Einsatz von Fault Insertion Units (FIUs) für die Überprüfung elektronischer Steuergeräte

Überblick

Die Hardwarefehlersimulation ist ein wichtiger Aspekt bei der Überprüfung der Zuverlässigkeit von Embedded-Steuergeräten. In diesem Tutorium werden die Verwendungsbereiche für die Fehlersimulation sowie der Einsatz von Fault Insertion Units (FIUs) in HIL-Prüfsystemen (HIL, Hardware in the Loop) basierend auf PXI näher beschrieben. Weitere Informationen zu NI-Produkten für die Fehlersimulation finden Sie in der FIU-Spezifikationstabelle. Mehr zur HIL-Plattform von NI erfahren Sie auf der Seite ni.com/hil/d/.

Inhaltsverzeichnis

  1. Warum ist die Hardwarefehlersimulation notwendig?
  2. Aufbau einer Fault Insertion Unit
  3. Vorteile PXI-basierter FIUs
  4. Integration PXI-basierter FIUs in HIL-Prüfsysteme

Warum ist die Hardwarefehlersimulation notwendig?

Viele HIL-Prüfsysteme nutzen die Hardwarefehlersimulation, um zwischen dem elektronischen Steuergerät (Electronic Control Unit, ECU) und dem Rest des Systems Signalfehler einzufügen und somit das Geräteverhalten unter spezifischen Bedingungen zu überprüfen. Die Fehlersimulation wird vor allem dann eingesetzt, wenn für eine ECU sowohl eine bekannte als auch eine tolerierte Antwort auf Fehlerbedingungen erforderlich ist. Dies ist beispielsweise bei ECUs im Fahrzeug-und Maschinenbau sowie in der Luft- und Raumfahrt der Fall. Hierfür eignet sich der Einsatz von Fault Insertion Units (FIUs) zwischen den I/O-Schnittstellen und der ECU, wodurch normale und fehlerhafte Betriebsbedingungen, wie z. B. Kurzschluss und Leerlauf, hervorgerufen werden können.

In Abbildung 1 ist dargestellt, wie eine FIU in ein HIL-Prüfsystem integriert wird. Dabei agiert die FIU als eine Art Gatter zwischen den I/O und der ECU.

Abb. 1: Typische Platzierung einer Fault Insertion Unit in einem Prüfsystem für dynamische Signale

 

 

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Aufbau einer Fault Insertion Unit

Eine gängige Konfiguration für eine FIU ist die Fehlerbustopologie, bei der sich jeder Kanal der ECU im Leerlauf oder Kurzschluss zu einem oder mehreren Fehlerbuskanälen befinden kann. Bei dieser Topologie besteht jede FIU aus drei SPST-Relais (Single Pole Single Throw, einpolige Einschalter). Das erste Relais des Kanals fungiert dabei als Durchlass – im Standardbetriebsmodus ist das Relais geschlossen und die FIU ist sowohl für die ECU als auch das Prüfsystem transparent.

Abb. 2: Eine FIU im Standardbetriebsmodus: Alle Signale werden durchgelassen.

Leerlauffehler

Um einen Leerlauf oder Interrupt-Fehler zu simulieren, bleibt die Signalleitung zwischen der Prüfanwendung und dem Prüfling offen, sodass festgestellt werden kann, wie der Prüfling auf eine Signalunterbrechung reagiert. Das Relais kann geöffnet werden, um eine vollständige Unterbrechung zu simulieren, oder in festgelegten Abständen geöffnet und geschlossen werden, um eine vorübergehende Verbindung oder offene Kontakte zu simulieren.

Abb. 3: Eine FIU mit Leerlaufsimulation auf Kanal 1

 

Kurzschluss gegen Masse oder Spannungsversorgung

Um Kurzschlüsse gegen Masse oder eine Versorgungsspannung zu simulieren, wird die Signalleitung von einer externen Fehlerleitung bzw. einem Fehlerbus an den Prüfling angeschlossen. Die Fehlerbusse können so konfiguriert werden, dass sie Spannungsversorgungsleitungen, Systemmasse oder andere Quellen des Systems simulieren.

Abb. 4: Eine FIU mit einer Kurzschluss-gegen-Spannungsversorgung-Simulation auf Kanal 1

 

Pin-zu-Pin-Kurzschlüsse

Um schließlich einen Pin-zu-Pin-Kurzschluss zu simulieren, wird die Signalleitung des Prüflings an eine oder mehrere zusätzliche Signalleitungen des Prüflings angeschlossen.

