PXI-basierendes Funktionstestsystem für Motorsteuergeräte im Rennsport

Author(s):
Dipl.-Ing. Burkhard Tettenborn - GÖPEL electronic GmbH
Dipl.-Ing. Manfred Schneider - GÖPEL electronic GmbH
Dipl.-Ing. Alexander Leuze - Robert Bosch GmbH, Abt. GS/Motorsportdienst

Industry:
Automotive, ATE/Instrumentation

Products:
LabVIEW, PXI/CompactPCI

The Challenge:
Testsystem für Funktionstest Kfz-elektronischer Baugruppen; Anzahl und Parameterisierung der Einzeltestschritte muss die Gesamtbreite möglicher Betriebszustände im Fahrzeug abdecken; Nachbildung der Fahrzeugumgebung muss weitestgehend originalgetreu sein

The Solution:
Im Testsystem wird auf Originalkomponenten zurückgegriffen; Kernstück der Testerkonfiguration ist ein PXI-Stimulikomplex, der alle zur Simulation der Steuergeräteumgebung notwendigen Generatorbaugruppen aufnimmt; bei Göpel vorhandene Testsequenzersoftware wurde als Add-On-Tool zu LabVIEW entwickelt und beinhaltet alle zur Prüfstandssteuerung notwendigen Systemfunktionen

Einleitung

Beim Funktionstest Kfz-elektronischer Baugruppen (üblicherweise kurz als "Steuergeräte" bezeichnet), bildet das Testsystem die Fahrzeugumgebung für die zu prüfende Baugruppe nach. Das Steuergerät arbeitet im Test prinzipiell unter den gleichen Betriebsbedingungen, die auch beim Einsatz im Fahrzeug zu erwarten oder möglich sind. Neben der Genauigkeit der im Test verwendeten Messgeräte sind für die Qualität des Prüfergebnisses zwei Faktoren ausschlaggebend:

• Die Anzahl und die Parameterisierung der Einzeltestschritte im Prüfprogramm muss die Gesamtbreite möglicher Betriebszustände im Fahrzeug abdecken.
  
• Die Nachbildung der Fahrzeugumgebung, d.h. einerseits die Beaufschlagung von Prüflingseingängen und Kommunikationsschnittstellen mit charakteristischen Signalen bzw. Botschaften, andererseits die Beschaltung von Prüflings-ausgängen (Lastsimulation) muss weitestgehend originalgetreu sein.

 

Anforderungen an die Systemarchitektur

Bestimmend für den Hardwareumfang des Testsystems ist die bereits genannte Forderung nach vollständiger und originalgetreuer Simulation der Fahrzeugumgebung. Die Funktion des Motorsteuergerätes im Fahrzeug ist äußerst komplex, sie reicht von der Kontrolle der Kraftstoffeinspritzung, über die Steuerung des Zünd- und Verbrennungsvorgangs bis hin zur Regelung der Abgaswerte (Lambdaregelung), der Verbrennungsqualität (Klopfregelung) und der Turboladersteuerung. Im Fahrzeug ist für diese Bereiche eine hohe Anzahl von Sensoren erforderlich, die auf entsprechende Eingangskanäle des Motorsteuergerätes verschaltet sind. Das Testsystem muss diese Sensorik durch eine entsprechende Anzahl von Stimulikanälen mit unterschiedlicher Signalcharakteristik nachbilden.


Referenzsignale für alle durch das Motorsteuergerät zu kontrollierenden Steuer- und Regelvorgänge stellen die von den Gebern der Nockenwellen und der Kurbelwelle gelieferten Impulsfolgen dar. Die Signale beinhalten neben der Drehzahlinformation auch die aktuelle Position von Kurbel- und Nockenwelle, was im Motor durch eine entsprechende Verzahnung der Geberräder erreicht wird. Unter Testbedingungen werden die Signalfolgen mit Arbitrary Generatoren nachgebildet, wobei die Kurvenverläufe jeweils für Hallsensoren und induktive Geber sowie für verschiedene Zahnscheiben der Geberräder hinterlegt sein müssen. Eine besondere Anforderung bei der Simulation induktiver Geber besteht darin, dass deren Ausgangssignal drehzahlabhängig auf Amplituden bis zu 200 V bei Höchstdrehzahl ansteigt. Aus diesem Grund wurden für die Ausgänge der Generatoren spezielle Endstufen entwickelt.


