Uso de inserção de falhas e simulação de sensores baseados em PXI em testes eletrônicos

As Unidades de Controle Eletrônico (ECUs) estão hoje no centro de quase todos os sistemas veiculares, desde o freio antibloqueio até o gerenciamento da bateria. Em veículos elétricos, essas unidades controlam funções nas quais um único defeito pode comprometer a segurança. Essa realidade impõe uma grande responsabilidade sobre você, como engenheiro de testes: provar que uma ECU se comporta de maneira previsível em todas as condições plausíveis, tanto boas quanto ruins, e fazer isso sem esperar por um protótipo físico ou correr o risco de usar hardware caro.

A Simulação com Hardware no Laço (HILS) atende a essa necessidade. Ela permite validar o comportamento da ECU em um ambiente operacional simulado muito antes mesmo de o veículo chegar às estradas, e pode ser utilizada desde os primeiros trabalhos com protótipos até testes de produção em larga escala.

Como funciona a HILS

O HILS conecta os sinais reais de um controlador a uma plataforma de teste que imita o funcionamento do sistema final. A instrumentação de estímulo substitui os sensores reais da ECU pelo mundo real por simuladores eletrônicos, enquanto a instrumentação de medição capta e verifica as saídas de controle da ECU. O objetivo é duplo: confirmar que a ECU funciona corretamente em condições conhecidas e adequadas, e verificar se ela protege o veículo e seus ocupantes quando algo dá errado.

Considere um sistema de freios anti-travamento. Se o motorista pressionar o pedal do freio enquanto um sensor de velocidade da roda falhar, a ECU ainda precisa parar o veículo da forma mais rápida e segura possível. Com HILS, é possível recriar esse sensor defeituoso, bem como inúmeras outras combinações de falhas, sem a necessidade de criar as condições físicas reais. As iterações de projeto e verificação seguem exatamente como se estivesse testando o produto final, mas evita-se o custo, o tempo e os riscos associados à criação de falhas reais.

Os Limites da Inserção Tradicional de Falhas

As ECUs críticas para segurança passam por um processo de certificação, no qual se introduz uma série definida de falhas para verificar se a unidade responde de maneira segura e previsível. Durante anos, os engenheiros contaram com painéis de conexão manuais para injetar essas falhas. Cabos conectam as linhas de E/S da ECU aos instrumentos de estímulo e medição. Desconectam-se as linhas para simular circuitos abertos ou conectam-se entre si para simular curtos-circuitos em relação ao terra, a uma fonte de tensão ou a outras linhas de E/S. Mova um cabo, meça o resultado e repita.

Essa abordagem apresenta desvantagens reais:

Tamanho. Os painéis de conexão costumam ser grandes e ocupam espaço valioso nas bancadas de teste.

Velocidade. A operação manual é lenta e não se adequa a testes em grande escala.

Repetibilidade. A intervenção humana introduz erros e dificulta a geração de relatórios rastreáveis.

Os custos de manutenção e mão de obra são elevados, e o processo depende de uma base de conhecimento documentada e especializada.

Reproduzir rapidamente e com precisão uma condição de teste falha é uma grande vantagem em qualquer programa de validação. A correção manual vai contra esse objetivo.

Automatizando a Inserção de Falhas com PXI

O controle por software tanto do roteamento dos instrumentos quanto da inserção de falhas elétricas em tempo real transforma o processo. O princípio é simples: módulos de comutação ficam entre o simulador e o dispositivo sob teste (DUT), passando os sinais inalterados ou aplicando uma série de condições de falha conforme solicitado.

A maioria das aplicações precisa que pelo menos estes tipos de falhas sejam modelados:

Conexões em circuito aberto com o DUT

Circuitos curtos entre os pinos do DUT

Circuitos curtos com o terra ou com a alimentação

Falhas resistivas

Em vez de investir em um sistema HILS caro, proprietário e voltado para um único aplicativo que o prende a um único fornecedor, você pode utilizar o padrão PXI com módulos de alta qualidade. O PXI é robusto, modular e escalável, possuindo acionamento e temporização em nível de chassi que atendem às exigências de inserção de falhas de forma determinística e em tempo real. A Pickering Interfaces foi a primeira empresa a introduzir comutadores PXI projetados especificamente para inserção de falhas, oferecendo unidades de inserção de falhas (FIUs) escaláveis que substituem completamente o painel de conexões.

Integradores como a Bloomy desenvolvem soluções com base nessa estrutura por meio de suas plataformas Universal Test System (UTS), combinando comutação PXI e simulação em arquiteturas de teste funcional padronizadas e reutilizáveis. É nessa padronização que os aspectos econômicos trabalham a seu favor. Reutilizar uma plataforma modular comum em vários projetos elimina trabalhos de engenharia redundantes, reduz os custos de engenharia não recorrente (NRE) e permite que você utilize os mesmos recursos de teste desde a validação do protótipo até a linha de produção.

Caso o ruído de comutação seja um problema, você pode armazenar os FIUs em um chassi separado Pickering LXI/USB, longe de instrumentos sensíveis. Os drivers de software permanecem idênticos, independentemente de os módulos estarem em um chassi PXI ou em um chassi LXI/USB, portanto o esforço de integração não muda.

Simulando o Ambiente do Sensor

O HILS abrangente permite simular toda a gama de sensores que um ECU espera encontrar. Os módulos baseados em PXI cobrem os tipos comuns de transdutores utilizados em projetos automotivos e de veículos elétricos:

Simulação de termopares. Os módulos simuladores de milivolt fornecem de 8 a 32 canais de fontes de baixa tensão precisas em três faixas, abrangendo a maioria dos tipos de termopares. Relés integrados permitem simular uma conexão aberta em cada canal.

Simulação de LVDT/RVDT/resolver. Um módulo de único slot pode simular até quatro canais de LVDT, RVDT ou resolver com 5/6 fios, ou oito canais de LVDT/RVDT com 4 fios. Com excitação de 0,25 VRMS a 38 VRMS e de 300 Hz a 20 kHz, ele abrange a maioria dos dispositivos em uso. Relés integrados permitem simular conexões abertas e curtos-circuitos em cada entrada e saída.

Simulação de loop atual. Os módulos de saída analógica emulam transceptores de controle industrial de 4–20 mA, com taxas de variação programáveis, vários modos de saída e relés integrados para detectar curtos-circuitos e aberturas em cada canal. Um modo de isolamento total evita loops de terra.

Simulação de pilhas de baterias. Para testes do Sistema de Gerenciamento de Baterias de VE (BMS), os módulos simuladores de células fornecem duas, quatro ou seis células isoladas por módulo, com precisão de ±5 mV entre 1 V e 7 V. Uma barreira de isolamento de 750 V suporta arquiteturas de propulsão em série.

Resistores programáveis. Com mais de 350 variantes de módulos, incluindo unidades com precisão superior a 0,1% e resolução inferior a 2 mΩ, é possível automatizar a inserção de falhas resistivas e a simulação de RTD ou galgas extensométricas sob controle de software.

Escalar do Protótipo para a Produção

Para projetos com alto número de pinos, os módulos matriciais FIU ampliados, baseados no formato BRIC, permitem a simulação complexa de sensores e unidades de controle, sendo expansíveis em múltiplos de 20 ou 31 canais. Um único driver de software consistente suporta toda a gama de FIU e simulações, portanto o crescimento do sistema não implica a reescrita do código de teste.

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