Utilizzo dell’inserimento di guasti basato su PXI e della simulazione dei sensori nei test elettronici

Le unità di controllo elettronico (ECU) sono oggi al centro di quasi tutti i sistemi veicolari, dagli sistemi di frenata antibloccaggio alla gestione delle batterie. Nei veicoli elettrici, queste unità controllano funzioni per le quali un singolo guasto può compromettere la sicurezza. Questa realtà rappresenta un onere notevole per gli ingegneri di test: devono dimostrare che un’ECU si comporta in modo prevedibile in ogni condizione plausibile, sia positiva che negativa, senza dover attendere un prototipo fisico o correre il rischio di utilizzare hardware costoso.

La simulazione Hardware-in-the-Loop (HILS) risponde a questa esigenza. Permette di verificare il comportamento delle ECU in un ambiente operativo simulato molto prima che il veicolo venga messo in strada, e può essere utilizzata sia nelle fasi iniziali di sviluppo del prototipo che nei test di produzione su larga scala.

Come funziona l’HILS

HILS collega i segnali reali provenienti da un controller a una piattaforma di test che imita il funzionamento del sistema finale. Gli strumenti per gli stimoli sostituiscono i sensori reali dell’ECU con simulatori elettronici, mentre gli strumenti di misurazione catturano e verificano le uscite di controllo dell’ECU. L’obiettivo è doppio: confermare che l’ECU funziona correttamente in condizioni note e ottimali, e verificare che protegga il veicolo e i suoi occupanti in caso di guasti.

Consideriamo un sistema di frenata antibloccaggio. Se l’autista preme il pedale del freno mentre un sensore della velocità di una ruota non funziona più, l’ECU deve comunque fermare il veicolo nel modo più rapido e sicuro possibile. Con HILS è possibile ricreare quel sensore difettoso, così come innumerevoli altre combinazioni di guasti, senza dover creare le condizioni fisiche reali. Le iterazioni di progettazione e verifica avvengono esattamente come se si stesse testando il prodotto finito, ma si evitano i costi, i tempi e i rischi legati alla creazione di guasti reali.

I limiti dell’inserimento tradizionale di guasti

Gli ECU critici per la sicurezza vengono sottoposti a certificazione, durante la quale vengono introdotte una serie definita di guasti per verificare che l’unità reagisca in modo sicuro e prevedibile. Per anni gli ingegneri hanno utilizzato pannelli di collegamento manuali per introdurre tali guasti. I cavi collegano le linee di ingresso/uscita dell’ECU agli strumenti per la generazione di stimoli e le misurazioni. Si disconnettono le linee per simulare circuiti aperti, oppure vengono collegate tra loro per simulare cortocircuiti verso terra, una sorgente di tensione o altre linee di ingresso/uscita. Si sposta un cavo, si misura il risultato e si ripete l’operazione.

Questo approccio presenta dei veri svantaggi:

Dimensioni. I pannelli di collegamento tendono ad essere grandi e occupano spazio prezioso sul banco di prova.

Velocità. L’operazione manuale è lenta e non adatta ai test su larga scala.

Ripetibilità. L’intervento umano introduce errori e rende difficile la redazione di rapporti tracciabili.

I costi di manutenzione e di lavoro sono elevati, e il processo dipende da una base di conoscenze documentata e specializzata.

Riprodurre rapidamente e con precisione una condizione di test fallita rappresenta un vantaggio fondamentale in qualsiasi programma di validazione. L’aplicazione manuale di correzioni va contro questo obiettivo.

Automatizzazione dell’inserimento dei guasti con PXI

Ottimizzare il controllo software sia sulla gestione dei segnali negli strumenti che sull’inserimento in tempo reale di guasti elettrici trasforma completamente il processo. Il principio è semplice: i moduli di commutazione si trovano tra il simulatore e il dispositivo sotto test (DUT), e trasmettono i segnali invariati oppure applicano una serie di condizioni di guasto su comando.

