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Aktuelle Test- und Messtechnik-News

Hintergrund: Automotive-Messungen mit modularen Instrumenten

Moderne Fahrzeuge enthalten Dutzende von Elektroniksystemen und Subsystemen, die aus Mikroprozessoren, Wandlern, Aktuatoren und Schaltern bestehen. Zu diesen Systeme gehören beispielsweise Motorsteuerungen, Umweltsteuerungen, Fahrerassistenzsysteme, Instrumente auf dem Armaturenbrett und Unterhaltungselektronik. Die Komplexität dieser miteinander vernetzten Systeme erfordert flexible Testinstrumente, die sich schnell umkonfigurieren lassen, um viele Kanäle, variierende Bandbreiten, hohe Auflösungen und lange Datensätze bewältigen zu können. Modulare Digitizer und modulare Signalgeneratoren sind damit für diese Aufgaben ideal geeignet.

Modulare Instrumente reduzieren die Größe konventioneller Messgeräte, auch können mehrere solcher Karten in einem System mit einer gemeinsamen Computerschnittstelle, Stromversorgung und Verbindungen untergebracht werden. Modulare Instrumentensysteme umfassen Computer unter Verwendung der Standard-PCIe-Schnittstelle, der PXI-Schnittstelle oder LXI-basierten Stand-alone-Geräten. Im Allgemeinen werden mehrere Karten verwendet und zu einem fertigen System konfiguriert. Das System kann mehrere Karten, einzelne Karten mit mehreren Kanälen oder eine Kombination von beiden enthalten.

Bild 1 zeigt einen tragbaren Computer, der mit zwei modularen PCIe-Digitizerkarten ausgestattet ist. Dieses kompakte, in sich abgeschlossene System kann innerhalb eines Fahrzeugs verwendet werden und ermöglicht Messungen während des Fahrbetriebs. PXI-basierte modulare Systeme sind nicht so autonom, bieten aber eine größere Anzahl von modularen Instrumenten innerhalb eines einzigen Gehäuses. Sie benötigen externe Monitore und Tastaturen. LXI-basierte Systeme wie Spectrums digitizerNETBOX eignen sich gut für mobile Anwendungen oder Laborinstallationen und bieten eine große Anzahl von Kanälen und die komplette Fernsteuerung durch einen Laptop oder einen beliebigen Computer im Netzwerk.  Bild1 PC with Digitizer 
  Bild1: Ein mobiler PC dient als Basis für zwei PCIe-basierte Digitizer in einem mobilen Testsystem.

 Fahrzeugelektronik

Die Basis für elektronische Subsysteme in Fahrzeugen ist der Mikroprozessor. Automotive-Mikroprozessoren unterscheiden sich von Standard-Mikroprozessoren durch höhere Umgebungs- und Zuverlässigkeitsstandards sowie durch spezielle Busse und Schnittstellen wie CAN, LIN und PSI5. Diese Schnittstellen ermöglichen dem Mikroprozessor, mit anderen Prozessoren, Wandlern und Aktuatoren zu kommunizieren.

Der CAN-Bus (Controller Area Network) ist ein weit verbreiterter Datenbus und bildet das Rückgrat vieler Datenverbindungen in der Automobilindustrie. In seiner Grundform tauscht er Daten von 20 kb/s bis 1 Mb/s über zwei Leitungen aus, unter Verwendung einer differentiellen Signalisierung mit 8-Byte-Datenpaketen. Eine neuere Version, CAN Flexible Data (CAN FD), erweitert den Dateninhalt auf 64-Byte-Pakete, die mit bis zu 12 Mb/s ausgetauscht werden.
Der LIN-Bus (Local Interconnect Network) ist ein kostengünstiger Bus, der dazu beiträgt, die Kosten für nicht kritische Anwendungen zu reduzieren. Er arbeitet über eine einzige Leitung mit bis zu 20 kb/s unter Verwendung von zwei, vier oder acht Byte Datenpaketen.

Die PSI 5-Schnittstelle dient zur Verbindung mehrerer Sensoren mit elektronischen Steuergeräten und wird als primärer Sensor-Kommunikationsbus für Airbags und zugehörige Rückhaltesysteme verwendet. Es ist ein Bus mit zwei Leitungen, der mit Manchester-Codierung und bis zu 189 kbit/s arbeitet.

