Wie erstellt man flexible, kosteneffiziente ECU-Prüfsysteme?

Überblick

Dieses Whitepaper bietet einen Überblick über Funktionalität und Test elektronischer Motorsteuergeräte (ECU, Engine Control Unit).

Inhaltsverzeichnis

  1. Geschichte von ECUs
  2. Zweck von ECUs
  3. Warum müssen ECUs geprüft werden?
  4. Herausforderungen für Entwickler von Prüfsystemen
  5. Wie funktioniert ein ECU?
  6. ECU-Funktionsblöcke
  7. Virtuelle Instrumente von National Instruments
  8. NI-Produkte für ECU-Prüfanwendungen
  9. Fazit

Warum müssen ECUs geprüft werden?

Die Testphase wird oft als Prozess betrachtet, der keinen Mehrwert ergibt. In einer perfekten Umgebung ist das richtig, denn wenn alles perfekt abliefe, träten beim Herstellungsprozess niemals Fehler auf, Systemdesigns wären stets makellos, Software würde immer funktionieren wie geplant, es gäbe keine einzige Kundenreklamation, Qualitätsprobleme wären nicht existent und die Testphase würde überflüssig, weil niemals etwas schiefgehen würde. Da wir jedoch nicht in einer perfekten Welt leben, ist der Test eine Methode, um minimale, messbare, wiederholbare und nachvollziehbare Qualitätsstandards zu sichern. Denn Qualität hat sehr wohl einen Wert, auch wenn dieser nicht in Zahlen gemessen werden kann.

Auch aus anderen Gründen ist die Testphase wichtig. Fahrzeughersteller haben ihre eigenen Qualitätsanforderungen und -standards, wie z. B. QS-9000, und müssen hohe Ansprüche an Rückverfolgbarkeit und an andere Reglementierungen erfüllen. Normalerweise müssen Hersteller von Fahrzeugteilen diese prüfen, bevor sie für die Montage an den Fahrzeughersteller geliefert werden. Montageanlagen sind äußerst arbeitsintensiv. Es darf nicht passieren, dass ein Fahrzeug wegen eines fehlerhaften Teils von einem Zulieferer umgebaut werden muss. Lieferverträge sehen oft Strafzahlungen vor, wenn defekte Teile geliefert werden und der Fehler direkt auf den Zulieferer zurückzuführen ist.

Hersteller von ECUs müssen beweisen können, dass ihre Produkte den vom Kunden gewünschten Spezifikationen entsprechen. Deshalb müssen Designvalidierungstests (DV-Tests) geprüft werden. Hersteller müssen beweisen, dass der Produktionsprozess fehlerfreie Ergebnisse liefert, was Produktionsvalidierungstests (PV-Tests) voraussetzt. Qualitätsstandards setzen gewöhnlich voraus, dass ein bestimmter Prozentsatz aller ECUs einen Qualitätsprüfungsprozess durchläuft. So wird gewährleistet, dass bestimmte Fehler nicht erst durch den Herstellungsprozess zustande kommen. Dieser Prozess wird manchmal auch als Testen der kontinuierlichen Konformität (Mini-DV-Test) bezeichnet.

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Herausforderungen für Entwickler von Prüfsystemen

Wie bereits zuvor erwähnt, wird die Testphase oft als Prozess betrachtet, der keinen Mehrwert ergibt, obwohl er eine Möglichkeit bietet, die Qualität jeder Phase des Herstellungsprozesses zu erhöhen. Diese Situation erhöht den Druck auf Anbieter von Prüfsystemen, denn sie müssen sicherstellen, dass Tests robust, sorgfältig, schnell und kosteneffizient sind.

Prüfsysteme müssen robust sein. Sie müssen 24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche im Einsatz sein können. Die meisten Hersteller von Fahrzeugteilen haben Produktionsanlagen mit hohem Durchsatz; Ausfallzeiten sind äußerst kostspielig. Die zeitoptimale Fertigung (Just-in-Time Manufacturing) erlaubt keine unvollständigen, verspäteten oder ausgefallenen Lieferungen. Fehlalarme können aufgrund der Vorgaben der erforderlichen Qualitätssicherungsprozesse zu Ausfallzeiten führen. Aus allen diesen Gründen muss die Testaustattung zuverlässig und genau arbeiten.

Prüfsysteme müssen sorgfältig arbeiten. Sie müssen den Prüfdurchsatz maximieren und dabei genau arbeiten. Testsysteme sollten das Auftreten von Defekten in späteren Phasen des Herstellungsprozesses nach Möglichkeit verhindern. Allgemein gilt: Je später ein Problem erkannt wird, desto kostspieliger ist seine Behebung.

Prüfsysteme müssen schnell sein. Die Produktion hoher Stückzahlen setzt voraus, dass jeder Schritt genauso schnell oder schneller als der langsamste Schritt abläuft. Der Prüfprozess darf nicht zum Engpass werden, besonders da er ja angeblich keinen Mehrwert bringt. Prüfsysteme sollten relativ zum langsamsten Schritt weiter vorne im Prozess möglichst über etwas Überkapazität verfügen.

Prüfsysteme müssen kosteneffizient sein. Prüfsystementwickler müssen Leistung und Kosten gegeneinander abwägen. Die tatsächlichen Kosten für ein solches System bestehen nicht nur aus dem Einkaufspreis. Neben diesen werden andere, kurzfristige Kosten wie Ausstattung, Schulungen, Wartung, Aktualisierung, Support und Anbindungsmöglichkeiten fällig, die recht offensichtlich sind. Langfristige, weniger offensichtliche Kosten hängen von Parametern wie etwa Entwicklungszeit, Flexibilität, Skalierbarkeit, Wiederverwendbarkeit, Modularität und Mobilität ab. Diese Faktoren stehen in direktem Zusammenhang mit der verwendeten Hardware und Software.