Weitere durch das Testsystem zu simulierende Eingangssignale des Motorsteuergerätes sind:

• 6 Geber für Rad- und Turboladerdrehzahlen, konfigurierbar als Hall- oder induktiver Sensor,
• 4 Analogkanäle zur Nachbildung der Lambdasonden,
• Analogsignale für die Abgastemperatur,
• 12 Arbitrary-Kanäle für die Simulation von Klopfsensoren, die auf das Zündsignal des jeweiligen Zylinders zu triggern sind,
• Nachbildung des elektronischen Gaspedals,
• 20 zusätzliche differentielle, vom Anwender frei konfigurierbare Analogkanäle, z.B für Datenaufzeichnung und Telemetriefunktionen.
  

In Auswertung der Stimulisignale an seinen Eingängen bzw. empfangenen Botschaften erzeugt das Motorsteuergerät Reaktionen an seinen Ausgängen, die messtechnisch zu erfassen und auszuwerten sind. Um die Funktion der Hardware des Motorsteuergerätes zuverlässig nachzuweisen, ist die Beschaltung der Prüflingsausgänge mit Originallasten bzw. Lastsimulationen notwendig. Unter dem Aspekt der Realitätsnähe bilden Originallasten die bessere Abbildung der Fahrzeugumgebung, zumal die Simulation teilweise sehr aufwendig ist und konstruktiv mehr Platz verbaut als die Originalteile. Aus diesem Grund wird im System weitestgehend auf Originalkomponenten zurückgegriffen. In die Lastleitungen sind Stromfühler integriert, der Verlauf der Signalpegel an den Ausgängen wird mittels Multimeter erfasst oder oszillographisch aufgezeichnet. Zur Aufschaltung der Messgeräte auf die Ausgänge des Motorsteuergerätes dient ein auf Basis von Halbleiter-Relaisbaugruppen konzipierter Messmultiplexer. Das Funktionstestsystem verfügt über folgende Lastbaugruppen, die in 19“-Einschüben mit entsprechender Wärmeabfuhr und elektromagnetischer Abschirmung untergebracht sind:

• Zündlasten, bestehend aus 12 Zündendstufen mit Zündkerzen, Stromaufnahme bis 50 A,
• 24 Einspritzendstufen, Ströme bis 10 A,
• Lambdaheizung, 4 Endstufen bis 5 A,
• 8 Ventilendstufen, Stromaufnahme ca. 2,5 A zur Ansteuerung von Druckventilen und Hydraulikfunktionen,
• Hochstromendstufen und Brückentreiber, die vom Anwender fahrzeugspezifisch eingesetzt werden, beispielsweise für Funktionen zur Steuerung von Getriebe und Differential.

 

Hardwarekonfiguration

Kernstück der Testerkonfiguration ist ein PXI-Stimulikomplex, der alle zur Simulation der Steuergeräteumgebung notwendigen Generatorbaugruppen aufnimmt. Die Entscheidung für den PXI-Standard beruht neben dem kompakten Aufbau vor allem darauf, dass die Stimulibaugruppen untereinander synchronisiert werden müssen, z. B. die Arbitrarykanäle der Klopfsensoren auf das jeweilige Zündsignal bzw. die Signalverläufe von Nocken- und Kurbelwelle. Zur Lösung dieser für die Systemfunktion grundlegenden Aufgabe bieten die PXI-spezifischen Erweiterungen des Compact-PCI-Bus (10 MHz System Reference Clock, Local und Trigger Bus, Star Trigger) hervorragende, vom Steuerrechner unabhängige Synchronisationsmöglichkeiten.


Die PXI-Generatormodule selbst stammen aus dem Spektrum der Produktlinie TESSY (Modulares Funktionstestsystem für Kfz-Steuergeräte von GÖPEL electronic), ebenso die für das System benötigten Kommunikationsinterfaces CAN und K-Diagnoseleitung. Die zur Signalkonditionierung der Generatorausgänge notwendigen Komponenten wurden in einen eigenen 19“-Einschub integriert, um die Funktionssicherheit des PXI-Systems nicht durch kritische Pegel und Ströme zu gefährden. Neben der Potenzialtrennung der Stimulikanäle untereinander sind für die originalgetreue Nachbildung von Gebersignalen zum Teil auch spezifische Generatorendstufen erforderlich, die der inneren Schaltung des jeweiligen Sensors entsprechen. Ebenfalls auf Basis von PXI-Baugruppen realisiert wurde der Messmultiplexer, welcher die Pegel der Prüflingsausgänge und die Signale der Stromfühler auf die Messressourcen Multimeter und Oszilloskop verschaltet. Zur Absicherung der Funktion des Multiplexers auch unter komplizierten Lastbedingungen sowie elektromagnetisch verseuchter Umgebung wurde vom Auftraggeber die ausschließliche Verwendung von Halbleiterrelais verlangt. Dazu wurde das Spektrum der in der TESSY-Baureihe verfügbaren PXI-Relaismultiplexer um spezielle Karten-Varianten mit identischer Matrixstruktur erweitert, deren Schaltelemente als Halbleiterrelais ausgeführt sind.