Anwendung modularer Digitizer

Die am häufigsten verwendeten modularen Instrumente sind Digitizer. Ein Digitizer ist ein Erfassungsgerät, das analoge Wellenformen aufnimmt, diese abtastet und durch Analog-Digital-Wandler (ADCs) digitalisiert und dann die digitalisierten Abtastwerte an einen Puffer sendet, der sie speichert, bevor sie von einem Computer verarbeitet werden. Hersteller von Digitizern, wie Spectrum Instrumentation, bieten Digitizerkarten mit ADC-Auflösungen von 8 bis 16 Bit, mit analogen Bandbreiten bis 1,5 GHz und Abtastraten von bis zu 5 Giga Sample pro Sekunde (GS/s), wobei die Karten meist zwischen einem und 16 Kanäle aufweisen. Dabei ist es möglich, bis zu 16 Karten zu synchronisieren, was ein System mit bis zu 256 vollständig synchronisierten Kanälen ergibt. Diese Digitizersysteme sind unbegrenzt rekonfigurierbar, um Signale in Fahrzeugen zu erfassen, zu speichern und zu messen. Die Digitizer können so ausgewählt werden, dass sie den Datenraten und Bandbreitenanforderungen der Schnittstellen sowie den benutzen Prozessoren und den dazugehörigen Operationen entsprechen.

Eine wichtige Aufgabe ist die Überwachung der CAN-Bus-Schnittstelle: Der Digitizer, der für diese Messung verwendet wird, verfügt über fernkonfigurierbare Eingänge, die für jeden Kanal entweder auf "single-ended" oder "differentiell" eingestellt werden können. In diesem Beispiel wurden die differentiellen Eingänge verwendet. Die Ergebnisse sind in Abbildung 3 gezeigt. Die Erfassung wurde unter Verwendung der Spectrum "SBench 6"-Software durchgeführt, die eine Analyse der Schnittstelle ermöglicht. Die Amplitude und das Timing des Signals können verifiziert werden, um die Einhaltung der CANbus-Standards sicherzustellen.

Bild2 Digitizers acquires CANbus   
Bild 2: Ein CAN-Datenpaket von einem Lenkrad-Winkel-Sensor wird aufgezeichnet und das physischen Signal wird über die Software SBench 6 mit einer Spectrum M2p.5946-x4 – 4 Kanal 80 MS/s 16 Bit Digitizer vermessen.  

 

Grundlegende Messungen der Signalamplitude einschließlich Spitze-Spitze-Wert, Maximum und Minimum charakterisieren die Pakete. Zusätzliche Zeitmessungen der Anstiegs- und Abfallzeiten werden vorgenommen, um die Bus-Signalintegrität sicherzustellen.

Über die physikalische Ebene hinaus kann der Spectrum Digitizer mit Programmen von Drittanbietern wie LabVIEW und MATLAB betrieben werden, in denen die Signaldaten dekodiert und das Datenprotokoll untersucht werden kann. Erfahrene Programmierer können die Windows- und Linux-Treiber verwenden, um benutzerdefinierte Programme in C, C ++, Python oder ähnlichen Sprachen zu erstellen, welche dann benutzerdefinierte Dekodiervorgänge ermöglichen.

Verwenden von Signalquellen für die Simulation

In vielen Entwicklungsprojekten ist ein Test nicht möglich, weil eine kritische Komponente fehlt oder es zu teuer ist, den Test mit tatsächlichen Komponenten aufzubauen und durchzuführen. Die Lösung: Ein Arbitrary Waveform Generator (AWG). Damit lässt sich fast jede Wellenform erzeugen und somit eine signalgebende Komponente simulieren. AWGs sind digitale Signalquellen, die in umgekehrter Richtung wie ein Digitizer arbeiten: Während ein Digitizer eine analoge Wellenform abtastet, digitalisiert und im Erfassungsspeicher ablegt, erhält der AWG dadurch eine numerische Beschreibung der gespeicherten Wellenform. Ausgewählte Abtastwerte der Wellenform werden an einen Digital-Analog-Wandler (DAC) gesendet und dann mit einer geeigneten Filterung und Signalaufbereitung als analoge Wellenform ausgegeben.