Darüber hinaus steht Entwicklern von Prüfsystemen meist nur ein begrenztes Budget und ein immer knapperer Zeitrahmen zur Verfügung. Der Zeitraum, in dem ein neues Produkt auf dem Markt gute Chancen auf Erfolg hat, wird immer kürzer. Auch die Lebensdauer von Produkten wird immer kürzer. Neue Vorschriften, Technologien und die Verbrauchernachfrage sind unerbittlich und hören nie auf. Unter diesen Umständen müssen Entwickler von Prüfsystemen einen Weg finden, die Anforderungen, die heute und in Zukunft an ihre Systeme gestellt werden, zu erfüllen.

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ECU-Funktionsblöcke

Ein ECU besteht aus mehreren Funktionsblöcken:

  1. Netzteil: digital und analog (Spannungsversorgung für analoge Sensoren)
  2. MPU: Mikroprozessor und Speicher (meist Flash und RAM)
  3. Kommunikationsverbindung (z. B. CAN-Bus)
  4. Diskrete Eingänge: Ein-/Aus-Schaltungen
  5. Frequenzeingänge: Encoder-Signale (z. B. Kurbelwelle oder Fahrzeuggeschwindigkeit)
  6. Analogeingänge: Feedback-Signale von Sensoren
  7. Schaltausgänge: Ein-/Aus-Schalter
  8. PWM-Ausgänge: variable Frequenz und Tastverhältnis (z. B. Einspritzventil oder Zündung)
  9. Frequenzausgänge: konstantes Tastverhältnis (z. B. Schrittmotor – Geschwindigkeitskontrolle im Leerlauf)

Abbildung 1 zeigt ein Blockdiagramm mit den typischen Ein- und Ausgängen eines ECUs. Jeder Block listet die Geräteklasse auf, die NI für Stimuli, Messungen und Verbindungen zu Lasten und Geräten bietet.

 

DAQ   -Datenerfassung
AO      -Analogausgang
Arb      -Signalgenerator
DIO    -Digitalein- und ausgang

Abbildung 1: I/Os eines ECUs

Stromversorgung

Das ECU-Netzteil ist ein DC-DC-Wandler. Die Batteriespannung wird auf eine Spannung gewandelt, die zu MPU und anderen digitalen Schaltkreisen passt. Manchmal fungiert das ECU auch als Spannungsquelle für die Analogsensoren. In diesen Fällen stellt das ECU eine oder mehrere analoge Speisespannungen zur Verfügung, die von der Batteriespannung bezogen werden. Typische Testaufgaben sind beispielsweise:

  • Kontinuitätsprüfung: findet Kurzschlüsse und/oder Unterbrechungen zwischen Spannungsquelle und Erdung
  • Test des Netzteils unter Volllast: Hat das ECU eine analoge Spannungsversorgung, sollte die Speisespannung unter maximaler Belastung verifiziert werden.
  • Test des Rauschpegels am Netzteilausgang: Hat das ECU eine analoge Spannungsversorgung, sollte der Rauschpegel am Ausgang überprüft werden.
  • Strom im Ruhezustand: Überprüfung der VBATT-Stromaufnahme mit ausgeschalteter Zündung
  • Strom bei eingeschalteter Zündung – Überprüfung der VBATT-Stromaufnahme mit eingeschalteter Zündung

Prozessor

Der MPU enthält den Prozessor sowie Speicherkomponenten. Meist wird für die Anwendungssoftware Flash-Speicher verwendet. Der Anwendungscode umfasst Referenztabellen für die Kalibrierung. Basierend auf Feedback von den Eingängen definieren diese Tabellen die optimale Treibstoffzusammensetzung und die Parameter für das Timing der Zündung. Mit Flash-Speicher kann das ECU jederzeit neu programmiert werden. In manchen Fällen beinhaltet der Anwendungscode einen speziellen Testmodus für die Produktionsprüfung. Typische Testaufgaben sind beispielsweise:

  • RAM-Test: meist eine Art zu schreibender und zu lesender Muster
  • Flash-Test: Überprüfung von Hersteller/Part-ID, Quersumme
  • Watchdog-Timer-Test
  • Herunterladen der Anwendung und/oder von Embedded-Prüfcode/TCA auf Flash

Strategien für Produktionstests umfassen meist einen oder mehrere der folgenden Punkte:

  • Anwendungscode integriert Testschnittstellen für die externe Steuerung des ECUs
  • Herunterladen von Prüfcode auf Flash-Speicher, der Prüfcode ermöglicht den Test aller Ein- und Ausgänge.
  • Herunterladen von testspezifischem Code (z. B. Code nur zum Lesen der Analogeingänge)

Datenübertragung

Das ECU hat eine Kommunikationsverbindung mit der Umgebung. Die Anzahl an ECU-Protokollen ist groß und wächst weiter. Alle paar Jahre werden neuen Protokolle und Standards veröffentlicht. Die Kommunikationsschnittstelle hat mehrere Funktionen. Eine der wichtigsten davon besteht darin, die Bestimmungen zur Onboard-Diagnose (OBD) zu erfüllen. OBD ermöglicht die Erkennung von Fehlern in Abgassystemen von Fahrzeugen. Das ECU überwacht die Emissionen. Wenn sie vom Toleranzbereich abweichen, werden die Daten für die Servicetechniker aufgezeichnet. Diese können über die Kommunikationsschnittstelle auf die Daten zugreifen und auch andere mit der Schnittstelle verbundene Diagnosewerkzeuge verwenden, um fehlerhafte Teile zu finden. Moderne Fahrzeug haben meist mehr als ein ECM (ABS, Telematik etc.), die gewöhnlich über die Kommunikationsschnittstelle miteinander verbunden sind. Um einwandfrei zu funktionieren, benötigt das ECU u. U. Statusinformationen über elektronische oder mechanische Systeme, die nichts mit dem Motor zu tun haben. Genauso benötigen die anderen ECMs eventuell Statusinformationen vom ECU, um richtig zu funktionieren.

