HiL-Multitalent – NovaSim HiL 3G im Einsatz beim Automobilzulieferer Marquardt GmbH

Als ein führender Zulieferer für Schalter und Systeme im Automobilbereich entwickelt und realisiert die Marquardt GmbH innovative Fahrberechtigungssysteme, Bedienfelder, Schalter und Baugruppen mit dem Ziel, hochwertige und zuverlässige Automobile noch sicherer zu machen. Um Software-Steuergerätetests von höchster Qualität und mit höchster Performance in der Testautomatisierung zu erreichen, entschied sich Marquardt auf Basis einer umfangreichen Leistungsbeschreibung der gesammelten Erfahrungen und Anforderungen für ein neues HiL-System der MicroNova AG – das HiL-System der dritten Generation oder kurz HiL 3G.

Seit mehreren Jahren setzt Marquardt bereits verschiedene Testsysteme zum Software-Steuergerätetest ein, welche die erhöhten Anforderungen allerdings nur noch zum Teil abdecken konnten. Die vorhandenen Testsysteme auf alle Anforderungen zu erweitern war, unter Berücksichtigung des Aufwands, nicht vertretbar. Die Anforderungen der Automobilhersteller und deren Zulieferer an Testsysteme unterscheiden sich zum Teil massiv. Während bei Automobilherstellern der Test des Steuergeräte-Zusammenspiels im Vordergrund steht, müssen Zulieferer ihre Steuergeräte unter allen nur erdenklichen Randbedingungen prüfen.

Aus der Herausforderung für den Zulieferer Marquardt, seine Steuergeräte unter zahlreichen Randbedingungen zu prüfen, ergaben sich die folgenden Anforderungen an das neue HiL-System:

Anforderungen an die Hardware

• Verwendung eines HiL-Systems für verschiedene Steuergeräte
• Schnelle Umrüstung des HiL-
• Systems für andere Steuergeräte
• Modularer Aufbau
• Niedrige Fertigungskosten
• Selbstdiagnose
• Schutz gegen Zerstörung
• Unterstützung von SiL3-Tests

Anforderungen an die Software

• Einfaches skriptbasiertes (grafisches) Testen
• Hohe Wiederverwendbarkeit der erstellten Testfälle
• Hohe Echtzeitanforderungen für sicherheitskritische Anwendungen (SiL3)

Anforderungen des Users an das Testsystem

• Einfache Bedienung
• Tools und Anzeigen zur schnellen Fehleranalyse
• Übersichtliche Statusanzeigen
• Schneller Prüflingswechsel

Anforderungen des Entwicklers bzw. Supports an die Testautomatisierung und Modellbildung

• Umfangreiche und strukturierte Testschrittbibliothek
• Schnelle Erstellung von Tests
• Hohe Rechenleistung, um auch umfangreiche Modelle rechnen zu können
• Gut strukturiertes und leistungsfähiges Hardware-Interface

Die Lösung – NovaSim Fullsize
Marquardt entschied sich für ein NovaSim-HiL-System der dritten Generation (HiL 3G) in der Baugröße NovaSim Fullsize. Dieses System von MicroNova deckte eine Vielzahl der Anforderungen bereits ab. Zusätzliche kundenspezifischen Anforderungen konnten einfach erfüllt werden. NovaSim-HiL-Systeme zeichnen sich durch Flexibilität sowie Skalierbarkeit aus und können an spezifische Kundenbedürfnisse angepasst werden.

Welche Hardware-Komponenten stecken im HiL 3G?

