전기 테스트에 오류 삽입 유닛 (FIU) 사용

개요

하드웨어 오류 삽입 (fault insertion 또는 fault injection)은 임베디드 컨트롤 유닛의 안정성을 담당하는 테스트 시스템에서 고려해야 할 중요한 요소입니다. 본 튜토리얼은 오류 삽입의 사용과 PXI 하드웨어로 구축된 HIL 테스트 시스템에 FIU를 통합하는 방법을 설명합니다. 오류 삽입을 위한 NI 제품에 대한 자세한 정보는 FIU 선택 페이지를 방문하십시오. NI HIL 플랫폼에 대한 자세한 정보는 ni.com/hil을 방문하십시오.

내용

하드웨어 오류 삽입이 필요한 이유

여러 HIL (hardware-In-the-loop) 테스트 시스템에서 하드웨어 오류 삽입은 ECU와 나머지 시스템간 신호의 오류를 의도적으로 생성함으로써 특정 오류 조건하에서 ECU 동작을 테스트, 특성화 또는 검증하기 위해 사용됩니다. 오류 삽입은 특정 ECU가 오류 조건에 대해 반드시 알려진 반응과 허용가능한 반응을 보여야 할 때 보편적으로 사용됩니다. 이같은 예로는 차량, 항공기, 우주선, 머신용 ECU가 있습니다. 이를 위해 오류 삽입 유닛 (FIU)은 테스트 시스템의 I/O 인터페이스와 ECU 사이에 삽입되며 테스트 시스템은 일반 작동과 오류 상태 (배터리 단락, 접지 단락 또는 개방 회로 등)간 스위칭됩니다.

그림 1의 다이어그램은 FIU가 HIL 테스트 시스템에 통합되는 방법을 설명합니다. 참고로 오류 삽입은 I/O와 ECU 사이의 게이트 역할을 합니다.

그림 1. 다이나믹 테스트 시스템에서 오류 삽입 유닛 (FIU)의 일반적인 배치

오류 삽입 유닛 (FIU) 분석

FIU의 일반적인 구성은 “오류 버스 토폴로지”로써 각 채널을 하나 또는 그 이상의 오류 버스에 대해 개방하거나 단락시킬 수 있습니다. 본 토폴로지에서 각 FIU 채널은 3개의 SPST (single-pole-single-throw) 릴레이로 구성됩니다. 채널의 첫 번째 릴레이는 패스스루 (pass-through) 역할로써, 기본 작동 모드에서 본 릴레이는 닫혀있고 FIU는 ECU와 테스트 시스템을 바로 연결시켜 줍니다.

그림 2. 기본 작동 모드에서의 FIU – 모든 신호는 바로 전달됩니다.

개회로 오류

개회로 또는 인터럽트 오류 시뮬레이션을 위해 테스트 어플리케이션과 DUT 사이의 신호 라인은 DUT가 신호 인터럽트 이후에 어떻게 동작하는지 확인하기 위해 열려있습니다. 본 릴레이를 열어서 하드 브레이크를 시뮬레이션하거나 간헐적인 연결 또는 접촉 불량을 시뮬레이션하기 위해 특정 시간 간격으로 열거나 닫을 수 있습니다.

그림 3. 채널 1에서 개회로 시뮬레이션을 이용한 FIU

접지 단락 또는 전원 단락

접지 또는 전원 단락을 시뮬레이션하기 위해 신호 라인은 외부 오류 라인 또는 오류 버스에서 DUT로 연결됩니다. 파워 서플라이 라인, 시스템 접지 또는 다른 전원 소스를 시뮬레이션하기 위해 오류 버스를 구성할 수 있습니다.

그림 4. 채널 1에서 전원 단락 시뮬레이션을 이용한 FIU

핀 투 핀 (Pin-to-Pin) 단락

마지막으로 핀 투 핀 (pin-to-pin) 단락을 시뮬레이션하기 위해 DUT 신호 라인은 하나 또는 그 이상의 추가 DUT 신호 라인에 연결됩니다.