Über die Kommunikationsschnittstelle die der Test eines ECUs oft sehr I/O-intensiv. Da die Kommunikation mit dem ECU bis zu 30 oder 40 % der tatsächlichen Testzeit ausmacht, kann die Auswahl der Kommunikationsschnittstelle einen riesigen Einfluss haben. Die Durchsatzlatenz dieses Gerätes (z. B. Umwandlung von RS-232 zu CAN und umgekehrt) kann bestimmend für die Gesamtleistung des Systems sein. Abhängig vom Protokoll ist die Auswahl eventuell eingeschränkt, aber hat man die Wahl, lohnt es sich, Benchmark-Tests durchzuführen, um die schnellste Lösung zu finden.

Ein einfaches Beispiel stellt den Einfluss der richtigen Auswahl dar. Eine Kommunikationsschnittstelle wandelt RS-232 in CAN um. Läuft die RS-232-Seite des Schnittstellenmodul mit 9600 Baud und 1 bit pro Baud, beträgt die Übertragungsgeschwindigkeit auf der RS-232-Seite 9600 b/s (Bit pro Sekunde). Eine typische Botschaft könnte etwa wie folgt formatiert sein:

  • Startzeichen
  • Ausgangsgerät
  • Zielgerät
  • Anzahl der Datenbytes
  • Befehls-Byte
  • Datenbytes (typ. 4)
  • Ende-Zeichen
  • Quersummen-Byte

Das macht 11 Bytes oder 88 bits. Bei 9600 b/s dauert die Datenübertragung also 9,17 ms. Das klingt nicht besonders beeindruckend, aber es ist nicht ungewöhnlich, während eines ECU-Tests 200 oder mehr Nachrichten zu übertragen. Bei 200 Nachrichten dauert die Datenübertragung nur in eine Richtung so bereits 1,83 Sekunden. Allerdings folgen die meisten Nachrichten einem Befehl/Antwort-Protokoll, so dass die Dauer für die Übertragung von 200 Nachrichten eigentlich 2 x 1,83 Sekunden, also 3,66 Sekunden, beträgt. Dabei wurde noch keine andere Latenz mitgerechnet, die bei der Umwandlung von Daten von RS-232 zu CAN, von CAN zu RS-232 oder der Umwandlung von Daten durch das ECU oder den Controller des Prüfsystems auftritt. Die Prüfzeit ließe sich mit einer Schnittstelle, die auf der RS-232-Seite mit 18,2 kb/s läuft, um 1,83 Sekunden reduzieren. Ein langsames Schnittstellenmodul kann sogar noch stärkere Auswirkungen haben, wenn Prüf- oder Anwendungscode auf das ECU geladen werden muss.

Diskrete Eingänge

Eingänge für diskrete Signale (oder Schaltsignale) überwachen den Ein/Aus-Status verschiedener Komponenten in einem Fahrzeug. Der wichtigste diskrete Eingang ist der Zündungsschalter. Das ECU muss die Position des Zündschalters kennen (Starten, Ein, Aus), um zu bestimmen, wann und wie das Treibstoff- und Zündsystem gesteuert werden muss. Weitere Beispiele für diskrete, oder Schalteingänge sind die Parkeinstellung bei einer Automatikschaltung, die Bremse oder der Schalter für die Klimaanlage.

Abbildung 2: Blockdiagramm des Eingangs eines Automotive-Schaltmoduls

In einem ECU-Systeme verbindet der Last-/Stimulusblock, der meist aus universellen und/oder Matrix-Relais besteht, eine Prüfressource (VBATT, BATT_GND, DAC, DIO) mit diskreten Eingängen auf dem ECU. Typische Testaufgaben sind beispielsweise:

  • „Laufende Einsen/Nullen“ – für „laufende Einsen“ werden alle diskreten Eingänge auf LOW gesetzt, dann, einer nach dem anderen, von HIGH auf LOW „getoggelt“. Bei „laufenden Nullen“ gilt der umgekehrte Weg.
  • Musterprüfung (z. B. 0xAA, 0x55), Lesen des Status vom ECU
  • Verbindung jedes Eingangs mit VBATT, Lesen des Status vom ECU
  • Verbindung jedes Eingangs mit BATT_GND, Lesen des Status vom ECU
  • Test von Leerlaufbedingungen

Frequenzeingänge

Frequenzeingänge werden oft zur Überwachung von Sensoren genutzt, die Informationen über Geschwindigkeit (z. B. eines Fahrzeugs) oder über Geschwindigkeit und Position (z. B. CRANK) liefern. Das wichtigste Feedback-Signal für einen ECU ist das CRANK-Signal. In manchen Motoranwendungen kommen CRANK- und CAM-Signale zum Einsatz, um das ECU mit Informationen zu Geschwindigkeit (rpm) und Position (CRANK-Winkel) zu versorgen. Bei den CRANK- und CAM-Sensoren kann es sich um Infrarot- oder um Sensoren mit variabler Reluktanz handeln. Beide Arten von Sensoren erzeugen Encoder-Signale, die vom ECU verarbeitet werden, um die Ausgangsparameter für Treibstoff und Zündung zu bestimmen. Abbildung 3 zeigt typische Frequenzeingänge und die typischen Signalparameter.


Abbildung 3: Typische Frequenzeingänge und Signalparameter im Automotive-Bereich

Typische Tests von Frequenzeingängen sind beispielsweise:

Versorgung des ECU-Frequenzeingangs mit Signalen mit verschiedenen Amplituden und/oder Frequenzen und/oder Tastverhältnissen

  • Test von Leerlaufbedingungen
  • Test der Eingäng, verbunden mit VBATT und/oder BATT_GND

Analogeingänge

Die Analogeingänge überwachen die zahlreichen Sensoren in einem Automobil. Es gibt viele verschiedene Sensortypen und jedes Signal wird vom ECU konditioniert. Beispielsweise gibt es Sensoren zur Messung von Temperatur (Motortemperatur), Druck (MAP-Sensor, Manifold Absolute Pressure), Durchflussgeschwindigkeit (AGR), Luftqualität (Sauerstoffgehalt) und anderen Werten, die Teil des Feedback-Pfads zum ECU sind.

