Modulare und offene Testplattform mit SLSC

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Signalkonditionierung, Fehlersimulation und Sensoremulation in einem HiL-System werden oft testspezifisch entwickelt. Das ist zeitaufwendig und teuer. Besser sind modulare und offene Plattformen. Auch Drittanbieter finden sich hier wieder.

Mit einem Hardware-in-the-Loop- (HiL-)Testsystem lässt sich Embedded Software schon zu einem frühen Zeitpunkt im Projekt testen. Dazu ist eine realitätsnahe Simulation oder Messung der Signale, Lasten und Fehlermodi wichtig. Der Markt bietet ein dichtes Portfolio an Mess- und Datenerfassungstechnik wie PXI oder cRIO. Der Signalweg vom Device Under Test (DUT) zum RT/DAQ muss jedoch meist für jeden Testfall spezifisch entwickelt werden – das ist gerade im Kontext kürzerer Entwicklungszeiten nicht effizient und meist unflexibel.

Oft erarbeiten die Entwicklungsabteilungen die komplexen Signalaufbereitungen und Simulationslasten für die Testanforderungen selbst, um das DUT mit der Mess- und Simulationsumgebung verbinden und testen zu können. Das verursacht hohe Entwicklungsaufwände und damit Kosten, denn der Testingenieur muss sich nicht nur mit der Abdeckung der Testanforderungen seines DUTs auseinandersetzen, sondern viele spezifische Komponenten dieses Systems auch selbst entwickeln.

SLSC standardisiert die Signalkonditionierung

Die offene SLSC-Plattform (Switch Load Signal Conditioning) von National Instruments ermöglicht standardisierte, modulare Signalkonditionierung, Fehlersimulation, Sensoremulation und das Schalten von Signalpfaden. SLSC erweitert nicht nur die Testabdeckung des bestehenden Equipments durch Signalkonditionierung, sondern ergänzt modular auch weitere Testanforderungen. Dank einer Vielzahl bereits existierender SLSC-Karten können Testfälle standardisiert abgebildet werden. Das spart Zeit und Geld, beschleunigt den Testprozess und minimiert durch den Einsatz von Commercial-off-the-Shelf- (COTS-) Komponenten vor allem das Risiko.

Die SLSC-Plattform wird von National Instruments und einem spezialisierten Netzwerk von Alliance Partnern weltweit stetig weiterentwickelt und erweitert. Größter SLSC-Entwicklungspartner ist SET aus Deutschland, die auch das umfangreichste Portfolio an SLSC-Karten anbietet. Möchte ein Unternehmen die Plattform nutzen, die SLSC-Module dafür aber selbst entwickeln, ist das mit einem sogenannten Module Development Kit ebenfalls möglich. So können Unternehmen die offene Plattform auch anbieterunabhängig nutzen und beliebig erweitern.

Der Aufbau einer SLSC-Architektur

Das SLSC-System besteht aus dem SLSC-Chassis mit zwölf freien Karten-Slots und verschiedenen Modulen – den SLSC-Karten. SLSC hat eine modulare Backplane (RTI = Rear Transition Interface), die es ermöglicht, jede SLSC-Karte mit Standardkabeln an die entsprechende Messhardware auf PXI- oder cRIO-Basis anzubinden. Durch den modularen Aufbau und standardisierte Stecker und Kabel wird eine Punkt-zu-Punkt Verkabelung überflüssig. Der Aufbau und die Wartung von Testsystemen werden somit erheblich vereinfacht.

Die in der SLSC-Plattform integrierten Mechanismen zur Signalumschaltung und Fehleraufschaltung, zum Selbsttest oder zur Kalibrierung des gesamten Signalpfads sowie die breite Auswahl am Markt verfügbarer SLSC-Karten ermöglichen es dem Anwender erstmalig, eine durchgängige COTS-Lösung anstatt aufwändiger Eigenentwicklungen einzusetzen. Das minimiert nicht nur die Fehlerraten und Fehlerbehebungskosten, sondern senkt das gesamte Risiko im Projekt. Die deutlich kürzeren Design- und Bauzeiten von Testsystemen mit SLSC tragen entscheidend dazu bei, auch sehr zeitkritische Projekte erfolgreich abzuschließen. Durch den offenen Charakter der Plattform lassen sich zusätzliche Funktionen integrieren, die aktuell noch nicht am Markt verfügbar sind – entweder selbst entwickelt oder durch spezialisierte Alliance Partner von National Instruments.