Nella maggior parte delle applicazioni è necessario modellare almeno questi tipi di guasti:

Connessioni a circuito aperto con il DUT

Circuiti cortocircuitati tra i pin del DUT

Circuiti cortocircuitati verso terra o l’alimentazione

Guasti resistivi

Invece di investire in un costoso sistema HILS proprietario per un’unica applicazione che vi lega a un solo fornitore, potete basarvi sullo standard PXI utilizzando moduli di altissima qualità. PXI è robusto, modulare e scalabile, con funzionalità di trigger e temporizzazione a livello di chassis in grado di soddisfare le esigenze legate all’inserimento di errori in modo deterministico e in tempo reale. Pickering Interfaces è stato il primo fornitore ad introdurre switch PXI progettati appositamente per l’inserimento di errori, offrendo unità di inserimento degli errori (FIU) scalabili che sostituiscono completamente i pannelli di connessione.

Gli integratori come Bloomy costruiscono su questa base le loro piattaforme Universal Test System (UTS), unendo la commutazione PXI e la simulazione in architetture di test funzionali standardizzate e riutilizzabili. È proprio questa standardizzazione a favorire gli aspetti economici: il riutilizzo di una piattaforma modulare comune tra diversi progetti elimina lavori ingegneristici ridondanti, riduce i costi legati all’ingegneria non ricorrente (NRE) e permette di utilizzare gli stessi strumenti di test dalla fase di validazione del prototipo fino alla produzione in serie.

Se il rumore di commutazione rappresenta un problema, è possibile collocare le unità FIU in un chassis Pickering LXI/USB separato, lontano dagli strumenti sensibili. I driver software rimangono identici indipendentemente dal fatto che i moduli siano inseriti in un chassis PXI o in uno LXI/USB, quindi gli sforzi di integrazione non cambiano.

Simulazione dell’ambiente del sensore

Un HILS completo significa simulare l’intero insieme di sensori che un ECU si aspetta di trovare. I moduli basati su PXI coprono i tipi più comuni di trasduttori utilizzati nei sistemi automobilistici e negli veicoli elettrici:

Simulazione di termocoppie. I moduli simulatori a millivolt forniscono da 8 a 32 canali di sorgenti a bassa tensione estremamente precise, distribuiti in tre intervalli di tensione, in grado di coprire la maggior parte dei tipi di termocoppie. I relè integrati permettono di simulare una connessione aperta in ciascun canale.

Simulazione di LVDT/RVDT/resolver. Un modulo a singola slot può simulare fino a quattro canali di tipo LVDT, RVDT o resolver a 5/6 fili, oppure otto canali di tipo LVDT/RVDT a 4 fili. Grazie a un’excitazione che va da 0,25 VRMS a 38 VRMS e da 300 Hz a 20 kHz, è in grado di coprire la maggior parte dei dispositivi in uso. I relè integrati consentono inoltre di simulare condizioni di circuito aperto e cortocircuito per ogni ingresso e uscita.

Simulazione del circuito attuale. I moduli di uscita analogica emulano i trasceivitori per il controllo industriale 4–20 mA, con velocità di risposta programmabili, diversi modi di uscita e relè integrati per rilevare cortocircuiti e aperture su ciascun canale. Un modalità di isolamento completo evita i circuiti a terra.

Simulazione della pila batterie. Per i test del sistema di gestione delle batterie dei veicoli elettrici (BMS), i moduli simulatori di cella forniscono due, quattro o sei celle isolate per modulo, con precisione fino a ±5 mV nell’intervallo da 1 V a 7 V. Una barriera di isolamento da 750 V supporta le architetture di propulsione a serie.

Resistori programmabili. Grazie a oltre 350 varianti di modulo, tra cui unità con precisione superiore allo 0,1% e risoluzione inferiore a 2 mΩ, è possibile automatizzare l’inserimento di guasti resistivi e la simulazione di RTD o strumenti a striscia sotto controllo software.

Dal prototipo alla produzione

Per progetti con un elevato numero di pin, i moduli matriciali FIU ampliati basati sul formato BRIC permettono di gestire simulazioni complesse di sensori e unità di controllo, espandibili in multipli di 20 o 31 canali. Un singolo driver software coerente supporta l’intero range di FIU e simulazioni, quindi l’ampliamento del sistema non richiede la riscrittura del codice di test.

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