Stromversorgung für die Steuergeräte
Für die Stromversorgung der zu prüfenden Steuergeräte stehen zwei getrennt regelbare, schaltbare Power-Rails zur Verfügung. Jedes dieser Rails verfügt über eine eigene Strommesskarte. Die Vorteile dieser durch einen FPGA analog angesteuerten Stromversorgung sind:

• Simulation von Masseversätzen zwischen den Power-Rails. Ein Masseversatz zwischen zwei Steuergeräten entsteht aufgrund von Strömen auf der Masseleitung.
• Ausgabe von extrem schnellen Spannungsverläufen durch die intelligente Verschaltung der Netzteile in Kombination mit einem Vierquadranten-Verstärker. Die damit erreichbaren Steilheiten bewegen sich im Bereich von ca. 20 V/µs.
• Getriggerte Ausgabe von Spannungsverläufen.
• Für den Bediener werden die aktuellen Ströme und Spannungen für jedes Rail direkt am HiL angezeigt.
• Großer Strommessbereich von wenigen Mikroampere (µA) bis 50 A. Somit sind auch Ruhestrommessungen (wenige µA) von „schlafenden“ Steuergeräten möglich.

Exakte Ruhestrommessungen sind wichtig, da Steuergeräte im „Schlafzustand“ nur sehr geringe Restströme (wenige µA) aus einer Batterie verbrauchen dürfen. Dadurch wird vermieden, dass ein Fahrzeug, z.B. nach einem längerem Urlaub, nicht mehr startet. Mit dieser Stromversorgung und den umfangreichen Trigger-Möglichkeiten lassen sich vielfältige reproduzierbare Tests durchführen. Es ist zum Beispiel möglich, während der Übertragung einer CAN-Botschaft gezielt Einbrüche in der ECU-Versorgung einzustreuen.

Fehleraufschaltung für CAN und LIN
Für alle sechs CAN-Kanäle und die beiden LIN-Kanäle gibt es modulare Karten zur Fehleraufschaltung, mit denen unterschiedliche Abschlusswiderstände zugeschaltet und ein Kabelbruch oder Querschluss simuliert werden können. Alle CAN-Kanäle sind über gebrückte D-Sub-Anschlüsse herausgeführt. So lassen sich Werkzeuge wie CANoe oder CANstress (Vector Informatik GmbH) ohne Umbauten anschalten. Unterhalb der Fehleraufschaltung befindet sich eine Schublade mit Spannungsversorgung und Trigger-Leitungen für die oben genannten Werkzeuge.

ECU-Schnittstelle
Die Testadapter mit den zu testenden Steuergeräten (ECU’s) werden über einen hochwertigen Nadelbett-Adapter an das HiL-System angeschlossen. Sie enthalten nicht nur die speziellen Anschlussstecker für das zu testende Steuergerät, sondern können auch noch steuergerätspezifische Hardware enthalten. Die Testadapter sind schnell austauschbar, passen auf alle HiL 3G und können problemlos für spätere Regressionstest archiviert werden.

Echtzeitrechner
Als Kern des Echtzeitrechners wird eine Dual-Core-CPU mit 2,2 GHz verwendet, damit auch umfangreiche Modelle im 1 ms-Takt gerechnet werden können. Der Rechner befindet sich zusammen mit den FPGA-Karten, analogen Eingangs- und Ausgangskarten, Widerstandskarten sowie einer Reihe von Sonderkarten in einem PXI-Chassis. Durch den Einsatz des PXI-Systems eröffnet sich eine breite Palette der Erweiterungsmöglichkeiten, z.B. für neue Bus-Systeme.

Windows-Industrie-PC
Zur Visualisierung und Ablaufsteuerung der Testschritte ist ein Industrie-PC im HiL 3G integriert, so dass nur noch der Monitor, die Tastatur und die Maus von außen an den 19“-Schrank angeschlossen werden müssen.