Testsysteme auf Basis von SLSC werden bisher zwar primär in der Automobil- und Luftfahrtindustrie genutzt, doch auch im HV-Bereich wurden bereits Anwendungen bis 4 kV auf Basis der SLSC-Plattform umgesetzt. Das ermöglicht die Nutzung von SLSC auch für die schnell wachsende Leistungshalbleiter-Industrie.

Ein HiL-Testsystem und der Test einer ECU mit SLSC

Der in Bild 1 dargestellte Aufbau eines HiL-Testsystems verdeutlicht die Flexibilität, Vielseitigkeit und Effizienz der SLSC-Architektur, mit der alle Funktionen einfach und standardisiert umgesetzt werden können, die für einen vollumfänglichen ECU-Test (elektronisches Steuergerät) benötigt werden. Dank der SLSC-Architektur kann der Anwender zwischen simulierten und realen Lasten und Signalen umschalten. Außerdem ist es möglich, für das Signalrouting auf verschiedene Module zurückzugreifen, in diesem Fall eine Routingkarte, die 60 V bei 2 A schalten kann. Diese verfügt über zwei Eingangsstecker mit den im Standard verwendeten HD44-Steckern. Die Karte kann um eine Instrumenten-Karte (aufsteckbar auf die Basiskarte) und eine Line-Fault-Karte (ebenfalls ein aufsteckbares Tochtermodul) erweitert werden. Somit kann das Signal der emulierten Sensoren an die ECU geleitet, instrumentiert oder durch den Fehlerbus stimuliert werden – auf bis zu 32 differentiellen oder 64 Single-Ended-Kanälen. Damit der Testingenieur einfachen Zugriff auf die im Testsystem verlaufenden Signale hat, wird mit standardisierten Kabeln kosteneffizient ein Breakoutpanel in das Testsystem integriert.

SLSC wächst speziell in der Sensoremulation rasant an und kann hier bereits viele branchenübergreifend relevante Sensoren emulieren. Simulierte Lasten und Signale werden in der Regel direkt durch spezielle SLSC-Karten realisiert. Die Plattform bietet bereits eine große Bandbreite an Karten zur Simulation von Widerständen, Kapazitäten, Temperatursensoren (Pt100, Thermoelemente), PSI5, Resolver oder LVDTs. Auf acht galvanisch isolierten Kanälen können 4,5,6-wire LVDTs oder Resolver von 400 bis 1000 Hz bei bis zu 7 V_rms simuliert werden. Durch konfigurierbare Übertrager können weitere benötigte Anpassungen vorgenommen werden.

Sensoremulation und Bus-Kommunikation

Bei der Temperatursensor-Emulation kann der Entwickler auf verschiedene SLSC-Karten zurückgreifen – wie für die Emulation von Pt100/Pt1000-Temperatursensoren auf 16 Kanälen zwischen den Temperaturen von -60 bis 880 °C. Neben der Sensoremulation lässt sich mit SLSC auch Bus-Kommunikation realisieren. Hierfür existiert ein PSI5-SLSC-Modul, mit dem bis zu 16-PSI5-Slaves simuliert werden können, aber auch Module für Luftfahrtbusse wie ARINC429 – inklusive Faulting-Funktionen auf Bit-Ebene.

Die Signalkonditionierung stellt bei der Testsystementwicklung nur einen kleinen Teil dar – in der Praxis werden bei herkömmlichen Systemen gerade hier enorme Entwicklungsressourcen benötigt. Durch vielseitig einsetzbare Signalkonditionierungskarten auf der SLSC-Plattform können erhebliche Aufwände eingespart werden. Dafür sorgen beispielsweise hochdichte IO-Karten, die bis zu 60 V und 100 mA auf 32 galvanisch getrennten digitalen Eingängen/Ausgängen bereitstellen. Neben dem Umschalten zwischen realer und simulierter Last werden zusätzliche Funktionen zum Selbsttest des Gesamtsystems benötigt.

