Verwendung von auf PXI basierender Fehlereinbringung und Sensorsimulation in elektronischen Tests

Elektronische Steuergeräte (ECUs) bilden heute den Kern fast jedes Fahrzeugsystems – von der Antiblockiersysteme bis zur Batteriemanagement-Technologie. In Elektrofahrzeugen steuern diese Geräte Funktionen, bei denen bereits ein einziger Fehler die Sicherheit gefährden kann. Diese Realität stellt für Sie als Prüfingenieur eine große Herausforderung dar: Sie müssen nachweisen, dass ein ECU unter allen denkbaren guten und schlechten Bedingungen vorhersagbar funktioniert – und das ohne auf ein physisches Prototyp zu warten oder teures Hardware einzusetzen.

Die Hardware-in-the-Loop-Simulation (HILS) erfüllt diesen Bedarf. Sie ermöglicht es Ihnen, das Verhalten von ECU bereits lange vor dem Erstbetrieb des Fahrzeugs in einer simulierten Betriebsumgebung zu überprüfen, und eignet sich sowohl für frühe Prototypenentwicklungen als auch für Tests in der Serienproduktion.

Wie HILS funktioniert

HILS verbindet die echten Signale eines Steuergeräts mit einer Testplattform, die den Betrieb des Endsystems nachahmt. Stimulationseinrichtungen ersetzen die echten Sensoren des ECU durch elektronische Simulatoren, während Messeinrichtungen die Steuerausgaben des ECU erfassen und überprüfen. Das Ziel ist doppelt: Es soll bestätigt werden, dass das ECU unter bekannten guten Bedingungen korrekt funktioniert, und außerdem, dass es das Fahrzeug sowie seine Insassen schützt, wenn etwas schiefgeht.

Betrachten wir ein Antiblockiersystem. Wenn der Fahrer auf das Bremspedal tritt, während ein Radgeschwindigkeitssensor ausgefallen ist, muss die ECU das Fahrzeug dennoch so schnell und sicher wie möglich zum Stillstand bringen. Mit HILS können Sie diesen defekten Sensor sowie unzählige andere Fehlerkombinationen nachbilden, ohne die tatsächlichen physischen Bedingungen schaffen zu müssen. Die Entwurfs- und Überprüfungszyklen verlaufen genauso wie bei der Prüfung des fertigen Produkts, doch Sie vermeiden die Kosten, den Zeitaufwand und die Gefahren durch das Erzeugen echter Fehler.

Die Grenzen der traditionellen Fehlereinbringung

Sicherheitskritische ECU-Einheiten durchlaufen eine Zertifizierung, bei der eine definierte Reihe von Fehlern eingeführt wird, um zu überprüfen, ob die Einheit sicher und vorhersagbar reagiert. Über Jahre hinweg verließen sich Ingenieure auf manuelle Patchpaneele, um diese Fehler zu erzeugen. Kabel verbinden die Eingangs-/Ausgangsleitungen der ECU mit Stimulations- und Messgeräten. Man trennt die Leitungen, um offene Schaltkreise zu simulieren, oder verbindet sie miteinander, um Kurzschlüsse zum Massepotential, zu einer Spannungsquelle oder zu anderen Eingangs-/Ausgangsleitungen nachzubilden. Ein Kabel wird verschoben, das Ergebnis gemessen und der Vorgang wiederholt.

Der Ansatz weist erhebliche Nachteile auf:

Größe – Patchpaneele neigen dazu, groß zu sein und wertvollen Platz am Prüfstand in Anspruch zu nehmen.

Geschwindigkeit – Die manuelle Bedienung ist langsam und eignet sich nicht für Tests in großen Stückzahlen.

Wiederholgenauigkeit – Menschliches Eingreifen führt zu Fehlern und erschwert eine nachvollziehbare Dokumentation.

Kosten. Wartungs- und Arbeitskosten sind hoch, und der Prozess setzt auf eine dokumentierte, fachkundige Wissensbasis.

Die schnelle und präzise Nachbildung fehlerhafter Testbedingungen ist ein großer Vorteil in jedem Validierungsprogramm. Manuelles Beheben von Fehlern steht diesem Ziel entgegen.

Automatisierung der Fehlereinbringung mit PXI

Durch die softwarebasierte Steuerung sowohl der Signalweiterleitung als auch der Einführung von elektrischen Fehlern in Echtzeit verändert sich der Prozess grundlegend. Das Prinzip ist einfach: Schaltemodule befinden sich zwischen dem Simulator und dem zu testenden Gerät (DUT) und leiten die Signale unverändert weiter oder setzen auf Befehl verschiedene Fehlerbedingungen ein.

