So automatisiert der Automatisierer Entwicklung und Test von elektronischen Steuergeräten

*Prof. Dr.-Ing Hans Rauch ist Geschäfstführer der iSyst Intelligente Systeme GmbH, Nürnberg.

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iSyst Intelligente Systeme GmbH

Die in der Cluster-Politik des Freistaats Bayern verankerten Grundsätze, wie z.B. die Vereinigung der Potenziale in Wirtschaft und Wissenschaft durch Schaffung von Netzwerken und Organisation von interdisziplinären Prozessen, dynamisieren Entwicklungen und Innovationen wesentlich. All das stärkt die Wettbewerbsfähigkeit bayerischer Unternehmen durch innovative Produkte, Prozesse und Verfahren, ebenso wie die Sicherung und Schaffung von Arbeitsplätzen. Wichtig dabei: das zielstrebige, zeitnahe Umsetzen von Forschungsergebnissen in gemeinsamen Projekten von Industrie und Forschungseinrichtungen. Die Forderungen der Politik sind nicht neu.

Die Georg-Simon-Ohm-Fachhochschule Nürnberg arbeitet bereits seit zehn Jahren nach diesen Grundsätzen. Sie ist auch deshalb bei den Einwerbungen von Projektmitteln aus öffentlicher Förderung und besonders aus der Industrie an der Spitze der bayerischen Fachhochschulen allgemein und Spitzenreiter deutschlandweit im Bereich Elektrotechnik. Das von Prof. Dr. Hans Rauch gegründete und geführte Institut ELSYS hat sich zusammen mit seiner Ausgründung, der iSyst Intelligente Systeme GmbH, zu einem anerkannten Ansprechpartner für kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) sowie die Großindustrie entwickelt, aber auch zu einem zuverlässigen Kooperationspartner für Universitäten und Forschungseinrichtungen in Verbundprojekten.

Gefördert durch die High-Tech-Initiative Zukunft Bayern konnte ELSYS ein Dienstleistungszentrum für die Entwicklung und den Test von komplexen mess-, steuerungs- und regelungstechnischen Systemen aufbauen, inklusive Personal, Infrastruktur und Projekterfahrung. Gesteuert durch den akuten Bedarf bei der Qualitätssicherung von Steuergeräten hat man sich auf die methodische Entwicklung, auf die Qualifizierung und auf den ‚Hardware in the Loop-Test‘ (HIL) spezialisiert.

Automatisierte Entwicklung und Tests von elektronischen Steuergeräten

Die steigende Funktionalität von elektronischen Steuergeräten, verbunden mit der Forderung nach kürzeren Entwicklungszeiten wegen der sinkenden Marktverweildauer und höherer Qualität, verlangt nach fortschrittlichen Methoden und dem erweiterten Einsatz von Rechnerunterstützung. Während sich bei Grob- und Feinentwurf von Hard- und Software eine methodische und strukturierte Vorgehensweise entsprechend dem V-Modell durchgesetzt hat, ist vielen Entwicklern noch nicht klar: Sie müssen das, was sie entwickeln, auch sehr gut testen, und zwar nicht nur in der Entwicklungsphase sondern auch in der Fertigung bei der Qualitätskontrolle. Diesen Gesichtspunkt berücksichtigt das V²-Modell (siehe Grafik).

Parallel zur Entwicklung der Hard- und Software-Module müssen alle Komponenten des Testsystems entwickelt werden, um beim Modultest eingesetzt werden zu können. Fortschrittliche Modellierungs- und Simulationstechniken erlauben es, die Spezifikation der gewünschten Steuergrätefunktion in Computermodelle abzubilden und zu verifizieren. Um eine Verifikation unter Einbeziehung der Einsatzumgebung zu ermöglichen, ist es notwendig, die Regelstrecke, und das ist nicht anderes als die Beschreibung der Einsatzumgebung, ebenfalls in ein Modell abzubilden. Damit ist es möglich, ein simuliertes Steuergerät in der simulierten Umgebung zu untersuchen. Man spricht von ‚Model In The Loop‘ (MIL) und meint damit die Erprobung im geschlossenen Regelkreis, zunächst nicht notwendigerweise unter Echtzeitbedingungen.

Ließ sich mit der MIL-Simulation die exakte Abbildung der Spezifikation auf die Modelle von Funktion und Regelstrecke nachweisen, so können diese Modelle für alle weiteren Entwicklungsschritte eingesetzt werden.