Typische Tests von Analogeingängen sind beispielsweise:

  • Offener Schaltkreis: Keine Quelle oder Last ist mit dem Eingang verbunden.
  • Eingänge, verbunden mit VBATT und/oder BATT_GND
  • Linearität der Analog-Digital-Wandlung (z. B. Test mit Eingangssignalpegel bei 5 und 95 % des Eingangsbereichs)

Schalterausgänge

Bei Schaltausgängen, manchmal auch diskrete Ausgänge genannt, handelt es sich meist um Treiber mit niedrigem Strom (<2 A). Beispiele für Schaltausgänge sind Signale zur Steuerung des Tempomats und der Treibstoffpumpe. Schaltausgänge werden manchmal als High-Side- oder Low-Side-Treiber klassifiert, abhängig davon, ob sie anderen Systemkomponenten Strom ( z. B. VBATT) oder Erdung zur Verfügung stellen. Bei den Lasten, die von diesen Ausgängen betrieben werden, handelt es sich entweder um Widerstands- (z. B. das Signallämpchen bei Fälligkeit der Motorinspektion) oder reaktionsfähige Lasten (z. B. Druckluft-Magentventil).

Abbildung 4: Blockdiagramm des Ausgangs eines Automotive-Schaltmoduls

Typische Testaufgaben sind beispielsweise:

  • Voh = VBATT ±0,5 VDC, Vol = BATT_GND ±0,5 VDC
  • Klemmanschluss-/Rücklaufspannung, meist <100 V
  • Leckstrom am Ausgang
  • Diagnostik
  • Ausgänge, verbunden mit VBATT und/oder BATT_GND

Pulsweitenmodulierte Ausgänge (PWM)

PWM-Ausgänge sind die kompliziertesten ECU-Ausgänge. Neben weiteren PWM-Ausgängen sind die Ausgänge an Einspritzventil und Zündung (bzw. Zündsteuerung) wohl die rechenintensivsten. Der hauptsächliche Faktor, der Timing, Frequenz und Tastverhältnis der Einspritz- und Zündungsausgänge bestimmt, ist die Kurbelwellengeschwindigkeit (rpm) und -Position (Kurbelwellenwinkel, 0 bis 360 Grad). Weitere Faktoren, die zur Bestimmung der Treibstoff- und Zündungsparameter genutzt werden, sind etwa Fahrzeuggeschwindigkeit (kmh), Position des Gaspedals (Beschleunigung, Verminderung der Geschwindigkeit, unveränderte Position), AGR (Abgasrückführung), Motortemperatur, Saugrohrdruck, Treibstofftemperatur/-druck u. v. m. Einfach ausgedrückt nutzt der Motorcode dieses Feedback zur Durchführung einiger Berechnungen und sucht dann aus der Kalibrierungstabelle die beste Treibstoffmischung und das passende Zündungs-Timing (Haltezeit und Zündungsvorlauf) zur Optimierung der Motorleistung. Im Allgemeinen betreiben PWM-Ausgänge induktive Lasten wie etwa die Zündspule und das Einspritz-Magnetventil. Die meisten Lasten betragen weniger als 5 A, jedoch verbrauchen manche Lasten, wie etwa die Zündspule, abhängig vom Motordesign bis zu 20 A.

Abbildung 5: Blockdiagramm eines Automotive-PWM-Ausgangs

Typische Testaufgaben sind beispielsweise:

  • Voh = VBATT ±0,5 VDC, Vol = BATT_GND ±0,5 VDC

• Klemmanschluss-/Rücklaufspannung, meist <100 V, Zündspannung bis zu 450 V

  • Leckstrom am Ausgang
  • Diagnostik
  • Ausgänge, verbunden mit VBATT und/oder BATT_GND

• EIN-/AUS-Zeit, Anstiegs-/Abfallzeit, Tastverhältnis, Frequenz

• Timing/Synchronisation von Kurbelwellenposition und Einspritzdüse/Zündung/Zündsteuerung (z. B. Verzögerung der steigenden oder fallenden Flanke relativ zum oberen Umkehrpunkt, (TDC – Top Dead Center)

• Vergleich von Strom- und Spannungspegel (z. B. Vsat-Spannung bei I = 500mA)

Frequenzausgänge

Bei Frequenzausgängen handelt es sich meist um konstante Frequenz- und/oder Tastverhältnisausgänge. Normalerweise werden sie zur Steuerung von Schrittmotoren eingesetzt. Ein Beispiel ist die Leerlaufregelung, welche die Luftzufuhr des Treibstoffsystems anpasst, welches dann wieder die Leerlaufdrehzahl steuert.

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Virtuelle Instrumente von National Instruments

Ein virtuelles Instrument ist ein computergestütztes Gerät, welches digital gesteuerte Datenerfassungs- oder Signalerzeugungshardware zusammen mit Softwarealgorithmen nutzt, um die Funktionalität eines Messgeräts zur Verfügung zu stellen.

Mit Hilfe virtueller Instrumente kann ein einfaches universelles Messgerät Messungen vornehmen, für die sonst viele verschiedene spezielle Geräte erforderlich sind, denn die Software definiert die Funktionalität des Messgeräts. Wird ein neues Gerät benötigt, schreibt der Anwender neue Software oder erwirbt Software-Toolkits mit der gewünschten Funktionalität.

