Innowacyjny tester Over-the-Air wspiera produkcję tanich urządzeń IoT

Wykorzystanie potencjału Internet of Things wymaga sprostania obecnym wyzwaniom związanym z testowaniem tych urządzeń


Pojęcie Internet of Things (IoT) nie jest już fikcją, lecz szybko staje się rzeczywistością. Do 2020 roku około 20 miliardów urządzeń zostanie skomunikowanych ze sobą niezależnie od tego, czy są to inteligentne urządzenia domowe, przenośne, medyczne z łącznością bezprzewodową czy też podsystemy samochodowe. IoT przyniesie ogromne udogodnienia i możliwości biznesowe. Jednak, aby zapewnić sukces IoT, wszystkie urządzenia – w tym nawet najmniejszy czujnik – muszą być niezawodne, tanie i produkowane masowo. Tradycyjne metody testowania są zbyt drogie i czasochłonne, aby sprostać tym wymaganiom.

Po co testować urządzenia IoT?

Testowanie jest kluczowe w aplikacjach IoT. Wiele obszarów ich zastosowań obejmuje aplikacje o znaczeniu krytycznym, w tym monitorowanie procesów przemysłowych czy też śledzenie parametrów życiowych pacjenta w zastosowaniach medycznych. Bez odpowiednich testów urządzenia mogą zawieść lub działać w świecie rzeczywistym z parametrami znacznie odbiegającymi od tych zmierzonych w środowisku laboratoryjnym. W aplikacjach o znaczeniu krytycznym awarie lub nieoczekiwane działanie mogą nawet zagrażać życiu.

Z drugiej strony właściwe testowanie urządzeń IoT pozwala:

  • eliminować wadliwe oraz nie w pełni funkcjonalne komponenty i urządzenia
  • wykrywać problemy montażowe
  • identyfikować na wczesnym etapie dryft parametrów, pozwalając na wczesną korekcję błędów zapobiegającą awariom i konieczności wycofania produktów ze sprzedaży

Ostatecznym celem testowania urządzeń IoT jest poprawa jakości i niezawodności produktów. Pomaga to chronić reputację firmy i zapewnia jej zaufanie klientów.

Co się stanie, gdy testy nie zostaną przeprowadzone prawidłowo? Konsekwencje awarii produktu mogą być poważne, włącznie z ogromną stratą czasu potrzebnego na rozwiązanie problemu lub naprawę urządzenia. A jeśli produkt został wysłany do klienta zanim problem został zidentyfikowany, konsekwencje mogą być jeszcze gorsze, włącznie z wycofaniem produktu z rynku i negatywnym wpływem na markę firmy.

Kluczowe parametry do testowania

Test urządzenia IoT nie musi być skomplikowany ani kosztowny, przy założeniu, że znamy kluczowe parametry mogące mieć wpływ na jego funkcjonowanie. Urządzenia IoT zwykle używają przetestowanego modułu w.cz., którego parametry są gwarantowane przez producenta. Kompleksowe testy parametryczne zostały już przeprowadzone na poziomie chipsetu lub modułu, jednak konstrukcja urządzenia i sposób wykorzystania chipsetu lub modułu w rzeczywistym projekcie mogą nieco zmienić jego parametry.

Przykładowo, gdy wiele komponentów zostanie ściśniętych na małej przestrzeni ze względu na ograniczenia miejsca na płytce drukowanej, mogą pojawić się przesłuchy i niedopasowania, które spowodują wykroczenia poza dopuszczalne marginesy projektowe podczas produkcji seryjnej. Problemem mogą być również tolerancje wymiarów obudowy. Testowanie urządzenia z pokrywą lub bez niej może zmienić wzór propagacji fali elektromagnetycznej i spowodować zmianę parametrów podczas testowania w różnych konfiguracjach.

Problemy z montażem, takie jak ilość zastosowanego lutowia, tolerancje parametrów, niedokładne pozycjonowanie, a także brakujące komponenty mogą również spowodować awarię.

Zrozumienie najważniejszych testowanych parametrów i ich wpływu na działanie produktu ma kluczowe znaczenie dla podjęcia decyzji o zakresie testów.