그림 5. 채널 0과 채널 1간 핀 투 핀 (Pin-to-Pin) 단락이 있는 FIU

PXI 기반 FIU 사용의 장점

PXI는 트리거링 및 동기화 기능을 통해 FIU를 위한 최적의 환경을 제공합니다. HIL 테스트 시스템은 일반적으로 PXI 기반 I/O로 구축되므로, PXI는 스위칭해야 할 신호에 가까운 근접성을 제공합니다. 이같은 시스템은 일반적으로 NI VeriStand와 같은 임베디드 리얼타임 처리 소프트웨어를 통해 컨트롤되므로, 엔지니어들은 PXI 기반 FIU를 사용하여 모델과 테스트 시퀀스를 실행하는 동일한 인터페이스에서 오류를 프로그램적으로 선택하고 간단하게 컨트롤할 수 있습니다.

내쇼날인스트루먼트는 HIL 어플리케이션에 사용하도록 제작된 68-채널, 150 V, 2 A FIU NI PXI-2510을 최초로 출시하였습니다. 각 모듈에는 하나 또는 두 개의 오류 버스에 대해 개방 또는 단락 가능한 68개 피드스루 (feedthrough) 채널이 있습니다. 또한 각 오류 버스에는 4x1 입력 멀티플렉서가 있어, 소프트웨어 컨트롤을 통해 삽입하는 오류의 유형과 개수에 대한 유연성이 허용됩니다.

그림 6. NI PXI-2510 68-채널 2 A FIU

NI PXI FIU는 HIL 테스트 시스템과의 편리한 통합 이외에도 하드웨어와 관련된 안전성, 안정성 및 연결성을 제공합니다.

안전성

오류 삽입에 높은 전압과 전류가 사용되므로 안전성은 HIL 어플리케이션에 필수적입니다. 따라서 NI는 FIU 제작시 안전을 최우선으로 고려하였습니다. 특히, 모든 NI FIU는 IEC 61010-1 국제 표준을 준수하고 UL과 같은 타사 업체를 통해 설계를 검증받았습니다. 또한 각 유닛은 배송되기 전에 기능과 안전성 검증을 위해 테스트를 거칩니다.

안정성

안전성과 마찬가지로 안정성 또한 장기적인 테스트의 통일성을 위해 중요한 고려 요소입니다. 전자기계 릴레이는 수 백만에 이르는 주기에 가능하도록 등급이 매겨져 있지만, 정상 로드 조건 하에서 수명이 유한하며 상대적으로 예측가능합니다. 더욱 증대된 장기적인 안정성을 위해 PXI-2510은 온보드 릴레이 카운트 트래킹을 통합하여 이를 통해 사용자는 각 릴레이가 거치는 주기의 개수를 확인할 수 있습니다. 따라서 이를 통해 유지관리 및 교체 시기를 파악할 수 있습니다. PXI-2510에는 지정된 주기 끝에 일반 릴레이 실패를 대비해 사용자 교체가능한 릴레이 키트가 있습니다. 또한 NI는 사용 과정 동안 예기치않은 조건들로 인해 과도한 전압과 전류 노출로 릴레이가 손상을 입을 수도 있다는 점을 잘 인지하고 있습니다. 이 경우 사용자 교체가능한 릴레이 키트가 유용하게 사용될 수 있습니다. 마지막으로, 기계의 안정성을 위해 각 FIU 설계는 높은 진동의 환경에서 기계 상태가 양호함을 검증하기 위해 HALT (highly accelerated life test) 확인을 거치므로 거친 필드 조건에서 지속적인 사용이 가능합니다.

연결성

케이블 연결과 연결성은 간과되기 쉽지만 많은 수의 채널이 사용되고 사용 전압과 전류가 높은 경우에 있어 오류 삽입 어플리케이션에 중요합니다. PXI-2510은 스크류 터미널, 나선 (비피복), DIN 커넥터의 세 가지 연결 옵션을 제공합니다. 각 옵션은 완벽한 연결 솔루션을 제공하기 위해 신호 터미널까지 안전, 안정성 및 차폐를 보장하도록 특수 제작되었습니다. 이를 통해 결과적으로 시스템 방출이 감소될 뿐 아니라 노이즈와 크로스토크가 향상됩니다.