Zusätzlich wird in den häufigsten Testfällen die Möglichkeit eines sogenannten Open Faulting benötigt: das physikalische Auftrennen des Signals beispielsweise zur Ruhe-strommessung. Die SLSC-Architektur sieht nicht nur das vor, sondern auch die Fehleraufschaltung auf verschiedenste andere Signale wie Ground, Versorgungsspannung oder einen anderen Prüflings-Pin. Beides lässt sich mit einer Routingkarte und dem Fault-Tochtermodul realisieren. Grade bei HiL-Tests im Automobilsektor mit mehreren 100 Signalen kann die Signalführung äußert komplex werden (Bild 2). Das Stichwort hier heißt Sensor-Fusion.

Systemkonzept deckt 80 Prozent der Anforderungen ab

Der dargestellte Systemaufbau, entweder in seiner Gesamtheit oder in einer Teilmenge, deckt einen Großteil der Anforderungen ein typischen Testsystems in jeder Phase des Validierungstests ab – sogar in einigen Produktionsständen. Das Ergebnis dieses Konzeptes als reale Umsetzung mit PXI- und SLSC-Komponenten ist im Bild 2 dargestellt.

Mithilfe standardisierter Kabel zwischen Interfacepanel, SLSC-Chassis und PXI-System können Systeme mit einer Abdeckung von ungefähr 80% aller Anforderungen an das Testsystem konzipiert werden, ohne an Funktionalität zu verlieren. Da die Plattform offen ist, können darüber hinaus jederzeit weitere Einsteckkarten für neue Signale entwickelt und nahtlos in die bestehende Systemarchitektur integriert werden.

Offene Plattform mit hohem Standardisierungsgrad

Mit SLSC hat National Instruments eine offene Plattform mit einem hohen Standardisierungsgrad geschaffen, an deren Erweiterung spezialisierte Alliance Partner wie die Firma SET maßgeblich beteiligt sind. SLSC wird in Zukunft eine zentrale Rolle in den (HiL-)Testsystemen spielen, da es bei Testaufbauten genau die nötige Flexibilität, Schnelligkeit und Effizienz bietet, die im Kontext immer kürzerer Entwicklungszyklen erforderlich ist.

Durch die Option, die offene System-Plattform inhouse selbst zu erweitern oder in kalkulierbaren Entwicklungszeiten zusätzliche Module von Alliance Partnern zu erhalten, sind Unternehmen dank des hohen Standardisierungsgrades für zukünftige Testanforderungen gut aufgestellt.

Was SLSC im Detail ist und was es bietet

Switch, Load and Signal Conditioning, kurz SLSC, ist eine Erweiterung der Datenerfassungskarten wie PXI und CompactRIO von National Instruments. SLSC bietet standardisierte Anschlüsse und einen modularen Ansatz für die Signalaufbereitung, Fehlersimulation und andere Testanforderungen.

Ein SLSC-System besteht aus vier verschiedenen Komponententypen: Chassis, Module, Rear Transition Interfaces (RTIs) und Kabel. Das Chassis und die Architektur wurden von National Instruments konzipiert. Komponenten zur Vervollständigung des Ecosystems werden sowohl von National Instruments als auch von dessen Partnern hergestellt. Die entsprechenden Steckmodule lassen sich im Chassis im Stand-alone-, Durchlass- oder Kaskadenmodus betreiben. So ermöglicht es der Kaskadenmodus, Funktionen wie Signalfehlersimulation zu implementieren.

Die Anwender können aus einer Vielzahl Modulen von Drittanbietern wählen oder mithilfe des umfassenden Module Development Kit von NI aus Hard- und Software eigene Module erstellen.

HiL-Testsysteme im Fahrzeugbau nach ISO 26262

Sensorfusion im Kfz: So beherrschen Prüfingenieure das Datenchaos

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 22/2019 (Download PDF)

* Frank Heidemann ist Geschäftsführer (CEO) bei der SET GmbH in Wangen/Allgäu.

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