختبار (UUT)، بالإضافة إلى اختبارات المجموعات الوظيفية على الأجهزة المنطقية أو مجموعات الأجهزة. كما يمكن استخدامه كواجهة تحكم لأجهزة قياس أخرى يمكن تضمينها في الدوائر المتكاملة نفسها (انظر IEEE 1687) أو أجهزة تُعد جزءًا من نظام اختبار خارجي قابل للتحكم.

تعتمد إحدى أحدث منصات أنظمة الاختبار على أجهزة مزودة بمعالجات مدمجة لبرامج الاختبار النصية، بالإضافة إلى ناقل بيانات عالي السرعة. في هذا النهج، يقوم جهاز رئيسي واحد بتشغيل برنامج نصي للاختبار (برنامج صغير) يتحكم في عمل الأجهزة التابعة المختلفة في نظام الاختبار، والتي يرتبط بها عبر ناقل بيانات عالي السرعة لمزامنة الإشارات والاتصال بين الوحدات، وذلك باستخدام شبكة محلية (LAN). وتُعرف البرمجة النصية بأنها كتابة البرامج بلغة برمجة نصية لتنسيق سلسلة من الإجراءات.

يُعد هذا الأسلوب الأمثل لنقل الرسائل الصغيرة التي تميز تطبيقات الاختبار والقياس. وبفضل انخفاض الحمل الزائد على الشبكة ومعدل  نقل البيانات الذي يصل إلى 100 ميجابت/ثانية، فهو أسرع بكثير من بروتوكول GPIB وشبكة إيثرنت 100BaseT في التطبيقات العملية.

تتميز هذه المنصة بأن جميع الأجهزة المتصلة بها تعمل كنظام واحد متكامل متعدد القنوات، مما يتيح للمستخدمين توسيع نطاق نظام الاختبار الخاص بهم ليناسب عدد القنوات المطلوبة بكفاءة عالية من حيث التكلفة. يمكن لنظام مُهيأ على هذا النوع من المنصات أن يعمل بشكل مستقل كحل متكامل للقياس والأتمتة، حيث تتحكم الوحدة الرئيسية في مصادر الإشارة، والقياس، وقرارات النجاح/الفشل، والتحكم في تدفق تسلسل الاختبار، والتصنيف، ومعالج المكونات أو المجس. كما أن دعم خطوط التشغيل المخصصة يعني إمكانية إجراء عمليات متزامنة بين أجهزة متعددة مزودة بمعالجات نصوص اختبار مدمجة، والمرتبطة عبر ناقل عالي السرعة، دون الحاجة إلى وصلات تشغيل إضافية. ^{[ 9 ]}