Komplexe Baugruppen So arbeiten Software und Firmware ein Produktleben fehlerfrei

Von Sven Haubold*

Die Entwicklungs- und Testzeiten von Baugruppen werden kürzer und die Komplexität steigt. Vor diesem Hintergrund müssen Software und Firmware über die gesamte Produktlebenszeit fehlerfrei arbeiten.

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Baugruppen testen: Die Entwicklungs- und Testzeiten verkürzen sich und die Komplexität nimmt zu. Mit einem speziellen Ansatz lässt sich der komplette Lebenszyklus einer Baugruppe überwachen.
Baugruppen testen: Die Entwicklungs- und Testzeiten verkürzen sich und die Komplexität nimmt zu. Mit einem speziellen Ansatz lässt sich der komplette Lebenszyklus einer Baugruppe überwachen.
(Bild: © Wolfgang Cibura - stock.adobe.com)

Moderne Baugruppen haben immer kürzere Entwicklungs- und Testzeiten. Gleichzeitig steigt die Komplexität der Anforderungen. Für die Software oder Firmware heißt das, Fehler müssen während des kompletten Lebenszyklus einer Baugruppe beseitigt werden. Doch wie kann man die Entwickler mit den Testingenieuren oder Servicetechnikern vor Ort zusammenbringen?

Mit einem neuen Ansatz von Göpel electronic lässt sich demonstrieren, wie man das Prinzip von Industrie 4.0 über den gesamten Produktlebenszyklus problemlos sicherstellen kann (Bild 1). Dabei kann die Unterstützung von der Entwicklung einer Baugruppe, über die Fertigung, die spätere Wartung bis hin zur Reparatur vor Ort erfolgen.

Baugruppenspezifische Umgebungsbedienungen

Entscheidend dabei ist, ob ein Produktionsfehler oder ein Designproblem vorliegt. Die Fehlersuche erschweren baugruppenspezifische Umgebungsbedingungen. Sie lassen sich vom Entwickler im Labor nicht immer vollständig nachstellen. Außerdem steigen die Kosten, je mehr Zeit bei der Fehlersuche aufgewandt werden muss. Noch höher fallen die Folgekosten aus, wenn sich Fehler gravierend auf die Funktionssicherheit eines Gesamtsystems auswirken.

Typischerweise verwenden Entwickler für Entwurf und Debugging der Firmware und Software dafür optimierte und spezifizierte Tools des Bauteilherstellers. Die Frage ist: Wie kann man ein solches Debugging über die Grenzen des Entwicklungssystems hinaus durchführen?

Bild 1: Die Auswirkungen von Design- und Produktionsfehlern im Produktlebenszyklus.
Bild 1: Die Auswirkungen von Design- und Produktionsfehlern im Produktlebenszyklus.
(Bild: Göpel electronic)

Folgendes Szenario: Der Prüftechniker aus der Fertigung ruft den Entwickler an: „Wir haben ein Problem beim Funktionstest der Baugruppe. Die RAM-Tests fallen mit der neuen Charge von RAM-Bausteinen komplett aus. Was können wir tun? Wir können so nicht weiter produzieren!“. Ein noch schlimmeres Szenario ist denkbar, wenn Entwickler und Fertiger räumlich sehr weit voneinander getrennt sind – über Kontinente hinweg. In der Fertigung verfügt man typischerweise nicht über die entsprechende Hard- und Software, die die entsprechenden Entwicklungsumgebungen benötigen. Helfen kann hier ein neuer Ansatz mit Hinblick auf die Anforderungen an die vernetzte Industrie 4.0.

Eine Plattformsoftware für Tests an Baugruppen

Der Schlüssel liegt hauptsächlich in den Möglichkeiten der eingesetzten Software. Die über die Standard-Testfunktionalität hinausgehende Unterstützung von verschiedenen Test- und Programmierstrategien (Embedded JTAG Solutions) für interne und externe Instrumentierungen ermöglichen es, präzise Fehler in Baugruppen über den gesamten Produktlebenszyklus aufzuspüren.

Die Plattformsoftware „SYSTEM CASCON“ ermöglicht es zusammen mit entsprechender Hardware, unterschiedliche Tests an Baugruppen zu bieten. Das beginnt bei der Entwicklung, über die Fertigung, aber auch bei der späteren Reparatur im Feld. Dazu stehen eine große Palette an Hardware-Controllern und eine umfangreiche IP-Software bis hin zur Unterstützung unterschiedlicher Emulationsprotokolle für Mikroprozessoren und Mikrocontroller bereit. Wie können die Hard- und Softwarewerkzeuge eine Brücke zu den Entwicklungswerkzeugen schlagen? Am Beispiel der Firma Xilinx lässt sich das demonstrieren.

Der Hersteller von FPGAs, CPLDs und System-on-Chips stellt umfangreiche Entwicklungstools bereit, um die vielfältigen Möglichkeiten der Bausteine zu nutzen. Dazu gehören beispielsweise die Entwicklungsumgebungen Xilinx Vivado und Vitis. Die Tools sind mit einer speziellen Software-Schnittstelle zur Systemplattform von Göpel verlinkt.