Für eine Simulation durch einen AWG muss also die gespeicherte Wellenform der fehlenden Komponente vorhanden sein, oder sie muss analytisch erstellt werden können. Eines der typischen Probleme in der Praxis besteht darin, eine Reihe von leicht unterschiedlichen Wellenformen auszugeben, die jeweils einen unterschiedlichen Zustand des zu testenden Systems repräsentieren. Dies könnte mit mehreren Signalgeneratoren und einer Art Umschaltung getan werden, aber gibt es eine effizientere Methode: AWGs mit einem voll funktionsfähigen Sequenzmodus, wie z. B. die Spectrum M4i.66xx Serie, bieten die Möglichkeit, zwischen den Wellenformen in Echtzeit zu wechseln, wodurch auch die Zeit zum Nachladen verschiedener Wellenformen entfällt. Der Wellenformspeicher des AWGs ist segmentiert, und jede Wellenform, die für einen Test benötigt wird, kann gespeichert werden, jedes in seinem eigenen Segment. Der AWG durchläuft die Wellenformen unter Computersteuerung basierend auf den Anweisungen, die in einem separaten Sequenzspeicher hinterlegt sind. Der Inhalt des Sequenzspeichers kann aktualisiert oder geändert werden, ohne den Ausgangszustand des AWGs zu beeinflussen. Dieser Sequenzmodusbetrieb ermöglicht adaptive Änderungen in der Testsequenz basierend auf einem Testergebnis. Diese Fähigkeit reduziert die Testzeiten erheblich und verbessert die Gründlichkeit des Tests.

 Bild3 AWG generating PSI5 packets  
 Bild 3: Ein AWG erzeugt PSI5-Datenpaket mit Manchester-Codierung.  

 

In diesem Beispiel wird ein AWG verwendet, um einen PSI 5-Wandler zu ersetzen, der eine programmierbare Reihe von Ausgangscodes erzeugt. Der PSI 5-Bus verwendet die Manchester-Codierung, bei der immer ein Übergang in der Mitte jeder Bitperiode platziert wird. Es kann, abhängig von der zu übertragenden Information, auch zu Beginn der Periode einen Übergang geben. Die Richtung des Mid-Bit-Übergangs zeigt die Daten an. Übergänge an den Periodengrenzen enthalten keine Informationen. Sie existieren nur, um das Signal in den richtigen Zustand zu versetzen, damit der Mid-Bit-Übergang möglich wird. Die garantierten Übergänge erlauben es, dass das Signal selbsttaktend ist. Um ein PSI 5-Paket zu erzeugen, sind drei Signalsegmente erforderlich, wie Abbildung 4 zeigt. Eine logische "1" (Segment 1) wird durch einen Übergang von High nach Low angezeigt. Eine logische "0" (Segment 0) wird durch einen Übergang von Low nach High angezeigt. Der Grundpegel (Segment 2) wird durch 0 Volt Gleichspannung dargestellt.

Durch Definieren von drei Wellenformen unter Verwendung dieser drei Segmente kann eine beliebige Kombination von Datenmustern synthetisiert werden. Dies bedeutet, dass durch das Umstellen der Reihenfolge dieser drei Segmente der Inhalt des Pakets geändert werden kann. In diesem Beispiel werden die Segmente auf eine Länge von 512 Abtastwerten mit einer Taktrate von 50 MS/s eingestellt, so dass die Dauer jeder Komponente (TBIT) 10,24 μs beträgt. Die Pakete werden durch ein Grundliniensignal getrennt, das mehr als zwei Bittaktperioden dauert. Der AWG wurde unter Verwendung eines MATLAB-Skripts gesteuert, das aus den drei Segmenten vier verschiedene Datenmuster für den Zweck dieses Tests zusammenstellte. Das Umschalten zwischen den Paketen erfolgt nahtlos ohne Diskontinuitäten.


Power-Sequenzierung

Ein weiteres wichtiges Thema im Fahrzeug ist die richtige Reihenfolge und Bereitstellung der Betriebsspannungen beim Starten. Die Computersysteme benötigen im allgemeinen mehrere Versorgungsspannungen, z.B. für die Mikroprozessoren, die Speicherbausteine und andere an Bord befindliche Geräte. Die meisten Mikrocontroller haben zudem eine vorgeschriebene Reihenfolge, in der die Spannungen angelegt werden, müssen um Start-Blockaden zu verhindern. Power Management ICs (PMIC) oder Power Sequencer führen viele der Sequenzierungsaufgaben aus. Da die meisten Prozessoren mehrere Spannungen verwenden, ist ein Digitizer mit bis zu 8 Eingängen ein ideales Instrument für die Überwachung. Da die Einschalt- und Ausschaltvorgänge beim Fahrzeug in der Größenordnung von Millisekunden liegen, werden außerdem große Erfassungsspeicher benötigt. Abbildung 6 ist ein einfaches Beispiel für eine Leistungssequenzmessung. Drei Versorgungsspannungen werden überwacht (5 und 3,3 und 1,8 Volt). Die Spannungspegel sollten gleichförmig und in der gewünschten Reihenfolge ansteigen. In diesem Beispiel wird die 5-Volt-Versorgung zuerst aktiviert, gefolgt von den 3,3-Volt- und 1,8-Volt-Leitungen.

