Verwendung von Fehlersimulationseinheiten (Fault Insertion Units, FIUs) für Elektroniktests

In vielen HIL-Testsystemen wird die Fehlersimulation verwendet, um Signalfehler zwischen dem elektronischen Steuergerät (ECU) und dem Rest des Systems zu erzeugen, um die Funktionsweise des Steuergeräts unter bestimmten Fehlerbedingungen zu überprüfen, zu charakterisieren oder zu validieren. Die Fehlersimulation wird vor allem dann eingesetzt, wenn ein bestimmtes Steuergerät sowohl eine bekannte als auch eine akzeptable Reaktion auf Fehlerzustände haben muss – Beispiele sind Steuergeräte für Fahrzeuge, Flugzeuge, Raumfahrzeuge und Maschinen. Zu diesem Zweck werden FIUs zwischen die I/O-Schnittstellen eines Testsystems und des Steuergeräts geschaltet, so dass das Testsystem zwischen dem Normalbetrieb und Fehlerzuständen wie einem Kurzschluss an der Batterie, einem Masseschluss oder einem offenen Stromkreis umschalten kann.

In Abbildung 1 ist dargestellt, wie eine FIU typischerweise in ein HIL-Testsystem passt. Wie Sie sehen, wirkt die Fehlersimulation wie ein Gate zwischen dem I/O und dem Steuergerät.

Abbildung 1: Typische Anordnung einer FIU in einem dynamischen Testsystem

Eine gängige Konfiguration für eine FIU ist die sogenannte „Erdschienentopologie“, bei der Sie jeden Kanal zu einer oder mehreren Fehlerbussen öffnen oder kurzschließen können. In dieser Topologie besteht jeder FIU-Kanal aus drei SPST-Relais (Single-Pole-Single-Throw). Das erste Relais des Kanals fungiert als Durchlass – während des Standard-Betriebsmodus ist dieses Relais geschlossen, und die FIU ist sowohl für das Steuergerät als auch für das Testsystem transparent. 

Abbildung 2: Eine FIU im Standard-Betriebsmodus – Alle Signale werden durchgeleitet

Unterbrechungsfehler

Um einen offenen Stromkreis oder einen Unterbrechungsfehler zu simulieren, wird die Signalleitung zwischen der Testanwendung und dem Prüfling offen gelassen, um festzustellen, wie sich der Prüfling nach einer Signalunterbrechung verhält. Sie können dieses Relais öffnen, um eine Unterbrechung zu simulieren, oder es in einem bestimmten Zeitintervall öffnen und schließen, um eine unterbrochene Verbindung oder Wackelkontakte zu simulieren.

Abbildung 3:  Eine FIU mit einer Leerlaufsimulation auf Kanal 1

Kurzschluss gegen Erde oder Kurzschluss gegen Strom

Um Kurzschlüsse gegen Erde oder Strom zu simulieren, wird die Signalleitung von einer externen Fehlerleitung oder Erdschiene mit dem Prüfling verbunden. Sie können die Fehlerbusse so konfigurieren, dass sie Stromversorgungsleitungen, die Systemerdung oder andere Stromquellen im System simulieren. 

Abbildung 4:  Eine FIU mit einer Kurzschluss-Strom-Fehlersimulation auf Kanal 1

Pin-zu-Pin Kurzschlüsse

Zur Simulation eines Pin-to-Pin-Kurzschlusses wird die Prüflingssignalleitung schließlich mit einer oder mehreren zusätzlichen Prüflingssignalleitungen verbunden.

Abbildung 5: Eine FIU mit einem Pin-zu-Pin-Kurzschluss zwischen den Kanälen 0 und 1

Mit seinen Trigger- und Synchronisationsfunktionen bietet PXI eine ideale Umgebung für FIUs. Und da HIL-Testsysteme in der Regel mit PXI-basierten I/O aufgebaut sind, ist PXI auch ganz nah an den Signalen, die Sie schalten müssen. Solche Systeme werden in der Regel über eine Embedded-Echtzeitverarbeitungssoftware wie NI VeriStand gesteuert. Mit einer PXI-basierten FIU können Ingenieure Fehler programmatisch über dieselbe Schnittstelle auswählen und steuern, über die sie auch ihre Modelle und Testsequenzen ausführen. 

National Instruments hat vor kurzem seine erste FIU vorgestellt, den NI PXI-2510, eine 68-kanalige, 150 V, 2 A FIU, die für den Einsatz in HIL-Anwendungen entwickelt wurde. Jedes Modul verfügt über 68 Durchführungskanäle, die Sie für eine oder zwei Fehlerbusse öffnen oder kurzschließen können. Darüber hinaus verfügt jede Erdschiene über einen 4x1-Eingangsmultiplexer, wodurch eine größere Flexibilität sowohl bei der Art als auch bei der Anzahl der Fehler ermöglicht wird, die Sie über die Software-Steuerung einspeisen können.

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

Neben der einfachen Integration in HIL-Testsysteme bieten NI PXI FIUs hardwarebezogene Vorteile wie Sicherheit, Zuverlässigkeit und Konnektivität.

Sicherheit

Da hohe Spannungen und Ströme häufig mit Fehlersimulationen einhergehen und Zuverlässigkeit für HIL-Anwendungen unerlässlich ist, legt NI bei seinen FIUs größten Wert auf Sicherheit. Insbesondere entsprechen alle FIUs von NI der internationalen Norm IEC 61010-1 und wurden von anderen Herstellern wie UL geprüft. Schließlich wird jedes Gerät vor der Auslieferung getestet, um sowohl die einwandfreie Funktion als auch die Sicherheit zu gewährleisten.