Die messenden Funktionen des Testsystems wurden nicht in den PXI-Komplex integriert, sondern unter Verwendung GPIB-gesteuerter Geräte realisiert. Der Grund dafür ist einerseits, dass zum Zeitpunkt der Konzipierung des Messsystems noch kein PXI-Multimeter mit einer Auflösung von mehr als 5,5 Stellen zur Verfügung stand. Bezüglich der Oszilloskopfunktionen war für die Entscheidung ausschlaggebend, ein Oszilloskop mit integrierten Auswertefunktionen (Hüllkurventest) einzusetzen, um den Aufwand für die Softwareentwicklung und die mit der Messdatenauswertung verbundene Belastung des Steuerrechners möglichst gering zu halten. Ein weiteres Argument für das „klassische“ Oszilloskop ist die visuelle Verfolgbarkeit des Messvorganges unter Ausnutzung der angebotenen Darstellungsmöglichkeiten.


Der Lastkomplex, welcher weitestgehend unter Verwendung von Original-Fahrzeugkomponenten aufgebaut wurde, ist auf insgesamt vier 19“-Einschübe verteilt. Bild 1 dokumentiert den prinzipiellen Aufbau des Lastkomplexes am Beispiel des Einschubes Zündung. Bestandteil jeder Lastkomponente sind die Lastschalter in Form von Halbleiterrelais und die Stromwandler zur Bestimmung des von den Lasten aufgenommenen Stromes. Die technische Ausführung der Strommessung ist dabei unterschiedlich und hängt von den im jeweiligen Lastkomplex zu erwartenden Stromstärken ab, die zwischen 2 und 50 A betragen kann. Die Anordnung der Lastschalter und Stromwandler im hinteren Teil der Einschübe stellt eine standardisierte Lösung dar, die in allen Lasteinschüben des Systems praktisch gleich ist, im vorderen Teil ist der Platz für den individuellen Einbau der Originalkomponenten gegeben. Am abbgebildeten Beispiel des Zündeinschubes erkennt man weitere technische Details: Die Zündkerzen sind aus Gründen der Störabschirmung in ein geschlossenes Metallrohr verschraubt, das durch den Zündvorgang entstehende Ozon wird über eine Absaugvorrichtung (Schlauch in der Mitte im hinteren Teil des Lasteinschubes) abgeführt.

 

Systemsoftware

Bei der Konzeption der Bedienersoftware waren zwei mögliche Betriebsarten des Funktionstestsystems zu berücksichtigen:

• Die Testablaufsteuerung muss in der Lage sein, komplexe Prüfprogramme vollautomatisch, auch zyklisch ablaufen zu lassen.
  
• Der Bediener muss am Testsystem interaktive Tests einzelner Steuergerätefunktionen ausführen können.
  

Da die Betriebsarten interaktiver (manueller) Test und automatischer Run bereits als Grundfunktionen der Testsequenzer Software von GÖPEL electronic verfügbar sind, konnte bei der Programmierung der Systemsoftware auf dieses Standard-Tool zurückgegriffen werden. Die Testsequenzer Software wurde als Add-On-Tool zu LabVIEW entwickelt und beinhaltet alle zur Prüfstandssteuerung notwendigen Systemfunktionen, wie Prüfprogrammeditor, Testablaufsteuerung und den Debugger zur schrittweisen Inbetriebnahme von Anwenderprogrammen. Die für den Funktionstest von Motorsteuergeräten notwendige Softwareentwicklung reduziert sich damit auf die der eigentlichen Prüfaufgabe entsprechenden Mess- und Auswertefunktionen, die als parametrierbare Einzelprüfschritte unter LabVIEW programmiert und in einer sogenannten Makrobibliothek hinterlegt wurden. Der Anwender kann komplexe Testprogramme erstellen, indem er die notwendigen Prüfschritte aus der Bibliothek auswählt und zu einem vollständigen Testablauf zusammenstellt. Anhand einer graphischen Eingabeoberfläche lässt sich jedes Makro der aktuellen Prüfaufgabe entsprechend parametrieren, dazu sind keine Kenntnisse von LabVIEW oder anderen Programmiersprachen erforderlich. Der Anwender bewegt sich beim Erstellen von Testprogrammen ausschließlich in der physikalischen Ebene. Der Inhalt der im Lieferumfang des Testsystems enthaltenen Makrobibliothek umfasst ca. 30 Einzeltestaufgaben, die im Wesentlichen den Funktionsumfang der Systemhardware unterstützen. Inhaltlich lassen sich diese Makrofunktionen in folgende Funktionsgruppen unterteilen:

• Parametrierung der Stimuliressourcen zur Ausgabe von Pegeln oder Signalfolgen
• Generieren, Empfangen und Auswerten von Kommunikationsbotschaften (CAN, Diagnose)
• Lastaufschaltung und Verschaltung des Messmultiplexers
• Mess- und Auswertefunktionen
  

Über diesen Umfang hinaus bietet die Testsequenzer Software sogenannte Sondermakros an, mit denen sich der Testablauf strukturieren lässt. Dazu zählen der CALL-Befehl für Unter-programmaufrufe, die LOOP-Funktion für Programmschleifen in beliebiger Verschachtelungstiefe sowie die Möglichkeit von Sprüngen innerhalb des Testprogramms (JUMP). Die Sondermakros ermöglichen dem Anwender die Abweichung vom streng sequentiellen Prüfablauf, sodass beispielsweise auch Kennlinienfelder mit mehreren Parametern als vollautomatischer Testablauf aufgenommen werden können.


Bild 2 zeigt das Hauptmenü des Prüfprogrammeditors. Auf der rechten Seite ist der Umfang der Makrobibliothek dargestellt einschließlich der Sonderfunktionen, links erkennt man das aktuell editierte Prüfprogramm. Die Übernahme von Makros aus der Bibliothek in das Prüfprogramm erfolgt Windows-gemäß über eine Zwischenablage. Das Parametrieren von Makros wird durch Doppelklick auf das jeweilige Makro möglich, wobei die Parametrierung entweder im Prüfprogramm (Anpassung an die aktuelle Prüfaufgabe) oder in der Makrobibliothek (Setzen von Default-Werten) erfolgen kann.


Der Anwender kann den Umfang der Makrobibliothek seinen Anforderungen entsprechend selbsttätig erweitern, indem er unter LabVIEW neue Makros programmiert (Voraussetzung dafür ist die Installation der LabVIEW Entwicklungsumgebung).


Die Schnittstelle, über welche die Testablaufsteuerung LabVIEW-VI`s als Makro erkennt und behandelt, ist offengelegt. Bei Anklicken des Menübuttons "Neues Makro erstellen" im Hauptmenü des Testsequenzers wird diese Schnittstellenstruktur automatisch in den Quellcode des zu erstellenden VI`s eingetragen.

 

Erfahrungen aus dem Einsatz des Funktionstestsystems

Traditionell spielt der Motorrennsport eine Vorreiterrolle in der technolgischen Entwicklung von Kraftfahrzeugen. Dies gilt uneingeschränkt auch für den Bereich der KFZ-Elektronik. Neue Systemkonzepte und Elektronik-Komponenten, wie beispielsweise die Benzin-Direkteinspritzung, Drive-By-Wire Systeme oder elektronische Fahrhilfen werden im Rennsport unter härtesten Bedingungen bezüglich ihrer Robustheit qualifiziert und später, unter entsprechender technologischer Überarbeitung auf serientaugliche Fahrzeugkonzepte übertragen. Damit bietet auch die im Rahmen von Rennsportprojekten entwickelte Prüftechnik eine optimale Grundlage für die Lösung messtechnischer Aufgabenstellungen an neuen Fahrzeugkonzepten.


Mit Sicherheit stellen die bei Entwicklung und Bau des beschriebenen Funktionstestsystems gelösten Anforderungen einen Grenzfall bezüglich ihres technischen Anspruchs dar. Damit konnten bei der Realisierung des Projektes aber auch Erkenntnisse gewonnen werden, die der Erhöhung der Produktqualität der TESSY-Baureihe entscheidende Impulse verliehen haben. Diese Erkenntnisse lassen sich unter drei Gesichtspunkten zusammenfassen:

• Optimale Ausnutzung der PXI-Bus-spezifischen Ressourcen zur Simulation der Fahrzeugumgebung ("Laborauto"),
• Qualifikation der PXI-Stimulusbaugruppen bezüglich Leistungsparameter und Signalkonditionierung,
• Gewährleistung erforderlicher Messgenauigkeiten unter komplizierten Umgebungsbedingungen.
  

Die Erfüllung der im Rahmen des Projektes durch den Auftraggeber BOSCH Motorsport gestellten messtechnischen Anforderungen, die sich aus dem Einsatz der Motorsteuergeräte in den höchsten Rennsportklassen ableiten, wurde bei der Vorabnahme des Funktionstestsystems nachgewiesen. Mittlerweile befindet sich das System in der Anwendererprobung und wird in einem Entwicklungsprojekt für den Hardwaretest von Steuergeräten eingesetzt.

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Dipl.-Ing. Burkhard Tettenborn
GÖPEL electronic GmbH
Jena

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