Im Falle der Software ist es jetzt möglich, den Serien-C-Code automatisch auf der Basis des Funktionsmodell zu generieren. Die Verifikation des Codes, d.h. wiederum die Überprüfung auf Einhaltung der Spezifikationsdaten, kann nun in der simulierten Umgebung erfolgen. Man spricht von ‚Software In The Loop-Simulation‘.

Im Falle der Hardware kann aus dem Funktionsmodell eine Rapid Prototyping-Hardware automatisch generiert und als Echtzeit-Emulationssystem zum Einsatz gebracht werden. Um die Software an den einzusetzenden Zielprozessor anzupassen, werden die Wortlänge, die Speichergrößen, die Taktfrequenz, die Rechengenauigkeit usw., entsprechend eingestellt, und die Überprüfung mittels ‚Prozessor In The Loop-Simulation‘ (PIL) in Echtzeit durchgeführt.

Alle Test werden automatisch personen- und maschinenlesbar dokumentiert

Auf der Basis der verifizierten Rapid Prototyping-Hardware wurde parallel die Zielhardware für die Serie entwickelt und umfangreichen Qualifizierungstests unterzogen. Beim Integrationstest, dem Test nach der Implementierung der seriennahen Software auf der seriennahen Hardware, wird das Gesamtsystem im Rahmen des ‚Hardware In The Loop-Test‘ unter Einbeziehung der Simulierten Umgebung im Labor getestet. Hier geht es neben dem Nachweis der exakten Umsetzung der Spezifikationsvorgaben auch darum wie Fehlertolerant das System ist. Dazu werden auf Sensorseite mittels des HIL-Testsystems Fehler vorgetäuscht und die Systemreaktion überprüft. Auf Aktorseite können mittels Relais unterschiedlichte Fehler wie Leitungsbrüche bzw. Kurzschlüsse gegen Versorgungsspannung, Masse oder Signalleitungen eingestreut und deren Auswirkung überprüft werden.

Alle vorgestellten Tests laufen automatisch ab bzw. werden, und das ist auch heute noch sehr wichtig, automatisch personen- und rechnerlesbar dokumentiert. Damit wir einem allgemeinen Missstand bezüglich der Dokumentation entgegen gewirkt. Die Tests sind reproduzier- und nachvollziehbar und können z.B. bei der Automobiltechnik nicht durch Fahrversuche ersetzt werden.

Der Universaltester ist ausgelegt, verschiedene Steuergeräte testen zu können, bei einer Umrüstzeit kleiner eine Stunde. Beim preislich günstigeren Compact Stimulator werden die projektspezifischen Erfordernisse im Kabelbaum und in der Verdrahtung berücksichtigt. Soll damit ein anderes Steuergerät getestet werden, so sind umfangreiche Umbaumaßnahmen notwendig. Die Anpassung der Steuergeräte bezüglich Spannungspotenzialen und Stromstärken an die eingesetzten Entwicklungssysteme von z.B. dSpace oder National Instruments erfolgt über eigenentwickelte Signalkonditionierungskarten.

Enge zusammenarbeit mit der FH Nürnberg

Besonders in der aktuellen Situation mit einem enormen Mangel an Ingenieuren zeigt sich, wie wichtig eine enge Zusammenarbeit mit der Georg-Simon-Ohm-Fachhochschule Nürnberg, dem Institut ELSYS und der iSyst GmbH ist. So „lieferte“ diese Fachhochschule in den letzten fünf Jahren 54 Absolventen an die Conti Temic microelectronic GmbH. Die Vorauswahl und Empfehlung erfolgte dabei in den meisten Fällen durch Prof. Rauch und seine Kollegen, sowie durch Mitarbeiter von ELSYS.

Das Institut ELSYS konnte Herrn Prof. Dr. Graß als Mitglied in der kollegialen Leitung des Instituts gewinnen. Damit erweitert sich das Angebotsspektrum um den Bereich Leistungselektronik (v.a. µC-Regelung, Umrichter, Embedded Softwareentwicklung mit UML).

ELSYS blickt auf über 10 Jahre erfolgreiche Unterstützung von KMUs und Großindustrie zurück. Zusammen mit der iSyst Intelligente Systeme GmbH wird in diesem Jahr ein Umsatz von mehr als 1 Million EUR erwirtschaftet.

Es liegt eine große Erfahrung bei der Antragstellung von öffentlicher Förderung vor. ELSYS und iSyst sind bei allen deutschen Fördermittelgebern als zuverlässig und innovativ bekannt.

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