Zuverlässigkeit

Ähnlich wie im Bereich der Sicherheit ist die Zuverlässigkeit ein zentrales Anliegen für die Zuverlässigkeit von Langzeittests. Elektromechanische Relais sind zwar für Millionen von Zyklen ausgelegt, haben aber unter normalen Belastungsbedingungen eine endliche und relativ vorhersehbare Lebensdauer. Um die langfristige Zuverlässigkeit zu erhöhen, verfügt der PXI-2510 über eine integrierte Relaiszählung, mit der Sie die Anzahl der Zyklen für jedes Relais anzeigen können. So können Sie Ihren Wartungs- und Austauschbedarf ermitteln. Der PXI-2510 verfügt über ein vom Benutzer austauschbares Relais-Kit für den Fall, dass ein normales Relais am Ende seiner angegebenen Lebensdauer ausfällt. NI ist sich außerdem darüber im Klaren, dass unvorhergesehene Ereignisse im Laufe der Nutzung zu einer versehentlichen Beschädigung der Relais durch übermäßige Spannungen und Ströme führen können. In diesem Fall ist das vom Benutzer austauschbare Relais-Kit ebenfalls von großem Wert. Außerdem wird jedes FIU-Design einem HALT-Test (Highly Accelerated Life Test) unterzogen, um die mechanische Zuverlässigkeit in Umgebungen mit starken Schwingungen zu gewährleisten, was einen dauerhaften Einsatz unter anspruchsvollen Einsatzbedingungen

Konnektivität

Oft wird übersehen, dass die Verkabelung und die Konnektivität bei Anwendungen zur Fehlersimulation aufgrund der potenziell großen Kanalanzahl sowie der hohen verwendeten Spannungen und Ströme ein großes Problem darstellen. Der PXI-2510 bietet drei Anschlussmöglichkeiten – Schraubklemme, blanker Draht und DIN-Steckverbinder. Jede dieser Optionen wurde eigens entwickelt, um Sicherheit, Zuverlässigkeit und Abschirmung bis hin zu den Signalanschlüssen zu gewährleisten und so eine umfassende Anschlusslösung zu bieten. Dadurch werden Rauschen und Nebensprechen verbessert und die Emissionen des Systems reduziert.

Mehr Informationen über die Anschluss- und Verkabelungsoptionen für den PXI-2510 finden Sie in der Anleitung „Wie man Signale an den PXI-2510 anschließt“.

Neben Produkten, die speziell für die Fehlersimulation entwickelt wurden, bietet National Instruments eine Vielzahl von universellen Schaltmodulen an, mit denen Sie benutzerdefinierte Topologien für die Fehlersimulation erstellen können. Ein Beispiel ist das NI PXI-2586 SPST-Modul mit 10 Kanälen und 12 A, mit dem Sie mehrere Topologien für die Fehlersimulation erstellen können, darunter eine FIU mit drei Kanälen und zwei Bussen und eine FIU mit neun Kanälen und einem Bus, wie in diesem Tutorial gezeigt.

Die Systemintegration, einschließlich der Software, ist ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Auswahl einer FIU. In der Windows-Umgebung können Sie PXI-FIUs interaktiv über das NI-SWITCH Soft-Frontpanel (SFP) konfigurieren und testen – ein grafisches Dienstprogramm für die Fehlerbehandlung von Schaltmodulen. Zur automatischen Steuerung bietet der mitgelieferte NI-DAQmx-Hardwaretreiber einen programmatischen Zugriff auf alle Funktionen des Moduls über die Betriebssysteme LabVIEW Real-Time und Windows. 

In der Regel werden HIL-Testsysteme über NI VeriStand gesteuert, eine sofort einsatzbereite Softwareumgebung für die Konfiguration von Echtzeit-Testanwendungen. Sie können NI PXI FIUs problemlos mit NI VeriStand steuern, d.h. in derselben Umgebung verwalten, die Sie auch für die Konfiguration von Real-Time-I/O, Stimulusprofilen, Datenaufzeichnung und Alarmierung, die Implementierung von Steuerungsalgorithmen oder Systemsimulationen, das Erstellen von Testsystemschnittstellen für eine zur Laufzeit editierbare Benutzeroberfläche u. v. m. verwenden.

Abbildung 7: NI VeriStand – Steuerung von FIUs

Für eine weitergehende und zeitkritische Steuerung kann jedes FIU-Modul Trigger über die PXI-Backplane senden und empfangen. Eingangstrigger können das Schaltmodul zum nächsten Fehlerort in einer vordefinierten und in die FIU-Hardware geladenen Liste weiterschalten. Mithilfe von Ausgangstriggern können Sie Messungen an anderen Geräten im PXI-System veranlassen. Sie können auch Trigger aus Echtzeitsimulationen senden, um Fehlerbedingungen für eine automatisierte Testabdeckung zu durchlaufen. Für Anwendungen, die eine komplexere Sequenzierung und dynamische Fehlerkontrolle erfordern, können Sie ein PXI FPGA-Modul verwenden, um Trigger über die PXI Backplane an eine oder mehrere FIUs zu senden und zu empfangen.

Fazit

Wenn die Zuverlässigkeit des Steuergeräts entscheidend ist, sollten Sie FIUs in Betracht ziehen. NI hat eine Hardware- und Softwarearchitektur entwickelt, mit der Sie FIUs in HIL-Testsysteme integrieren können, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Geräten zu verbessern.

Ressourcen

• Hardware-in-the-Loop-Test (HIL) für die Automobilindustrie
• FIU-Hardware von NI, das PXI-Schaltmodul für parametrische Tests
• Übersicht über PXI-Schaltmodule
• Verwendung von FIUs in VeriStand – Anleitung
• HIL Resource Kit herunterladen