Die meisten Anwendungen benötigen mindestens die folgenden Fehlerarten zur Modellierung:

Offene Schaltungen zum DUT

Kurzschlüsse zwischen den Pins des DUT

Kurzschlüsse zum Masse- oder Stromnetz

Widerstandsfehler

Anstatt sich für ein teures, proprietäres HILS-System mit einer einzigen Anwendung zu entscheiden, das Sie an einen Lieferanten bindet, können Sie auf dem PXI-Standard basierend auf hochwertigen Modulen arbeiten. PXI ist widerstandsfähig, modular und skalierbar und verfügt über Triggerung sowie Zeitsteuerung auf Chassis-Ebene, die den Anforderungen an deterministisches, Echtzeit-Verhalten sowie Fehlereinbringung gerecht werden. Pickering Interfaces war der erste Anbieter, der speziell für Fehlereinbringung konzipierte PXI-Switching-Lösungen einführte, wobei skalierbare Fehlereinbringungseinheiten (FIUs) angeboten werden, die das Patchpanel vollständig ersetzen.

Integrationsspezialisten wie Bloomy bauen auf dieser Grundlage ihre Universal Test System (UTS)-Plattformen auf, indem sie PXI-Switching- und Simulationstechnologien zu standardisierten, wiederverwendbaren Funktionsprüfarchitekturen kombinieren. Genau diese Standardisierung bringt wirtschaftliche Vorteile mit sich. Die Wiederverwendung einer gemeinsamen modularen Plattform in verschiedenen Programmen eliminiert überflüssige Entwicklungsarbeiten, verringert die Kosten für nicht wiederkehrende Entwicklungsaktivitäten (NRE) und ermöglicht es, dieselben Prüfressourcen von der Prototypvalidierung bis in die Produktionsstätte zu nutzen.

Falls Störungen durch Switching-Prozesse ein Problem darstellen, können die FIUs in einem separaten Pickering LXI/USB-Chassis untergebracht werden, fernab empfindlicher Geräte. Die Softwaretreiber bleiben unverändert, egal ob die Module in einem PXI-Chassis oder in einem LXI/USB-Chassis untergebracht sind, sodass sich die Integrationsaufwände nicht ändern.

Simulation der Sensorumgebung

Eine umfassende HILS-Simulation bedeutet, das gesamte Spektrum an Sensoren nachzubilden, die eine ECU erwarten würde. PXI-basierte Module decken die gängigen Sensorarten ab, die in Automobil- und EV-Systemen verwendet werden:

Simulation von Thermoelementen. Millivolt-Simulatormodule bieten 8 bis 32 Kanäle mit präzisen Niedervoltquellen in drei Spannungsbereichen, die die meisten Thermoelementtypen abdecken. Integrierte Relais ermöglichen es, auf jedem Kanal eine offene Verbindung zu simulieren.

Simulation von LVDT/RVDT/Resolvern. Ein Modul mit einem Slot kann bis zu vier Kanäle von 5/6-adrigen LVDT-, RVDT- oder Resolver-Sensoren oder acht Kanäle von 4-adrigen LVDT/RVDT-Sensoren simulieren. Mit einer Anregungsspannung von 0,25 VRMS bis 38 VRMS sowie einer Frequenz von 300 Hz bis 20 kHz werden die meisten im Einsatz befindlichen Geräte abgedeckt. Integrierte Relais ermöglichen außerdem die Simulation von offenen und Kurzschlüssen an jeder Eingangs- und Ausgangsstelle.

Simulation des aktuellen Schleifenbetriebs. Analoge Ausgangsmodule emulieren industrielle Steuerungs-Transceiver mit 4–20 mA Signalstärke, programmierbaren Steiggeschwindigkeiten, mehreren Ausgangsmodi sowie integrierten Relais zur Erkennung von Kurzschlüssen und offenen Schaltungen in jedem Kanal. Ein Vollisolierungsmodus verhindert Erdkreisläufe.

Simulation von Batteriestapeln. Für Tests des Batteriemanagementsystems (BMS) von Elektrofahrzeugen bieten Zellsimulationsmodule zwei, vier oder sechs isolierte Zellen pro Modul – mit einer Genauigkeit von ±5 mV im Bereich von 1 V bis 7 V. Eine 750 V starke Isolierschicht unterstützt seriell gestapelte Antriebsarchitekturen.

Programmierbare Widerstände. Mit über 350 Modellvarianten, darunter Geräte mit einer Genauigkeit von besser als 0,1 % und einer Auflösung unter 2 mΩ, können Sie den Einbau von Widerstandsfehlern sowie die Simulation von RTD- oder Dehnungsmessstreifen unter Softwaresteuerung automatisieren.

Von Prototyp bis zur Serienproduktion

Bei Designs mit hoher Anzahl an Pins bewältigen skalierbare FIU-Matrixmodule auf Basis des BRIC-Formats komplexe Simulationen von Sensoren und Steuerungseinheiten und sind in Schritten von 20 oder 31 Kanälen erweiterbar. Ein einziger, konsistenter Softwaretreiber unterstützt das gesamte FIU- und Simulationsspektrum, sodass ein Systemwachstum nicht bedeutet, dass der Testcode neu geschrieben werden muss.

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