Diese Website nutzt Cookies, um gewisse Funktionen gewährleisten zu können. Durch die Nutzung der Website stimmen Sie unseren Datenschutz-Richtlinien zu.
Nachrichten und Informationen zu Test- und Messtechnik für Elektronik in Entwicklung, Produktion und Service.  

Newsletter abonnieren

Alle 14 Tage alle News im Überblick
captcha 
Bitte geben Sie auch den angezeigten Sicherheitscode ein.

Aktuelle Test- und Messtechnik-News

Hintergrund - Einsatz von FPGAs in Hardware-in-the-Loop-Anwendungen

Bei eingebetteten Systemen, wie beispielsweise Automotive-Steuergeräte, ist ein rasanter technischer Fortschritt zu beobachten. Dabei steigen die Komplexität der Funktionen und der Entwicklungsaufwand stetig. Auch stellen derartige Systeme vor allem im Bereich der Signalerfassung, -verarbeitung und -ausgabe sehr hohe Anforderungen an den Test. Um die notwendige Testtiefe wirtschaftlich erreichen zu können, ist eine höchstmögliche Automatisierung erforderlich.

Moderne eingebettete Systeme enthalten immer häufiger hochfrequente Messsysteme, wie zum Beispiel Radar- oder Lidar-Sensoren bei Fahrzeugen. Aber auch ultraschall-basierte Messungen, wie sie in Industrie-Anwendungen häufig auftreten, sind mit klassischen Lösungen nicht zu simulieren. In diesen Anwendungen geht es um eine schnelle Signalaufnahme, -verarbeitung und -ausgabe. Ein häufiger Anwendungsfall ist die Verzögerung des eingehenden Signals, um ein Objekt in einer definierten Entfernung bzw. eine definierte Signallaufzeit simulieren zu können. Dabei sind Verzögerungen in Größenordnung von wenigen Picosekunden zu realisieren. Dies ist nur mit ausgereiften, FPGA-basierten Lösungen möglich, welche an die jeweilige Aufgabenstellung leicht anzupassen sind.

Tests mit integrierten FPGA-basierten Lösungen

Nicht nur die eigentlich FPGA-basierte Lösung muss flexibel anpassbar sein, es ist auch nötig die FPGAs flexibel in die Testsysteme integrieren zu können. Dabei ist vor allem die Einbindung in die Softwareumgebung eine Herausforderung. In diesem Zusammenhang haben sich Testsysteme auf Basis des HIL-Ansatzes bewährt.

Die Abstraktion der Hardware erfolgt mittels einer Echtzeit-Middleware, die auch ein Zeitmodell für die deterministische Ausführung des Umgebungsmodells zur Verfügung stellt. Mit einem Simulink-Blockset lassen sich Simulink Modelle auf den iSyTester portieren. Die Modelle sind dabei auf verschiedenen Hardwareplattformen (ARM und x86) einsetzbar werden, ohne dass Änderungen am Modell selbst notwendig sind.

Die Hardware wird über Plugins an die Middleware angebunden, welche die Konfiguration der Hardware übernehmen und die I/O-Kanäle als Channels zur Verfügung stellen. Diese Channels werden innerhalb der Middleware mit Prozess-Variablen (PV) verknüpft und bilden die Schnittstelle für das Umgebungsmodell und die Testautomatisierung. Hier können auch die kunden- bzw. projektspezifischen FPGA-Lösungen einfach eingebunden werden.

FPGA Bild1

Außerdem lassen sich mittels der Middleware mehrere Systeme transparent über Ethernet vernetzen. Dies erlaubt eine einfache Anbindung des Echtzeitsystems eines iSyTesters an den Steuerrechner. Der Steuerrechner hat dabei direkten Zugriff auf alle PVs des Echtzeitsystems und unterstützt so den Einsatz verschiedener Testautomatisierungssysteme. Die erleichtert es automatisierte Tests zu erstellen, auszuführen und zu dokumentieren.

VHDL/FPGA Entwicklungsteam

Die iSyst GmbH stellt sich seit fast 20 Jahren den Herausforderungen im Bereich des Tests eingebetteter Systeme. Dies umfasst auch die Planung, Entwicklung und Realisierung von kundenspezifischen HIL-Testsystemen. Um den hier beschriebenen Anforderungen gerecht zu werden, wurde ein eigenes VHDL-Team für die FPGA-Entwicklung aufgebaut. In diesem Team werden kunden- bzw. projektspezifische Lösungen für die HIL-Testsysteme realisiert, wie dies an einem Beispiel später in diesem Artikel erläutert wird. Des Weiteren wurden auch externe ASIC/FPGA-Teilprojekte modelliert (VHDL-AMS) und per Simulation verifiziert. Aktuell werden aber auch neue Lösungen für Produkte entwickelt.

Beispielsweise beschäftigt sich das Team mit der Weiterentwicklung eines bestehenden IP-Cores für das Messen strahlungsbedingter Alterung hin zu einer Lösung für die Messung und Bewertung der klassischen Alterung von FPGAs aufgrund von elektrischem und thermischem Stress. Hier finden aktuell Untersuchungen mit unterschiedlichen FPGA-Technologien verschiedener Hersteller statt. Diese Lösung ist zum Beispiel im Bereich der funktionalen Sicherheit interessant, um die Zuverlässigkeit FPGA-basierter Systeme messbar zu machen.