Abb. 5: Eine FIU mit einem Pin-zu-Pin-Kurzschluss zwischen Kanal 0 und 1

 

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Vorteile PXI-basierter FIUs

PXI bietet aufgrund seiner Trigger- und Synchronisationsfunktionen eine ideale Plattform für FIUs. Zudem basiert ein Großteil der HIL-Prüfsysteme auf PXI-basierten I/O, sodass kurze Wege zwischen den zu schaltenden Signalen realisiert werden können. Da diese Systeme in der Regel über echtzeitfähige Embedded-Software wie z. B. NI VeriStand gesteuert werden, ermöglicht der Einsatz einer PXI-basierten FIU die programmatische Fehlerauswahl und -steuerung mit derselben Oberfläche, die auch zur Ausführung des Modells und der Prüfsequenzen eingesetzt wird.

Die erste FIU von National Instruments ist die NI PXI-2510 mit 68 Kanälen, 150 V und 2 A für den Einsatz in HIL-Prüfanwendungen. Jedes Modul verfügt über 68 Feedthrough-Kanäle, die mit ein oder zwei Fehlerbussen verbunden oder getrennt werden können. Zusätzlich bietet jeder Fehlerbus einen 4x1-Multiplexer, womit eine größere Flexibilität in Bezug auf Art und Anzahl der zu wählenden Fehler zur Verfügung steht.

Abb. 6: FIU NI PXI-2510 mit 68 Kanälen und 2 A

 

Die PXI-basierten FIUs von NI bieten darüber hinaus hardwarebasierte Vorteile in den Bereichen Sicherheit, Zuverlässigkeit und Anbindung.

Sicherheit

Da bei der Fehlersimulation häufig hohe Spannungen und Ströme zum Einsatz kommen und Zuverlässigkeit bei HIL-Prüfanwendungen oberste Priorität hat, sorgt NI bei seinen FIUs für die Einhaltung hoher Sicherheitsstandards. Das bedeutet, dass alle NI-FIUs dem internationalen Standard IEC 61010-1 entsprechen. Des Weiteren werden die Module durch unabhängige Dritte wie z. B. UL überprüft. Zu guter Letzt wird jedes Modul vor der Auslieferung auf einwandfreie Funktionalität und Sicherheit geprüft.

Zuverlässigkeit

Ähnlich wie der Sicherheitsaspekt spielt die Zuverlässigkeit eine zentrale Rolle bei langfristigen Prüfanwendungen. Obwohl elektromechanische Relais für Millionen von Schaltzyklen ausgelegt sind, haben sie unter normalen Auslastungsbedingungen eine begrenzte und relativ vorhersehbare Lebensdauer. Um eine höhere langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten, verfügt das PXI-2510 über eine integrierte Funktion zur Überwachung der Schaltvorgänge, mit der die Anzahl der Schaltzyklen jedes Relais nachvollzogen werden kann. Dadurch vereinfacht sich die Wartung und es lässt sich besser ermitteln, wann Relais ersetzt werden müssen. Das PXI-2510 bietet zudem ein Ersatzrelaiskit für den Fall, dass Relais entweder das Ende ihrer Lebensdauer erreichen oder durch unvorhergesehene Umstände wie z. B. extreme Spannungen oder Ströme beschädigt und deshalb ausgetauscht werden müssen. Um die mechanische Zuverlässigkeit zu gewährleisten, wird jede FIU einer HALT-Prüfung (Highly Accelerated Life Test) unterzogen, womit die mechanische Unversehrtheit in Umgebungen mit starken Erschütterungen überprüft wird und die Module somit unter rauen Betriebsbedingungen zuverlässig eingesetzt werden können.

Anbindung

Den Verkabelungs- und Anbindungsmöglichkeiten wird zwar oft weniger Beachtung geschenkt, jedoch spielen sie bei Fehlersimulationsanwendungen eine wichtige Rolle, da häufig eine hohe Anzahl von Kanälen sowie hohe Spannungen und Ströme zum Einsatz kommen. Die PXI-2510 bietet drei verschiedene Anbindungsoptionen: über Schraubklemmen, blanken Draht oder DIN-Anschlüsse. Jede dieser Anschlussoptionen garantiert hohe Sicherheit, Zuverlässigkeit sowie Schirmung und stellt somit eine umfassende Lösung für den Signalanschluss dar. Die Lösungen sorgen zudem für geringeres Rauschen, Übersprechen und reduzierte Systememissionen.

