Uso de inserción de fallos y simulación de sensores basados en PXI en pruebas electrónicas

Las unidades de control electrónico (ECU) se encuentran ahora en el corazón de casi todos los sistemas de los vehículos, desde los frenos antibloqueo hasta la gestión de baterías. En los vehículos eléctricos, estas unidades regulan funciones en las que un solo fallo puede poner en peligro la seguridad. Esa realidad impone una gran carga sobre usted como ingeniero de pruebas: demostrar que una ECU se comporta de manera predecible bajo todas las condiciones posibles, tanto buenas como malas, y hacerlo sin esperar a un prototipo físico ni arriesgarse con hardware costoso.

La simulación Hardware-in-the-Loop (HILS) responde a esa necesidad. Le permite validar el comportamiento de la ECU en un entorno operativo simulado mucho antes de que el vehículo salga a la carretera, y es aplicable desde las primeras fases de desarrollo del prototipo hasta las pruebas de producción a gran escala.

Cómo funciona HILS

HILS conecta las señales reales de un controlador a una plataforma de pruebas que imita el funcionamiento del sistema final. La instrumentación de estímulos reemplaza los sensores reales de la ECU por simuladores electrónicos, mientras que la instrumentación de medición captura y verifica las salidas de control de la ECU. El objetivo es doble: confirmar que la ECU funciona correctamente en condiciones conocidas como óptimas, y asegurarse de que protege al vehículo y a sus ocupantes cuando ocurre algún problema.

Considere un sistema de frenado antibloqueo. Si el conductor presiona el pedal del freno mientras un sensor de velocidad de rueda ha fallado, la ECU aún debe detener el vehículo lo más rápido y de forma segura posible. Con HILS, se puede recrear ese sensor defectuoso y numerosas otras combinaciones de fallos, sin necesidad de crear las condiciones físicas reales. Las iteraciones de diseño y verificación se realizan exactamente como si se estuviera probando el producto final, pero así se evitan los costos, el tiempo y los riesgos asociados a la generación de fallos reales.

Los límites de la inserción tradicional de fallos

Las ECU críticas desde el punto de vista de la seguridad pasan por un proceso de certificación en el que se introducen una serie definida de fallos para verificar que la unidad responda de manera segura y predecible. Durante años, los ingenieros dependieron de paneles de conexión manuales para introducir esos fallos. Los cables conectan las líneas de entrada/salida de la ECU con los instrumentos de estimulación y medición. Se desconectan las líneas para simular circuitos abiertos, o se conectan entre sí para simular cortocircuitos con la tierra, con una fuente de voltaje o con otras líneas de entrada/salida. Se mueve un cable, se mide el resultado y se repite el proceso.

Este enfoque presenta verdaderas desventajas:

Tamaño. Los paneles de conexión suelen ser grandes y ocupan espacio valioso en el banco de pruebas.

Velocidad. La operación manual es lenta y no es adecuada para pruebas a gran escala.

Repetibilidad. La intervención humana introduce errores y dificulta la generación de informes trazables.

Costo. Los costos de mantenimiento y mano de obra son elevados, y el proceso depende de una base de conocimientos documentada y especializada.

Reproducir rápidamente y con precisión una condición de prueba fallida es una gran ventaja en cualquier programa de validación. La aplicación manual de parches va en contra de ese objetivo.

Automatización de la inserción de fallos con PXI

Obtener control por software tanto sobre la ruta de los instrumentos como sobre la inserción en tiempo real de fallos eléctricos transforma el proceso. El principio es sencillo: los módulos de conmutación se sitúan entre el simulador y el dispositivo bajo prueba (DUT), y ya sea que transmitan las señales sin cambios o apliquen una serie de condiciones de fallo según se ordene.