PXI-2510의 연결성 및 케이블 연결 옵션에 대해 더 알아보려면 “PXI-2510에 신호 연결하는 방법" 튜토리얼을 참조하십시오.

오류 삽입을 위해 특수 설계된 제품 이외에도 내쇼날인스트루먼트는 맞춤 오류 삽입 토폴로지를 사용할 수 있는 다양한 범용 스위치 제품을 제공합니다. 한 예로, NI PXI-2586 10-채널 12 A SPST 모듈로 본 튜토리얼에서와 같이 3-채널 2-버스 FIU와 9-채널 1-버스 FIU를 위한 여러 토폴로지를 생성할 수 있습니다. 오류 삽입 어플리케이션을 위해 사용할 수 있는 모든 NI 스위치 목록은 NI 스위치 선택 가이드에서 확인하십시오.

PXI FIU를 HIL 테스트 시스템에 통합

시스템 통합 (소프트웨어 포함)은 FIU를 선택할 때 중요한 최종적인 요소입니다. Windows 환경에서 스위치 디버깅을 위해 제작된 그래픽 유틸리티인 NI-SWITCH Soft Front Panel (SFP)을 통해 PXI FIU를 인터랙티브하게 구성하고 테스트할 수 있습니다. 자동화된 컨트롤을 위해 포함된 NI-DAQmx 하드웨어 드라이버는 LabVIEW Real-Time과 Windows OS를 통해 모듈의 전체 기능에 프로그램적인 액세스를 제공합니다.

가장 보편적으로 HIL 테스트 시스템은 리얼타임 테스트 어플리케이션 구성을 위해 바로 사용가능한 소프트웨어 환경인 NI VeriStand를 통해 컨트롤됩니다. NI VeriStand로 NI PXI FIU를 편리하게 컨트롤할 수 있습니다. 다시 말해, 리얼타임 I/O, 자극 프로파일, 데이터 로깅, 알람을 구성할 때 사용하는 동일한 환경에서 사용할 수 있으며 컨트롤 알고리즘 또는 시스템 시뮬레이션을 실행하고 런타임 편집가능한 사용자 인터페이스를 위한 테스트 시스템 인터페이스를 구축할 수도 있습니다. NI VeriStand에서 PXI-2510을 구성하기 위한 자세한 정보는 “NI VeriStand에서 NI PXI-2510 사용하기" 튜토리얼을 참조하십시오.

 

 

그림 7. NI VeriStand에서 FIU 컨트롤

고급 컨트롤 및 시간에 민감한 컨트롤을 위해 각 FIU 모듈은 PXI 백플레인을 통해 트리거를 송수신합니다. 입력 트리거는 FIU 하드웨어에 로드된 미리 정의된 목록에서 다음 오류 위치로 스위치를 이동시킵니다. 출력 트리거를 사용하여 PXI 시스템의 다른 계측기에 대한 측정을 시작할 수 있습니다. 또한, 자동화된 테스트 커버리지를 위해 트리거를 리얼타임 시뮬레이션에서 오류 상태를 통해 시퀀스로 보낼 수도 있으며, 또는 복합 시퀀싱과 동적인 오류 컨트롤이 요구되는 어플리케이션의 경우, PXI FPGA 모듈을 사용하여 PXI 백플레인을 통해 하나 또는 그 이상의 FIU로 트리거를 송수신할 수 있습니다.

결론

ECU 안정성이 매우 중요한 어플리케이션의 경우 FIU 사용을 적극 권장합니다. NI는 디바이스의 안전과 안정성 향상을 위해 FIU를 HIL 테스트 시스템에 통합하기 위한 하드웨어와 소프트웨어 아키텍처를 구축하였습니다.

자료

자동차 HIL(Hardware-in-the-Loop) 테스트

NI의 FIU 하드웨어, PXI 신호 삽입 스위치 모듈

PXI 스위치 개요

VeriStand에서 FIU 사용하기 길라잡이