Ein weiteres Thema für die FPGA-Entwicklung stellt der Test von eingebetteten Systemen, welche nur über eine Funkschnittstelle angebunden sind. Hier ist vor allem der echtzeitfähige Zugriff in die Software des eingebetteten Systems eine Herausforderung. Für diese Anwendung erarbeitet das FPGA-Team der iSyst GmbH eine echtzeitfähige Funkkommunikation mit einer Zykluszeit von 1 ms und einer garantierten Datenrate im Bereich mehrerer Mbit/s.

Anwendungsbeispiel – Simulation hochfrequenter Sensorsignale

Im Zuge eines Testprojekts für eingebettete System stellte sich die Aufgabe eine Ultraschallmessstrecke zu simulieren. Das zu testende System geniert verschiedene Signalfolgen und gibt diese über einen Ultraschallsender aus. Über einen Empfänger wird die Antwort aus dem zu untersuchenden Medium empfangen und ausgewertet. Hierbei sind die Signalform, Amplitude und die Verzögerungszeit im Picosekundenbereich relevant.

Dies bedeutet, dass ein schneller analoger Eingang für die Erfassung des Steuergerätesignals durch das Testsystem ebenso nötig ist, wie ein schneller analoger Ausgang zur Generierung der Antwort für das Steuergerät. Das Frontend ist mit geringer Latenz an den FPGA für die Verarbeitung anzubinden. Dies kann über standardisierte FMC-Steckverbinder und unter Nutzung schneller analoger Frontends, wie zum Beispiel das Analog Devices AD-FMCDAQ2-EBZ, erfolgen. Letztere lassen sich einfach mit FPGA-Boards, wie dem Everest mit Microsemi PolarFire FPGA oder auch Xilinx EK-K7-KC705-G, verbinden. Das FPGA-Board kann dabei mittels PCIe in das Echtzeitsystem (z. B. Industrie-PC) integriert werden.

In diesem Beispiel werden die Signale über den analogen Eingang erfasst. Im FPGA wird die Anpassung der Amplitude und der Verzögerung entsprechend der Vorgaben aus dem Simulationsmodell (Simulink) aufgeprägt. Die Ausgabe erfolgt über den schnellen analogen Ausgang. Die Einbindung des FPGA in das Betriebssystem des Echtzeitsystems erfolgt über den generischen Treiber des FPGA. Ein projektspezifisches Plugin für die Middleware ermöglicht den Austausch der Vorgabe- und Messwerte mit der Middleware und damit mit dem Simulationsmodell.

Mit dieser realisierten Lösung lassen sich Testlösungen erarbeiten, die eine deutlich höhere Testtiefe als reine Prüfstände ermöglichen. Hier sei vor allem der Test von Fehlerfällen genannt. Weiterhin sind die nötigen Entwicklungsaufwände stark reduziert, da Standard-Boards und verfügbare modulare Komponenten eingesetzt werden.

Zudem können mit diesen Systemen einmal entwickelte Funktionen für die Umgebungssimulation auf Testsystemen mit verschiedener Größe und Funktion wiederverwendet werden. Weiterhin können projektspezifische Anforderungen aus einem Framework vorhandener Lösungen mit wenig Entwicklungsaufwand realisiert werden. Durch das modulare Konzept des iSyTesters stehen verschiedene Hardware-Plattformen für die Echtzeitsysteme zur Auswahl, wobei die Echtzeit-Middleware eine einheitliche Schnittstelle für die Umgebungssimulation gewährleistet, die zudem mit der Simulink-Welt verknüpft ist. Simulink wiederum stellt eine effektive Umgebung für die plattformunabhängige Modellierung von Umgebungssimulationen zur Verfügung. Dadurch lassen sich Testsysteme vom Entwicklerarbeitsplatz bis zum umfassenden HIL-System mit demselben Umgebungsmodell einsetzen. Ebenso ist es möglich Testskripte von Projekt zu Projekt weiterzuverwenden.

Fazit

Auf der Basis des iSyTester lassen sich Testsysteme skalierbar hinsichtlich Preis und Leistung realisieren, wobei eine weitreichende Wiederverwendbarkeit von Umgebungssimulationen und Testskripten gewährleistet wird. Mit Hilfe der FPGA-basierten Lösungen lässt sich das Leistungssprektrum von HIL-Testsystemen massiv erweitern. Sehr schnelle Prozess und hochfrequente Signalverarbeitung sind damit effektiv möglich. Das Leistungsspektrum der Echtzeitsysteme reicht dabei von kompakten Testsystemen für den Entwicklerarbeitsplatz, bis hin zu umfassenden HIL-Systemen.

Autor:

Dr.-Ing. Kristian Trenkel

iSyst Intelligente Systeme GmbH

www.isyst.de/



Weitere News zum Thema:

Aktuelle Termine

SINDEX 2020
- abgesagt -
zur Terminübersicht...
Messtec & Sensor Masters 2020
verschoben auf 22./23. Sept. 2020
zur Terminübersicht...
EMV-Fachtagung
30. Sep. bis 01. Okt.
zur Terminübersicht...

Banner-Werbung

Social Media

twitter_follow_420x50px