Fehleraufschaltung
Eine Kernkomponente des HiL 3G ist die Fehleraufschaltung, die in Form eines hochflexiblen Koppelfelds mit ca. 500 Relais realisiert wurde. Über das Koppelfeld können verschiedene Klemmenspannungen, FailRails, PWM-Ausgänge und Pattern-Ausgänge wahlweise auf Steuergeräte-Pins geschaltet werden. Um trotz dieses Funktionsumfangs eine kleine Baugröße zu erreichen, wurden die Niederstromkanäle über eine Koppelfeldplatine mit 50 Steckern und über 1200 Verbindungen geführt. Die Hochstromkanäle (60 A) sind handverdrahtet. Die Vorteile dieser Koppelfeldplatine sind:

• Geringer Platzbedarf
• Absicherung der Kanäle zur ECU über austauschbare Sicherungs-Boards
• Standardkabel zu den Relais- und Signalkonditionierungs-Baugruppen
• Geringe Nachbaukosten
• Geringe Fehlerwahrscheinlichkeit beim Nachbau
• Verkürzung der Aufbauzeit

Um Unterbrechungen auf Leiterbahnen des Steuergerätes zu testen, sind zusätzliche Relais auf der Koppelfeldplatine untergebracht. Diese Funktionalität wird für hochsichere Anwendungen benötigt.

Welche Software-Komponenten stecken im HiL 3G?
Die Software des HiL 3G basiert auf den folgenden Hauptkomponenten:

• Echtzeitfähige Testautomatisierungslösung PROVETech:TA (MB-technology GmbH)
• FPGA-Technologie, deren Einsatz ultraschnelle Testschritte ermöglicht
• NovaSim-Blocksets
• Bibliothek von atomaren Testschritten

Echtzeitfähige Testautomatisierung
Die Marquardt GmbH setzt die Testautomatisierungslösung PROVETech:TA ein, die effiziente Tests im Millisekunden-Bereich ermöglicht und Testergebnisse auch mit dieser Rate aufgezeichnet. Somit können durch NovaSim und PROVETech:TA Testschritte in einer Auflösung von bis zu einer Millisekunde (ms) erreicht werden.

Ultraschnelle Testschritte durch FPGA-Technologie
Im Steuergerätetest bestehen Anforderungen, die weit über die Möglichkeiten einer Testautomatisierung hinausgehen. Dies ist vor allem in sicherheitskritischen Anwendungen, wie zum Beispiel bei elektronischen Lenkrad-Verriegelungen der Fall. Typische Testfälle sind:

• Ausgabe von Spannungsstörungen während der Übertragung einer CAN-Botschaft
• Ausgabe eines Signalverlaufs als Folge von externen Signalbedingungen
• Sofortiges Senden einer bestimmten CAN-Botschaft als Folge des Auftretens einer anderen im Testschritt definierten Botschaft am CAN-Bus

Durch den Einsatz der FPGA-Technologie ist es zum Beispiel möglich während der Übertragung einer CAN-Botschaft Störsignale auf wenige 100 Nanosekunden (ns) genau zu erzeugen. Die Echtzeitfähigkeit der Tests wurde somit für die geforderten Testfälle in den 100 ns-Bereich erweitert. Dieses Feature bietet kein vergleichbares Testsystem am Markt!

NovaSim-Blocksets
Die Testautomatisierung basiert auf Simulink-Modellen. Zur Anschaltung der I/O’s sind mächtige Blocksets in NovaSim vorhanden, welche die Funktionalität des HiL-Systems kapseln. Dazu gehören die Kapselung der „normalen“ I/O, der schnellen FPGA-
Funktionalität und der Funktionalität der eingesetzten Kommunikationsbusse. Zur CAN-Simulation können über das NovaSim-Blockset auch Kommunikationsfehler simuliert werden. Beispiele hierfür sind:

• Verfälschung von Prüfsummen
• Verfälschung von Alive-Countern
• Modifikation der Zykluszeit
• Ausfall von Frames
• Senden von Rohwerten auf dem CAN-Bus

Die automatische Erzeugung einer Restbussimulation für eine Konfiguration ist selbstverständlich möglich. Die Integration von modifizierten DBC-Files wird ebenfalls vollautomatisch durchgeführt.