Der Test wird prüflingsspezifisch angepasst

Hierbei fungiert „SYSTEM CASCON“ als eine Art Relais-Station, um die FPGA Debug-Signale aufzubereiten und an die Hardware von Göpel spezifisch weiterzuleiten. Dabei spielt es keine Rolle, welcher Controller-Typ angeschlossen ist und über welche Schnittstelle die Kommunikation zum Controller erfolgt (USB, LAN oder WLAN). Alle einstellbaren Parameter der Controller wie I/O-Spannungen, Delay-Kompensationen oder galvanische Relaistrennungen können dabei wie gewohnt in der Tester Konfiguration prüflingsspezifisch angepasst werden. Die Verlinkung der Tools ist einfach.

Bild 2: Ein typischer Prüfling mit mehreren Test-Access-Ports (TAPs).
Bild 2: Ein typischer Prüfling mit mehreren Test-Access-Ports (TAPs).
(Bild: Göpel electronic)

Darüber hinaus können Entwickler noch zusätzliche Einstellungen vorgeben. Das sind beispielsweise der JTAG-TAP (Test Access Port), an dem der Xilinx IC angeschlossen ist. Auch hier gibt es gegenüber der Xilinx Entwicklungsumgebung einen nicht zu unterschätzenden Vorteil: Besitzt der Prüfling mehrere getrennte JTAG-Ketten, so kann man die jeweilige Kette, in der sich der Xilinx IC befindet, einfach auswählen ohne den JTAG-Port am Controller umstecken zu müssen (Bild 2).

Bild 3: Die Plattformsoftware „SYSTEM CASCON“ und ein Überblick über die Architektur.
Bild 3: Die Plattformsoftware „SYSTEM CASCON“ und ein Überblick über die Architektur.
(Bild: Göpel electronic)

Darüber hinaus lassen sich bei einem parallelen Nutzentest, welcher oft in Produktionsumgebungen angewandt wird, gezielt einzelne Prüflinge auswählen. Die Plattformsoftware ist dabei flexibel in der Anwendung und modular aufgebaut: Die Integration der FPGA-Tool-Anbindung von Xilinx erfolgt bausteinartig in die bereits vorhandene umfangreiche Test- und Instrumentenarchitektur (Bild 3).

Zur Aktivierung der internen Datenschnittstelle wird im Vivado-Hardware-Manger ein spezieller Service gestartet. Dadurch werden die Zugriffsmechanismen über „SYSTEM CASCON“ und die angeschlossene Hardware wirksam. Der Hardware-Manager durchsucht zunächst automatisch die JTAG-Kette nach vorhandenen Bausteinen. Wenn die Konfiguration erfolgreich abgeschlossen wurde, sind alle Zugriffe aus der Xilinx-Entwicklungsumgebung wie gewohnt möglich.

Dazu gehört das Konfigurieren des FPGAs, die Nutzung des Vivado Logic Analyzer (ILA) Tools sowie das Debuggen von SoC-Bausteinen (Zynq) oder Softcore-Prozessoren im FPGA (MicroBlaze).

Probleme debuggen oder Firmware anpassen

Bild 4: Xilinx-Vivado-Umgebung mit ILA (Logic Analyzer) und SDK Debugger von XILINX.
Bild 4: Xilinx-Vivado-Umgebung mit ILA (Logic Analyzer) und SDK Debugger von XILINX.
(Bild: Göpel electronic)

Damit kann jetzt der Entwickler direkt auf der Hardware beim Kunden vor Ort oder in der Fertigung gezielt Probleme debuggen oder unverzüglich die Firmware oder Software anpassen (Bild 4). Durch die optimale Verlinkung der Xilinx-Tools mit „SYSTEM CASCON“ merkt der Entwickler keinen Unterschied, ob er die Standard-Hardwarewerkzeuge des IC-Herstellers nutzt oder über die Embedded JTAG Solution Controller mit dem Prüfling verbunden ist.

Gerade wenn sich die Baugruppe in einem Testadapter wie einem Nadeladapter befindet, sind externe Zugriffsmöglichkeiten oft nicht gegeben und die Baugruppe muss zusätzlich noch die notwendigen Stromversorgungen und Steuersignale durch das Testfixture erhalten.

Bild 5: „SYSTEM CASCON“ mit gestartetem CASCON Xilinx Link Server.
Bild 5: „SYSTEM CASCON“ mit gestartetem CASCON Xilinx Link Server.
(Bild: Göpel electronic)

Das ist allerdings auf Entwicklungsarbeitsplätzen oft nicht möglich. Gerade für global agierende Unternehmen ist die Symbiose zwischen Entwicklungstools und Testumgebung ein nicht zu unterschätzender Vorteil, um die Produkte über den gesamten Produktlebenszyklus gemäß der Konzeption von Industrie 4.0 von der Entwicklung über die Produktion bis hin zur Wartung und Fehlerbehebung optimal zu betreuen und damit die gesamte Wertschöpfungskette zu optimieren. Dadurch lassen sich selbst künftige Entwicklungen und Produktionsprozesse effizienter und sicherer gestalten, was der Schlüssel für die Erhaltung der Wettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens sein kann.

Ein Fazit: Die immer kürzeren Produktentwicklungszeiten und die fortschreitende Miniaturisierung der Baugruppen erfordern immer anspruchsvollere und sich kontinuierlich weiterentwickelnde Teststrategien. Mit dem vorgestellten Feature gelingt es Göpel electronic einen weiteren Baustein im Rahmen ihrer Unterstützung für Embedded JTAG Solutions über die Integration eines 3rd Party Tools zu schaffen. Damit lässt sich eine höhere Testabdeckung über den gesamten Produktlebenszyklus absichern.

* Sven Haubold ist Senior Engineer bei Göpel electronic im Geschäftsbereich Embedded JTAG Solutions.

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