Mit der PXI-Plattform und dem Paradigma der virtuellen Instrumente profitieren Entwickler von Prüfsystemen von einem optimalen Preis-Leistungs-Verhältnis, das zur Überwindung der Herausforderungen notwendig ist, vor die Entwickler gestellt werden. PXI-Systeme sind robust, denn sie basieren auf industriellen Computertechnologien. Und sie sind schnell, denn sie nutzen die Standard-PCI-Busarchitektur. Die Systemkosten sind dabei von den Anforderungen der Anwendung an Geschwindigkeit und Leistung abhängig. Controller sind mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Funktionen erhältlich, welche ihren Preis beeinflussen. Bei Messgeräten hängt der Preis von den verschiedenen Leistungsfaktoren ab. Die PXI-Architektur und das Paradigma der virtuellen Instrumente bieten Anwendern die einzigartige Möglichkeit, ihre Investitionen in Hard- und Software gegen Veralterung zu schützen. Kommen leistungsstärkere Controller auf den Markt, können Systeme damit aktualisiert werden, ohne dass die Software erneuert werden muss. Analog dazu können dank des Paradigmas der virtuellen Instrumente auch Messgeräte ausgetauscht werden, ohne dass die Software verändert werden muss, wenn vom System mehr Leistung verlangt wird. Virtuelle Instrumente versetzen Entwickler in die Lage, mit nur einem Gerät die Funktionen mehrerer konventioneller Messgeräte auszuführen. Um zusätzliche Funktionalität zu ergänzen, muss lediglich die entsprechende Software geschrieben werden. In manchen Fällen ist die Softwarefunktionalität standardmäßig in der Entwicklungsumgebung enthalten. Darüber hinaus können Software-Add-ons mit den gewünschten Funktionen erworben werden.

Systeme, die das Paradigma der virtuellen Instrumente nutzen, bieten die größtmögliche Flexibilität. A/D-Wandler sind mit vielen unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Auflösungen erhältlich. Die CPU-Geschwindigkeit ist optional und die Software kann jederzeit bearbeitet werden. Solche Messgeräte sind tendenziell günstiger als Stand-alone-Geräte, denn die Hardware ist weniger komplex und die Messgeräte nutzen soweit wie möglich kommerzielle Technologien anstelle kostspieliger herstellerdefinierter Komponenten für nur eine Art von Anwendung.

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NI-Produkte für ECU-Prüfanwendungen

Software

Die Software ist ein Hauptbestandteil jedes Prüfsystems. Auf lange Sicht werden die tatsächlichen Systemkosten oftmals von der Software bestimmt und übersteigen die Kosten für Hardware. Während Hardware nur einmal gekauft werden muss, ist die Softwareentwicklung ein anhaltender Prozess über die gesamte Lebensdauer eines Prüfsystems hinweg. Gewöhnlich werden zwei Arten von Software benötigt:

  • Umgebung für die Anwendungsentwicklung zum Schreiben des Prüfcodes
  • Test Executive – für die Verwaltung von Prüfsequenzen

Die Auswahl einer Entwicklungsumgebung spielt eine wichtige Rolle, denn sie kann großen Einfluss auf die kurz- und langfristigen Systemkosten haben. Auch die Testmanagementsoftware kann die Kosten beeinflussen.

Entwicklungsumgebungen für Prüfanwendungen

Jede Prüfanwendung erfordert eine Umgebung, in welcher der Prüfcode erstellt wird. Die Entwicklungsumgebung hat direkten Einfluss auf die Entwicklungszeit und deshalb auch auf die Systemkosten. Die Kosten und die einfache Bedienbarkeit der Umgebung sowie die enthaltenen Werkzeuge und Bibliotheken müssen bei der Auswahl in Betracht gezogen werden. Darüber hinaus sollte auch bedacht werden, ob und welche Add-ons oder Software-Toolkits vom Hersteller der Entwicklungsumgebung oder von Drittherstellern erhältlich sind. Die Standardbiblitheken der Entwicklungsumgebung und die verfügbaren Add-ons entscheiden oft darüber, wieviel Programmcode von Grund auf neu geschrieben werden muss. Allgemein gilt, je weniger Code ein Entwickler schreiben muss, desto schneller und kostengünstiger ist der Softwareentwicklungsprozess. National Instruments bietet zwei der führenden Programmiersprachen in der Prüf- und Messtechnik.

NI LabVIEW ist eine der weltweit führenden grafischen Programmiersprachen. Mithilfe des Programmierparadigmas von LabVIEW können sich Entwickler stärker auf die Anwendung konzentrieren, anstatt sich mit der Entwicklungsumgebung befassen zu müssen. Anstelle von Text und Syntax werden Programme mithilfe von Symbolen und Verdrahtungen erstellt. Grafische Programmiersprachen beschleunigen den Entwicklungsprozess erheblich. Ein Symbol ersetzt mehrere Dutzend oder sogar mehrere hundert Zeilen textbasierten Codes. LabVIEW bietet eine über Maus bedienbare Drag-and-drop-Umgebung, bei der im Vergleich zu textbasierten Sprachen äußerst wenig getippt werden muss. Darüber hinaus ist LabVIEW speziell für die Prüf- und Messtechnik konzipiert. Es enthält umfassende Bibliotheken, um die Programmierung von Gerätesteuerung zu vereinfachen. Für viele Messanwendungen müssen nur ein paar wenige Symbole verkabelt werden, und schon ist ein Gerät konfiguriert, das eine Messung durchführen kann. Neben der Gerätesteuerung bietet LabVIEW Bibliotheken für Datenanalyse und -darstellung für praktisch jede Art von Messung.

Bei LabWindows/CVI handelt es sich um eine textbasierte Programmiersprache speziell für Prüf- und Messanwendungen, die auf C basiert. Wie LabVIEW ist auch LabWindows/CVI genau auf die Bedürfnisse von Entwicklern von Prüf- und Messanwendungen zugeschnitten. Standardbibliotheken für Datenanalyse und -darstellung vereinfachen die Programmierung und Funktionspanels erleichtern die Programmcodeerstellung.