La mayoría de las aplicaciones necesitan que se modelen al menos estos tipos de fallos:

Conexiones en circuito abierto con el DUT

Circuitos cortocircuitados entre los pines del DUT

Circuitos cortocircuitados con tierra o alimentación

Fallos resistivos

En lugar de invertir en un costoso sistema HILS propietario y basado en una sola aplicación que lo ata a un único proveedor, puede aprovechar el estándar PXI con módulos de primera calidad. PXI es resistente, modular y escalable, e incluye funciones de disparo y temporización a nivel de chasis que satisfacen las exigencias de inserción de fallos en tiempo real y de comportamiento determinista. Pickering Interfaces fue el primer proveedor en introducir conmutadores PXI diseñados específicamente para la inserción de fallos, ofreciendo unidades de inserción de fallos (FIU) escalables que reemplazan por completo al panel de conexiones.

Los integradores como Bloomy construyen sobre esta base con sus plataformas Universal Test System (UTS), combinando conmutación PXI y simulación en arquitecturas de pruebas funcionales estandarizadas y reutilizables. Es en esa estandarización donde la economía trabaja a su favor: reutilizar una plataforma modular común en diferentes programas elimina el trabajo de ingeniería redundante, reduce los costos de ingeniería no recurrente (NRE) y permite utilizar los mismos recursos de prueba desde la validación del prototipo hasta la línea de producción.

Si el ruido de conmutación es un problema, puede colocar las FIU en un chasis Pickering LXI/USB separado, lejos de los instrumentos sensibles. Los controladores de software permanecen idénticos independientemente de que los módulos estén en un chasis PXI o en uno LXI/USB, por lo que el esfuerzo de integración no cambia.

Simulación del entorno del sensor

Los HILS integrales permiten simular toda la gama de sensores que espera detectar una ECU. Los módulos basados en PXI abarcan los tipos de transductores más comunes en diseños automotrices y de vehículos eléctricos:

Simulación de termopares. Los módulos simuladores de milivoltios ofrecen de 8 a 32 canales de fuentes de baja tensión precisas en tres rangos, que cubren la mayoría de los tipos de termopares. Los relés integrados permiten simular una conexión abierta en cada canal.

Simulación de LVDT/RVDT/resolutores. Un módulo de una ranura puede simular hasta cuatro canales de LVDT, RVDT o resolutores de 5/6 hilos, o ocho canales de LVDT/RVDT de 4 hilos. Con una excitación que va desde 0,25 VRMS hasta 38 VRMS y de 300 Hz a 20 kHz, cubre la mayoría de los dispositivos en uso. Los relés integrados añaden la posibilidad de simular conexiones abiertas y cortocircuitos en cada entrada y salida.

Simulación de bucle actual. Los módulos de salida analógica emulan transceptores de control industrial de 4–20 mA con tasas de cambio programables, múltiples modos de salida y relés integrados para detectar cortocircuitos y abierturas en cada canal. Un modo de aislamiento total evita los bucles de tierra.

Simulación de pilas de baterías. Para pruebas del sistema de gestión de baterías de vehículos eléctricos (BMS), los módulos simuladores de celdas ofrecen dos, cuatro o seis celdas aisladas por módulo, con precisión de ±5 mV en un rango de 1 V a 7 V. Una barrera de aislamiento de 750 V permite arquitecturas de propulsión con celdas en serie.

Resistores programables. Con más de 350 variantes de módulos, incluyendo unidades con precisión superior al 0.1% y resolución inferior a 2 mΩ, se puede automatizar la inserción de fallos resistivos y la simulación de RTD o galgas extensométricas bajo control de software.

Escalar desde el prototipo hasta la producción

Para diseños con un alto número de pines, los módulos matriciales FIU ampliados basados en el formato BRIC permiten simular unidades de control y sensores complejos, siendo ampliables en múltiplos de 20 o 31 canales. Un único controlador de software consistente da soporte a toda la gama de FIU y simulaciones, por lo que ampliar el sistema no implica tener que reescribir el código de pruebas.

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