Weitere Informationen zu den Anbindungs- und Verkabelungsoptionen des PXI-2510 finden Sie hier.

Zusätzlich zu den Produkten, die ausdrücklich für die Fehlersimulation konzipiert wurden, bietet National Instruments weitere universelle Schaltprodukte, die zur Erstellung benutzerdefinierter Fehlersimulationstopologien eingesetzt werden können. Ein Beispiel hierfür ist das SPST-Modul NI PXI-2586 mit zehn Kanälen und 2 A, das zur Erstellung unterschiedlicher Topologien für die Fehlersimulation genutzt werden kann, u. a. für die Erstellung einer FIU mit drei Kanälen und zwei Fehlerbussen oder einer FIU mit neun Kanälen und einem Fehlerbus. Eine Anleitung hierzu finden Sie in diesem Tutorium. Eine vollständige Auflistung aller NI-Schaltprodukte, die für Fehlersimulationsanwendungen eingesetzt werden können, finden Sie hier.

 

 

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Integration PXI-basierter FIUs in HIL-Prüfsysteme

Die letzte Überlegung bei der Auswahl einer FIU ist die Integration in das Prüfsystem. In einer Windows-basierten Umgebung können PXI-basierte FIUs über das Soft Front Panel (SFP) NI-SWITCH – ein grafisches Dienstprogramm zur Fehlerbehebung bei Schaltanwendungen – interaktiv konfiguriert und überprüft werden. Für eine automatisierte Steuerung bietet der im Lieferumfang enthaltene Treiber NI-DAQmx über LabVIEW Real-Time oder Windows-Betriebssysteme programmatischen Zugriff auf alle Funktionen des Moduls.

In der Regel werden HIL-Prüfsysteme über NI VeriStand gesteuert, eine sofort einsatzbereite Softwareumgebung für die Konfiguration von Echtzeitprüfanwendungen. Mit NI VeriStand lassen sich PXI-basierte FIUs von NI einfach steuern, d. h. sie können in derselben Umgebung, die zur Konfiguration der Echtzeit-I/O, Stimulusprofile, Datenprotokollierung und Alarme genutzt wird, verwaltet werden. Des Weiteren lassen sich Steuer- und Regelalgorithmen implementieren sowie Systeme simulieren und Schnittstellen für Prüfsysteme mithilfe einer während der Ausführzeit anpassbaren Benutzeroberfläche erstellen. Weitere Informationen zur Konfiguration der PXI-2510 in NI VeriStand finden Sie hier.

 

 

Abb. 7: FIU-Steuerung in NI VeriStand

Wird eine erweiterte oder zeitkritischere Steuerung benötigt, sind die FIUs in der Lage, über die PXI-Backplane Trigger zu senden und zu empfangen. Über einen Eingangs-Trigger kann ein Relais des Schaltmoduls in die nächste Fehlerposition einer vorher festgelegten und in die FIU-Hardware geladenen Reihenfolge versetzt werden. Ausgangs-Trigger hingegen können zur Initiierung von Messungen auf anderen Messgeräten im PXI-System eingesetzt werden. Für eine automatisierte Überprüfung können Trigger aus Echtzeitsimulationen übertragen werden, um Fehlerbedingungen sequenziell abzuarbeiten. Bei Anwendungen, die komplexere Sequenzen oder eine dynamische Fehlersteuerung erfordern, kann ein PXI-basiertes FPGA-Modul für das Senden und Empfangen der Trigger von/zu FIUs eingesetzt werden.

 

 

Fazit

Für die zuverlässige Überprüfung von ECUs sollten FIUs eingesetzt werden. Aufgrund des Aufbaus von NI-Hard- und -Software lassen sich FIUs einfach in HIL-Prüfsysteme integrieren, um die Gerätesicherheit und -zuverlässigkeit zu erhöhen.

 

Ressourcen

Hardware-in-the-Loop-Tests

FIU-Spezifikationstabelle

Auswahlhilfe für NI-Schaltmodule

Einsatz von NI PXI-2510 in NI VeriStand

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