Test Executive

Früher waren Prüfcode und die Verwaltung der Prüfsoftware immer kombiniert. Jedes Mal, wenn Tests für ein neues Produkt entwickelt werden müssen, sahen sich Designer gezwungen, entweder eine neue Test Executive zu erstellen oder den entsprechenden Code vom Prüfcode für das alte Produkt auf den für das neue Produkt zu portieren. Wurden Veränderungen an der Test Executive aufgrund der Anforderungen des neuen Produkts vorgenommen, musste jedes System, das diese Test Executive nutzte, auch verändert werden oder erforderte eine eigene Version der Test Executive. Diese Methode resultierte in der Verbreitung zahlreicher Versionen derselben Test Executive, wodurch die Kosten für Softwarewartung und Dokumentation unnötig in die Höhe getrieben wurden.

Heute gibt es kommerziell erhältliche Test Executives. Damit können sich Entwickler auf den Programmcode konzentrieren, anstatt viel Zeit auf die Test Executive verwenden zu müssen. TestStand von National Instruments gilt als eine der besten kommerziellen Test Executives auf dem Markt. Es handelt sich bei NI TestStand um eine umfassende Testmanagementsoftware, die mit Prüfcode aus praktisch allen Entwicklungsumgebungen kompatibel ist. Dies ist der Tatsache zu verdanken, dass TestStand mit einer DLL kommunizieren kann. TestStand bietet enge Integration von Programmcode, der in LabVIEW oder LabWindows/CVI erstellt wurde.

Kommunikationsschnittstellen in Fahrzeugen

National Instruments bietet CAN-Geräte (Controller Area Network) für viele Plattformen: PCI, PXI und PCMCIA. Diese Geräte können praktisch in jeder Prüfanwendung im Automotive-Bereich eingesetzt werden, die eine CAN-Schnittstelle erfordert.

Digitalmultimeter

Wie Tabelle 1 darstellt, bietet National Instrument drei Multimeter, die sich für ECU-Tests eignen.

Modell

Bus

Präzision

Modi

Bereiche

Autom. Nullabgleich

Getriggertes Abtasten

NI 4050

PCMCIA

5 1/2 Stellen

Widerstand(nur zweiadrig),Strom, Spannung,Diode

Auflösung: 200 Ω bis 2 MΩ; Strom: 20 mA bis 10 A; Spannung: 20 mV bis 250 VAC

nein

nein

PCI, PXI

5 1/2 Stellen

Widerstand(zwei- und vieradrig), Strom, Spannung, Diode

Auflösung: 200Ω bis 2 MΩ; Strom: 20 mA bis 10 A; Spannung: 20 mV bis 250 VAC

ja

ja

NI 4070

PCI, PXI

6 1/2 Stellen

Widerstand (zwei- und vieradrig), Strom, Spannung, Diode, Digitizer

Auflösung: 100 Ω bis 100 MΩ; Strom 20 mA bis 10 A; Spannung: 100 mV bis 300V

ja

ja

Tabelle 1: NI-Multimeter für Automotive-Anwendungen

NI PCMCIA-4050 kann bei Anwendungen zum Einsatz kommen, bei denen Größe und Portierbarkeit eine wichtige Rolle spielen, z. B. in Testsystemen am Prüfplatz, am und im Fahrzeug oder in der Wartungsbucht. NI 4060 und NI 4070 sind besser für F&E und für Produktionsprüfsysteme geeignet.

Geräte des Typs NI 4070 sind schnelle und genaue 6-1/2-stellige DMMs mit integriertem Digitizer-Modus. Im Digitizer-Modus können Signale mit hoher Spannung ohne zusätzliche Signalkonditionierung gemessen werden.

Multifunktions-Eingang und -Ausgang

In Tabelle 2 sind ein paar Multifunktions-I/O-Module (MIO) aufgeführt, die sich für den ECU-Test eignen. MIO-Geräte erlauben sowohl Signalmessung als auch -generierung. Im Allgemeinen werden für ECU-Tests niedrige Frequenzen benötigt, doch in manchen Fällen ist im Zeitbereich eine hohe Auflösung nötig (z. B. Zündimpulse von weniger als 10-20 µs). Erfordert eine ECU-Prüfanwendung keine hochauflösenden Messungen, stehen auch Geräte mit niedrigeren Geschwindigkeiten und zu günstigeren Kosten bereit. Da für die meisten ECU-Prüfanwendungen solche Testarten nötig sind, ist es unwahrscheinlich, dass Abtastraten von weniger als 500 kS/s ausreichen.

Erfassungs-
gerät

Bus

Analog-
eingang

Analog-
ausgang

Abtastrate

Bit

Bereich

Digital-I/O

TC

Trigger

NI DAQCard-6062E

PCMCIA

16

2

500 kS/s

12

Analogein: ±10 V;
Analogaus: ±10 V

8

2, 24 bit

analog, digital 

NI 6070E

PXI, PCI

16

2

1,25 MS/s

12

Analogein: ±10 V;
Analogaus: ±10 V

8

2, 24 bit

analog, digital 

NI DAQPad-6070E

IEEE 1394

16

2

1,25 MS/s

12

Analogein: ±10 V;
Analogaus: ±10 V

8

2, 24 bit

analog, digital 

NI 6071E

PXI, PCI

64

2

1,25 MS/s

12

Analogein: ±10 V;
Analogaus: ±10 V

8

2, 24 bit

analog, digital 

NI 6115E

PXI, PCI

4

2

Analogein: 10 MS/s
Analogaus: 4 MS/s

12

Analogeing: ±42 V;
Analogausg: ±10 V

8

2, 24 bit

analog, digital 

Tabelle 2: Multifunktions-Datenerfassungsgeräte von NI für Automotive-Anwendungen

DAQCard-6062E (PCMCIA) und DAQPad-6070E (IEEE 1394) können in Anwendungen eingesetzt werden, in denen es v. a. auf Größe und Mobilität ankommt. Beide Geräte haben ausreichende Abtastraten für jede Art von Messung. Typische Anwendungen für diese Geräte sind Testsysteme am Prüfplatz, am und im Fahrzeug oder in der Wartungsbucht.