Testy mocy nadajnika i czułości odbiornika – aby upewnić się, że produkt jest w stanie zapewnić określony zasięg transmisji, należy zweryfikować moc nadajnika i czułość odbiornika. Pomiar mocy nadajnika pozwala upewnić się, że sygnał wyjściowy ma dostateczną moc, aby dotrzeć do odbiornika, a równocześnie na tyle małą, aby nie naruszał obowiązujących norm prawnych i nie obciążał nadmiernie baterii. Test czułości odbiornika sprawdza, czy siła sygnału na jego wejściu wystarcza do prawidłowego dekodowania danych przy określonej pakietowej stopie błędów.

Pakietowa stopa błędów (Packet Error Rate – PER) – współczynnik PER jest stosowany do oceny jakości odbiornika. Wiele systemów transmisji bezprzewodowej stosuje techniki wykrywania i korekcji błędów weryfikujące, czy dane wysłane przez nadajnik zostały poprawnie odebrane przez odbiornik. Jeśli dane zostały odebrane poprawnie, odbiornik wysyła do nadajnika sygnał potwierdzenia pozwalający na przesłanie kolejnego pakietu danych. Jeśli dane są niepoprawne, nadajnik musi je przesłać ponownie, co obniża szybkość transmisji. Na przykład przy transmisji Bluetooth brak sygnału potwierdzenia z odbiornika spowoduje, że nadajnik będzie ponawiał transmisję, czego konsekwencją będzie zmniejszenie przepustowości systemu. Dlatego też pomiar współczynnika BER odbiornika jest ważny dla zapewnienia wystarczającej szybkości transmisji.

Pomiar PER polega na zliczaniu pakietów odebranych przez odbiornik z serii następujących po sobie pakietów wysłanych przez tester. Test jest zazwyczaj przeprowadzany na poziomie największej czułości.

Test czułości (Sensitivity Search) – inną z metod oceny jakości odbiornika jest test czułości. Jest on przeprowadzany poprzez zmianę mocy na wejściu nadajnika w całym dopuszczalnym zakresie i określenie poziomu, przy którym współczynnik BER zaczyna się obniżać. Test ten jest powszechnie stosowany do oceny odbiorników, jednak ze względu na to, że może być bardzo czasochłonny, ponieważ musi przejść przez wiele poziomów mocy, aby znaleźć najbardziej wrażliwy, zwykle nie jest częścią standardowego testu produkcyjnego. Warto jednak losowo sprawdzić kilka urządzeń podczas produkcji, aby wykryć różnice ich parametrów i wyłapać potencjalny problem z jakością.

Wyzwania testowe

Teraz, gdy lepiej rozumiesz znaczenie krytycznych parametrów mogących mieć wpływ na działanie twojego urządzenia IoT, możesz zdefiniować strategię testową. Będzie ona się różniła w zależności od standardu komunikacji bezprzewodowej. Na przykład producenci urządzeń IoT pracujących w standardach Bluetooth Low Energy (BLE) i Wireless Local Area Network (WLAN) napotykają kilka krytycznych wyzwań opracowując strategie testowe. Cztery najważniejsze z nich to:

1. Brak połączenia przewodowego

Wiele urządzeń IoT jest tanich i małogabarytowych. Mają wbudowaną antenę, a całość jest zamknięta w małej obudowie bez portu do prowadzenia pomiarów. Bez tego połączenia projektanci i producenci są zmuszeni sami opracować sposób przeprowadzenia testów nadajnika i odbiornika.

2. Wymagany specjalny sterownik do chipsetu

Większość metod testowania urządzeń BLE i WLAN wymaga sterownika do chipsetu, pozwalającego na przestawienie urządzenia w tryb testowy. Jest to żmudne i czasochłonne, ponieważ różne chipsety wymagają różnych sterowników. Opracowywanie i zarządzanie wieloma wersjami sterowników jest koszmarem dla większości inżynierów testujących. Opracowanie sterownika wymaga miesięcy pracy, a opracowanie metody testowej wymaga ścisłej współpracy z producentem chipsetu. Do załadowania i wykasowania oprogramowania testowego firmware wymagane są dodatkowe etapy produkcyjne.