Bibliothek von atomaren Testschritten
Im HiL 3G wurde hoher Wert auf eine einheitliche Bibliothek von atomaren Testschritten gelegt. Ein großer Teil der Testfallbibliothek ist auch auf den Testsystemen der Vorgängergeneration ablauffähig, so dass auf Altsystemen erstellte Testfälle einfach für den HiL 3G übernommen werden können. Bei der Gestaltung der atomaren Testschritte (ATS) wurde ein einfach verständlicher objektorienter Ansatz gewählt. Im HiL vorhandene Funktionalitäten sind in Objektklassen zusammengefasst. Beispiele hierfür sind HiL, CAN, CANError, Triggering, Power­supply usw.

Es sind komplexe Auswerte-, Überwachungs- und Fehlerfunktionen implementiert, die eine sehr einfache Erstellung von Testfällen erlauben. Zurzeit werden die ATS-Aufrufe aus strukturierten Testbeschreibungsdateien erzeugt. In Zukunft ist eine automatische Erzeugung aus UML-Beschreibungen geplant. Auch komplexere Funktionalitäten wie Netzwerkmanagement stehen als atomare Testschritte zur Verfügung. Ein solcher Testschritt gliedert sich jeweils in einen Skript- und einen Simulink-Anteil. Mittlerweile ist eine mächtige Testbibliothek entstanden, die fortwährend erweitert wird. Durch die Verwendung einheitlicher Testbibliotheken mit hohem Abstraktionsniveau ergeben sich eine Reihe von Vorteilen. Dies sind unter anderem:

• Schnellere Erstellung von Tests
• Reduktion der Testkosten
• Reduzierter Schulungsaufwand
• Erhöhte Testqualität

Die Testfallbibliotheken existieren seit mehreren Jahren. Die Innovation stellt die gewählte Granularität der atomaren Testschritte dar. Das Abstraktionsniveau wurde so gewählt, dass es der für den Tester sinnvollen Granularität entspricht. Es ergibt sich weitgehend eine 1:1-Umsetzung der logischen Testschritte in atomare Testschritte.

Fazit
Durch die Realisierung des HiL 3G auf Basis der HiL-Plattform NovaSim von MicroNova konnte sich Marquardt einen technischen Vorsprung im Test von Steuergeräten verschaffen. Dieser resultiert aus folgenden Vorteilen des HiL 3G:

• HiL-System basierend auf Standardkomponenten (PXI, Simulink etc.)
• Nahezu 100%-ige Auslastung des HiLs durch den universellen Ansatz und die schnelle Austauschbarkeit der Prüflinge
• Extrem flexible Fehleraufschaltung, die von der Simulation von Leiterbahn-Unterbrechungen bis hin 60 A-Failrails reicht
• Ein Regressionstest ist durch Kapselung des Prüflings auch noch nach Jahren einfach und schnell möglich, da für Folgesysteme keine HiL-Umrüstung notwendig ist. Nur die Prüflinge müssen samt Testadapter eingelagert und die Softwarestände archiviert werden.
• Schnelle Überprüfung des HiLs durch automatischen Selbsttest
• Echtzeitfähige Testautomatisierung
• Einzigartige Features ermöglichen Einsatz des HiL-Systems auch für sicherheitskritische Anwendungen (z.B. gezielte Störungen der Versorgungsspannungen zu genau definierten Zeitpunkten).
• Hohe zeitliche Auflösung von Tests, die weit über die bisher am Markt verfügbaren Lösungen hinausgehen
• Hohe Wiederverwendbarkeit von Testfällen durch frühzeitige Definition von Testbibliotheken
• Verringerte Wartungsaufwendungen, vereinfachte Fehlersuche und verbesserte Systempflege
• Höhere Wirtschaftlichkeit durch schnellere Investitions-Amortisierung
• Einsparpotenziale sichern Wettbewerbsvorteil