NI 6070E, NI 6071E und NI 6115E für PCI und PXI können in allen möglichen ECU-Prüfanwendungen eingesetzt werden, eignen sich aber am besten für Applikationen im Bereich F&E und Produktionsprüfung.

MIO-Geräte stellen eine kostengünstige Lösung für ATE-Anwendungen dar, bei denen Signale erzeugt und gemessen werden müssen. NI PXI-6115 ist eine besonders gute Option für ECU-Prüfanwendungen. Der Eingangsbereich von ±42 V und die simultane Hochgeschwindigkeitsabtastung des PXI-6115 stellt Entwicklern ein Gerät bereit, das die üblicherweise notwendigen Timing- und Synchronisationsmessungen ausführen kann.

Wie in Tabelle 2 dargestellt, ist für die Eingangsbereiche der meisten MIO-Geräte Signalkonditionierung erforderlich, um Spannungen von über 10 V zu messen. Ein 10:1-Spannungsteiler reicht dabei für die meisten Signale aus. Ausnahmen bilden der Test der Rücklaufspannung an der Zündung (oder am Klemmanschluss). Für Prüfsysteme am und im Fahrzeug kann ein Filter, z. B. ein Tiefpassfilter, nötig sein, um Zündstörungen zu eliminieren.

Quellen

DC-Spannungs- und Stromausgangsmodule

Tabelle 3 zeigt einige Optionen für statische Analogausgangsquellen. Analogeingänge eines ECU benötigen meist eine Spannungsquelle zwischen VBATT und BATT_GND bzw. zwischen V_ANALOG und A_GND. Es gibt mehrere Methoden, um den Stimulus für den Test der Analogeingänge eines ECU bereitzustellen. Eine Methode, welche die Wiederverwendbarkeit der Hardware maximiert und die Kosten für mechanische Vorrichtungen senkt, ist die Verwendung einer Quelle in Form eines D/A-Wandlers (Analogausgang). Mit solchen Geräten lässt sich eine programmierbare Spannung für die Analogeingänge des ECU bereit stellen. Im Falle von Quellen, die über mehrere isolierte Ausgänge verfügen, kann man die Ausgänge stufenförmig anordnen, um die Leistung der Spannungs- und/oder Stromquelle zu steigern.

Produkt

Bus

Ausgänge

Bit

Bereich

Digital-I/O

Counter/Timer

Strom-
senken

Trigger

NI 6704

PCI
PXI

16 Spannungs-/16 Strom

16

±10 V, 0 bis 20 mA

8

-

ja

-

PCI-6703

PCI

16 Spannung

16

±10 V

8

-

-

-

DAQCard-AO-2DC

PCMCIA

2 Spannung/2 Strom

12

±5 V,
±10 V,
0 bis 20 mA

8

-

ja

-

NI SCXI-1124

SCXI

6 Spannung oder Strom

12

±10 V, 0 bis 20 mA

-

-

ja

-

 

Tabelle 3: Analogausgangsgeräte von NI für Automotive-Anwendungen

 

So hat SCXI-1124 beispielsweise sechs isolierte Ausgänge mit ±10 V. Diese können, hintereinander angeordnet, eine Quelle für 60 V bilden. Ein solches Gerät kann die Ausgänge des ECUs zurücktreiben, um Spannungen an Klemmanschlüssen oder Leckströme am Ausgang zu verifizieren.

Signalgeneratoren

Tabelle 4 zeigt einen Signalgenerator, mit den alle Signale für den Test von ECU-Frequenzeingängen erzeugt werden können. Der Signalgenerator lässt sich auch zur Bereitstellung der statischen DC-Spannungen zum Test der ECU-Analogeingänge einsetzen.

Produkt

Bus

Kanäle

Update-Rate

Frequenzbereich

Auflösung

Bereiche

NI 5411

PCI
PXI

1

40 MS/s

16 MHz

12 bit

±5 V bei 50 Ω oder 10 V bei hoher Impedanz

 Tabelle 4: Signalgeneratoren von NI

Auch MIO-Geräte von NI sind in der Lage, Signale zu erzeugen. Abhängig von der Anwendung und den erforderlichen Geräten ist u. U. kein separates Gerät zu Signalerzeugung notwendig.

Digitaleingang und -ausgang

In Tabelle 5 werden einige Optionen für Digitaleingänge und -ausgänge (DIO) aufgeführt, ein paar davon mit Isolierung. Viele Produktionsprüfsysteme benötigen DIO für andere Zwecke als den ECU-Test, z. B. die Steuerung mechanischer Vorrichtungen (z. B. Magnetspulen in pneumatischen Vorrichtungen), Kommunikation mit weiteren verwendeten Geräten (z. B. Roboter, SMEMA-Schnittstelle), Statusanzeigen (z. B. Ampeln) und Lastrelais für hohe Ströme.

Produkte

Bus

DIO-Kanäle

SSR

Max. Rate

Integrierter Speicher

Bereiche

Isolation

Trigger

NI 6527E

PXI, PCI

24 Eingänge, 24 Ausgänge

-

Statische I/Os

-

28 V am Eingang,
60 V am Ausgang

ja

-

SCXI-1162HV

SCXI

32 Eingänge

-

Statische I/Os

-

±240 VAC

ja

-

SCXI-1163R

SCXI

-

32 Ausgänge

Statische I/Os

-

-

ja

-

Tabelle 5: Digital-I/O-Geräte von NI für Automotive-Anwendungen

Abhängig von den Testanforderungen können DIOs auch zur Bereitstellung von Last oder Stimulus für Schalterausgänge oder diskrete Eingänge verwendet werden.