3. Długi czas testu

Istniejące metody testowe, wykorzystujące tryb testowy (znany też jako test bez sygnalizacji), są czasochłonne. Zazwyczaj wymagają od operatora wgrania testowego oprogramowania firmware, wykonania długiej listy testów nadajnika i odbiornika, a następnie wykasowania oprogramowania testowego i wgrania finalnego oprogramowania firmware. Zajmuje to dużo czasu, zwiększa koszty testowania i zmniejsza przepustowość linii produkcyjnej.

4. Brak możliwości uchwycenia wad powstałych po finalnym montażu

Ponieważ testowany produkt nie jest w wersji finalnej ani nie zawiera finalnego oprogramowania firmware, istnieje ryzyko nie zarejestrowania błędów mogących pojawić się dopiero po jego zmontowaniu. Oznacza to ryzyko wysyłki wadliwego produktu do klientów.

Rozwiązywanie wyzwań związanych z testowaniem urządzeń IoT

Na szczęście, opisanym wyzwaniom można łatwo sprostać dzięki nowej metodzie testowania, wykorzystującej innowacyjny tester sygnalizacyjny OTA (Rys. 1). Korzystając z tego testera, pomiary zarówno nadajnika jak i odbiornika mogą być prowadzone bezprzewodowo z wykorzystaniem standardowych pakietów zdefiniowanych w specyfikacji Bluetooth lub 802.11.

Rys. 1. Nowy tester funkcjonalny Keysight X8711A IoT umożliwia łatwe, szybkie i tanie prowadzenie pomiarów bezprzewodowych nadajników i odbiorników w urządzeniach IoT

Na przykład, urządzenia BLE będą nadawać dane w 3 kanałach rozgłoszeniowych. Mierząc ich parametry, tester sygnalizacji OTA może przeprowadzić niezbędne pomiary mocy nadajnika. W przypadku pomiarów PER tester wysyła wiadomości do urządzenia, stymulując jego odpowiedź. Zliczając pomyślnie odebrane sygnały zwrotne może określić współczynnik PER urządzenia.

Za pomocą tej metody można przeprowadzić testy nadajnika i odbiornika w czasie krótszym niż 30 s, co daje znaczącą poprawę zarówno jeśli chodzi o czas pomiaru, jak i jego koszt. Co więcej, testy można przeprowadzać bez specjalnego sterownika chipsetu i bez dostępu do cyfrowego portu komunikacyjnego (UART lub USB) do sterowania urządzeniem.

Testy nadajnika i odbiornika mogą być wykonywane przy wykorzystaniu finalnego oprogramowania produkcyjnego firmware, co eliminuje dodatkowe fazy instalacji i deinstalacji oprogramowania testowego. W rezultacie skraca się ogólny czas prowadzenia testów. Urządzenie jest testowane z finalną wersją oprogramowania firmware i w finalnej obudowie, co zwiększa szansę wykrycia większości błędów produkcyjnych i uzyskania założonych parametrów pracy w rzeczywistym świecie.

Podsumowanie

Światowy rynek IoT szybko rośnie. Wzrost ten daje ogromne możliwości producentom IoT, ale stwarza też duże wyzwania. Kluczem do osiągnięcia sukcesu rynkowego jest szybkie wprowadzanie produktów do sprzedaży, ograniczenie kosztów i zapewnienie wysokiej jakości produktów.

Nowa kategoria rozwiązań do prowadzenia bezprzewodowych testów funkcjonalnych daje producentom idealny sposób na sprostanie tym wyzwaniom. Dzięki nim projektanci i producenci mogą prowadzić dokładne pomiary parametrów nadajników i odbiorników szybko i tanio, aby zagwarantować wysoką jakość produktów.

Dystrybutorem produktów Keysight Technologies w Polsce jest firma AM Technologies Sp. z o.o. Sp.k., Al. Jerozolimskie 146c, 02-305 Warszawa, tel. 22 5322800, fax 22 5322828, e-mail: info@amt.pl.

O autorze

Menedżer sektora przemysłowego oddziału General Electronics Measurement Solutions firmy Keysight Technologies. Przedtem zajmowała się strategicznym planowaniem produkcji i zarządzaniem ofertą produktową w dziale czujników i mierników mocy w.cz. i mikrofalowych. Sook-Hua uzyskała tytuł licencjata na wydziale Electrical Engineering w University of Technologies Malaysia (1999) oraz tytuł magistra na wydziale Electronic System Design Engineering w University of Science Malaysia (2003).