Die Zeitverzögerung kann wie in der Abbildung gezeigt mit dem Cursor gemessen werden, wobei die Zeitverzögerung zwischen dem 5 Volt- und dem 3,3 Volt-Bus mit 35,5 μs gemessen wird. Leistungsmessungen diese Art können um die Messung von Welligkeit, Regulierung und Reaktion auf Transienten erweitert werden.

 Bild4 Monitoring Power Rails
Bild 4: Aufzeichnung der 3,3 V, 5 V und 1,8 V Spannungsversorgung zur Untersuchung des korrekten Einschaltsequenz

 

Mechanische Messungen

Mit geeigneten Wandlern können Digitizer auch mechanische Messungen durchführen. Abbildung 7 zeigt eine Reihe von mechanischen Messungen an einem Ventilator.

Der SBench 6-Bildschirm zeigt im linken Fenster den Tachometerausgang. Diese Wellenform besteht aus einem Impuls pro Umdrehung des Lüfters. Die Lüftergeschwindigkeit wird durch Messen der Frequenz dieses Signals abgelesen. Die Frequenzanzeige im Infobereich des Bildschirms ganz links zeigt 27,8 Hz (Umdrehungen pro Sekunde). Die Multiplikation dieser Frequenz mit 60 ergibt eine Drehzahl des Ventilators von 1668 Umdrehungen pro Minute (U/min). Weitere Werte, die das Minimum, Maximum und die Standardabweichung der Frequenz zeigen, werden darunter angezeigt.
Der Ausgang des Beschleunigungsmesser erscheint im oberen mittleren Fenster mit der Bezeichnung "Accelerometer Output". Eine benutzerdefinierte vertikale Skalierung wurde unter Verwendung der analogen Kanaleinstellungen so eingerichtet, dass sie direkt in der "g" gelesen wird. Messungen der Spitze-Spitze-Werte und der Effektiv-Werte erscheinen im Infofenster. Diese Zeitbereichsansicht des Signals ist etwas schwierig zu interpretieren, daher wird die schnelle Fourier-Transformation (FFT) dieses Signals berechnet und in dem oberen rechten Fenster angezeigt.

 

 Bild5 Digitizer measuring fan properties
Bild 5: Messung von Vibration und Akustik an einem Lüfter mit Hilfe von Tachometer, Beschleunigungssensor und Mikrofon. 

 

Die FFT zeigt die Frequenzkomponenten, aus denen das Beschleunigungssignal besteht. Die Frequenz- oder Spektrumansicht der FFT bietet eine einfachere physikalische Interpretation, da sie die verschiedenen Frequenzkomponenten trennt. Die am weitesten links liegende Spitze tritt bei 27,8 Hz auf, der Drehfrequenz des Lüftermotors. Andere spektrale Komponenten entsprechen den physikalischen Eigenschaften des Lüfters.
Der Ausgang des am Lüfter montierten Testmikrofons wird im mittleren unteren Fenster angezeigt, um den akustischen Schalldruck abzulesen. Diese Daten wurden ebenfalls neu skaliert, um sie in der Druckeinheit Pascal abzulesen. Die Messung im Fenster zeigen sowohl Spitze-Spitze-Wert als auch Effektivwert dieses Signals. Wie im Falle des Schwingungssignals liefert die FFT der Akustik ein gutes Maß an physikalischer Einsicht.

Fazit

Modulare Messinstrumente sind ideal für Prüfungen und Messungen an Fahrzeugen. Sie bieten eine große Anzahl von Kanälen mit Auflösungen von 8 bis 16 Bit. Digitalisierungsraten bis zu 5 GS/s erlauben die Auswahl von schnellen oder langsamen Abtastungen, die perfekt auf die nötigen Anwendungen abgestimmt werden können. Arbitrary Waveform Generatoren ermöglichen Simulationsszenarien, so dass auch getestet werden kann, wenn Komponenten fehlen oder der Messaufbau mit Originalkomponenten zu aufwendig und teuer wäre. Die Auswahl an PCIe-, PXI- oder LXI-Konfigurationen deckt alle Anforderungen für tragbare oder im Labor stattfindende Tests ab.

Autoren:
Greg Tate - Spectrum Instrumentation Asian Business Manager
Arthur Pini – Independent Consultant

 

https://spectrum-instrumentation.com



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