Schaltmodule

Tabelle 6 zeigt Schaltmodule von National Instruments, die sich für Prüfanwendungen im Automotive-Bereich eignen.

Produkt

Bus

Topologie

Kanäle

Max. Spannung

Max. Schaltkapazität

Bandbreite

NI SCXI-1127

SCXI

Matrix- und Multiplexer

4x8 (2-adrig);
32x1 (2-adrig)

±250 VDC,
250 Veff

1 A bei 30 VDC,
500mA bei 125 Veff,
200 mA bei 250 Veff

11 MHz

NI SCXI-1129

SCXI

Matrix

256 Koppelpunkte (2-adrig)

±150 VDC,
150 Veff

1 A bei 150 VDC,
250 mA bei 150 Veff

10 MHz

PXI-2529

PXI

Matrix

128 Koppelpunkte (2-adrig)

±150 VDC,
150 Veff

1 A bei 150 VDC,
250 mA bei 150 Veff

10 MHz

SCXI-1130

SCXI

Matrix- und Multiplexer

256x1 (1-adrig)
128x1 (2-adrig)
64x1 (4-adrig)
4x64 (2-adrig)
4x32 (1-adrig)
8x32 (1-adrig)

±60 VDC,
30 Veff

0,4 A, 10 W

15 MHz

PXI-1130

PXI

Matrix- und Multiplexer

128x1 (1-adrig)
64x1 (2-adrig)
32x1 (4-adrig)
4x32 (1-adrig)
4x16 (1-adrig)
8x16 (1-adrig)

±60 VDC,
30 Veff

0,4 A, 10 W

15 MHz

SCXI-1166

SCXI

universell

32 SPDT

±150 VDC,
125 Veff

2 A, 60 W, 62,5 VA

70 MHz

PXI-1166

PXI

universell

16 SPDT

±150 VDC,
125 Veff

2 A, 60 W, 62,5 VA

70 MHz

SCXI-1167,
PXI-1167

SCXI,
PXI

Relaisverstärker

64 Kanäle SPST

±50 VDC

600 mA

-

SCXI-1160

SCXI

universell

16 SPDT

±250 VDC,
250 Veff

2 A bei 30 VDC,
2 A bei 250 Veff

10 MHz

SCXI-1161

SCXI

universell

8 SPST

±250 VDC,
250 Veff

5 A bei 30 VDC,
8 A bei 125 Veff

10 MHz

PXI-2503

PXI

Matrix- und Multiplexer

4x6 (2-adrig);
24x1 (2-adrig)

±60 VDC,
30 Veff

1 A bei 30 VDC

10 MHz

PXI-2565

PXI

universell

16 SPST

±125 VDC,
250 Veff

5 A bei 30 VDC,
7 A bei 250 Veff

10 MHz

Tabelle 6: NI-Schaltmodule für Automotive-Anwendungen

National Instruments bietet Anschlussblöcke für SCXI-1127 und SCXI-1129, so dass Systemdesigner die Matrixkonfigurationsoptionen um mehrere Module erweitern können. SCXI-1129 kann beispielsweise mit dem Anschlussblock SCXI-1335 kombiniert werden und ergibt dann eine 8x32-Matrix. Je zwei SCXI-1129 und SCXI-1335 ergeben eine 8x64-Matrix, wenn die Reihen der beiden Schaltmodule verbunden werden.

Signalkonditionierung

Bei vielen ECU-Prüfsystemen müssen Signale konditioniert werden. Signaldämpfung, -filterung und -verstärkung sind wohl die gängigsten erforderlichen Arten der Signalkonditionierung. Auch National Instruments bietet Produkte für die Signalkonditionierung.

PWM-Ausgänge sind meist mit induktiven Lasten verbunden. Wird der Ausgang abgeschaltet, wird normalerweise ein Rücklaufimpuls mit hoher Spannung erzeugt. Mit Ausnahme der Ausgänge der Zündungsspule betragen diese Rücklaufspannungen meist weniger als 100 V. Ein 10:2-Spannungsteiler liefert üblicherweise ausreichende Dämpfung für die Messung dieser Rücklaufspannungen mithilfe computergestützter Messgeräte. Mit dem NI SCC-A10 steht ein differenzieller 10:1-Spannungsteiler zur Verfügung, der den Einsatzbereich des Analogeingangs erweitert, der zur Messung dieser hohen Spannungen eingesetzt wird.

Da ECU-Frequenzeingänge manchmal Spannungen erfordern, die außerhalb des Spannungsbereichs des Analogausgangs oder Signalgenerators liegen, ist eventuell ein Verstärker notwendig, um die Spannung auf die gewünschte Amplitude zu bringen. Manche ECU-Designs versorgen den Frequenzeingangssensor über einen Pull-up-Widerstand mit Strom. In diesen Fällen muss der Ausgang des Signalgenerators u. U. in einen Ausgang des Typs Open Collector umgewandelt werden. ECU-Frequenzeingänge sind manchmal differenziell. Der Ausgang des Signalgenerators muss dazu eventuell von einem Single-ended- in einen differenziellen Ausgang umgewandelt werden.

In einigen Fällen kann Systemrauschen ein Problem darstellen und die Zuverlässigkeit und Wiederholbarkeit von Messungen vermindern. Wenn dies geschieht, braucht man eine Art Rauschfilter, etwa einen Tiefpassfilter, um das Rauschen zu eliminieren.

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Fazit

ECUs sind komplexe elektronische Geräte mit Multifunktionsein- und -ausgängen. Bei Design und Entwicklung von Prüfsystemen für diese Geräte stehen Prüfingenieure vor zahlreichen Herausforderungen. Computergestützte Messgeräte, wie etwa PXI, kombiniert mit dem Paradigma der virtuellen Instrumente, geben Systementwicklern die Hardware- und Softwareplattformen an die Hand, die sie benötigen, um diese Herausforderungen heute und in Zukunft zu überwinden.

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