Scalexio von dSPACE

Scalexio von dSPACEdSPACE

Vor 15 Jahren wurden Hardware-in-the-Loop-Anwender bei Automobilherstellern und Zulieferern teilweise noch als „Simulanten“ belächelt. Heute ist HiL (Hardware-in-the-Loop) aus dem Steuergerätesoftware-Entwicklungsprozess nicht mehr wegzudenken und in vielen Unternehmen seit Jahren fester Bestandteil der Freigabe. Hierbei gilt die HiL-Simulation als probates Mittel für Funktions-, Komponenten- und Integrations- sowie Verbundtests für das Gesamtsystem. Getestet werden die Steuergeräte aller Fahrzeugdomänen vom Antriebsstrang über Fahrdynamik bis hin zu Innenraum, Komfort, Sicherheit, Fahrerassistenz usw. 

Status Quo und Anforderungen der HiL-Simulation 

Mit der Etablierung von HiL als Bestandteil des Elektronik-Entwicklungsprozesses richteten die meisten Unternehmen zentrale HiL-Abteilungen ein, auch wenn in manchen Bereichen weiterhin ebenfalls Fachabteilungen HiL-Systeme betreuen. Typisch sind in jedem Fall dedizierte HiL-Teams: Neben der Konzeption des Simulators auf elektrischer Seite (HiL-Hardware, Anschluss von Echt- und Ersatzlasten, Kabelbäume) sind I/O- und Streckenmodellierung sowie Erstellung und Durchführung der Tests ganz entscheidende Grundaufgaben dieser Teams. Eine Spezialisierung und damit eine Aufgabenteilung der Betreuer in den HiL-Teams ist die logische Konsequenz.

Auf einen Blick

Scalexio ist die direkte Umsetzung aktueller Anforderungen von HiL-Anwendern. Die Hardware- und Software-Architektur berücksichtigt die Veränderungen und neuen Ansprüche in HiL-Projekten. Im Rahmen von Evaluierungen und konkreten Pilotprojekten bei Kunden bestätigten sich bereits die neuen Potentiale von Scalexio.

Schnell stellen sich dann weitere Forderungen hinsichtlich Flexibilität bzw. schneller Umrüstbarkeit eines Simulators. Dies bezieht sich gleichermaßen auf Hardware und erforderliche Konfigurationssoftware. Diese Flexibilität ist beispielsweise erforderlich, wenn an einem System verschiedene Steuergeräte-Varianten einzeln oder im Verbund getestet werden sollen – beispielsweise verschiedene Kombinationen von Motor- und Getriebevarianten. Beim Test der gesamten Fahrzeugelektronik kommt es häufig vor, dass die HiL-Systeme bereits zu einem Zeitpunkt spezifiziert und gebaut werden müssen, zu dem sich die letzten Steuergerätespezifikationen anteilig nochmal ändern können. Eine weitere gängige Anforderung an die Umrüstbarkeit eines HiL-Systems sind zusätzliche Tests neuer Komponenten für bereits laufende Fahrzeugplattformen. Aus Kostengründen werden auch immer öfter Systeme nach erfolgreicher Freigabe einer Fahrzeugplattform für den Test der nächsten Fahrzeugplattform komplett umgebaut.

Ein HiL-System kommt zudem häufig gleichermaßen für den Verbund-Test und für den dedizierten Test einzelner Komponenten zum Einsatz, weil entweder ein Anteil des HiL-Testers isoliert werden muss, um die Fehlersuche bei einem einzelnen Steuergerät auszuweiten, oder weil Komponententester nach dem erfolgreichen Komponententest später im Entwicklungsprozess zu einem Verbundtester zusammengeschaltet werden. Diese hohen Anforderungen an Modularität, Skalier- und Erweiterbarkeit strahlen nicht nur in die Hardware, sondern auch in Software (zum Beispiel Trennung von Streckenmodellen und Hardware-Konfigurationen) aus.

Es wird somit immer wichtiger, Aufwand und Zeiten für erstmaligen Aufbau und spätere Anpassungen und Umbauten so gering wie möglich zu halten. Eine große Rolle spielen in diesem Kontext auch Test und Dokumentation der Systeme. Nicht zuletzt die Einführung der ISO 26262 für die Entwicklung sicherheitskritischer Systeme macht in Zukunft eine genaue Dokumentation der Testsysteme erforderlich. Hierbei wird idealerweise nicht nur das Testsystem selbst dokumentiert, sondern auch die angeschlossenen Geräte wie die zu testenden Steuergeräte und die im System befindlichen Lasten.

Die neue HiL-Technologie Scalexio

Die konsequente Umsetzung der oben genannten Anforderungen stellt zum Teil tiefe Einschnitte in bestehende Hardware- und Software-Konzepte dar. Aus diesem Grund hat dSPACE mit Scalexio eine völlig neue Hardware- und Software-Architektur entwickelt, die diesen Ansprüchen gerecht wird. Besonders hervorstechend sind unter anderem Aspekte wie hohe Kanalflexibilität, granulare Erweiterbarkeit und vollständige Software-Konfiguration.

Echtzeitrechner und IOCNET

Das Scalexio-Herzstück ist ein Echtzeitrechner. Dieser stellt über Gigabit-Ethernet eine Verbindung zum Host-Rechner her, über den die komplette Konfiguration des Simulators erfolgt, Echtzeit-Applikationen geladen werden und schließlich auch die HiL-Simulation überwacht und gesteuert wird. Basis eines Scalexio-Rechenkerns ist ein Industrie-PC mit einem Prozessor des Typs Core i7 Quadcore von Intel, ein Echtzeit-Betriebssystem (RTOS) sowie eine von dSPACE entwickelte PCIe-Einsteckkarte für die Kommunikation zur I/O und zu weiteren Echtzeitrechnern. Der Einsatz von Standard-PC-Technologie erlaubt eine zeitnahe Reaktion auf steigende Performance-Anforderungen und neue Technologien am PC-Markt. Die Kommunikation mit den I/O-Karten hat einen wesentlichen Einfluss auf die minimale Zyklusdauer eines Simulationsschrittes. Aus diesem Grund entwickelte dSPACE das neue serielle I/O-Netzwerk IOCNET (Input Output Carrier Network), das bei Scalexio erstmals zum Einsatz kommt.

IOCNET basiert auf der physikalischen Schicht von Gigabit-Ethernet und wird über die von dSPACE entwickelte PCIe-Karte in den Echtzeitrechner eingebracht. Um die Echtzeitfähigkeit zu gewährleisten, entwickelte dSPACE Netzwerkprotokolle für die Echtzeitkommunikation sowie eine hochgenaue Zeit- und Winkelsynchronisation. Intelligenz und Vorverarbeitung auf den I/O-Karten führen zur Entlastung des Echtzeitrechners. Die Übertragungsrate des IOCNETs ist zirka um den Faktor 10 höher als bisher eingesetzte Technologien, und es besteht die Möglichkeit, über 100 I/O-Teilnehmer an einen Echtzeitrechner anzuschließen, wobei diese I/O-Karten jeweils deutlich über 100 I/O-Kanäle umfassen können. Über optische Medien lassen sich darüber hinaus Distanzen von 100 m und mehr zwischen Echtzeitrechner und I/O-Karten realisieren, was Aspekte der räumlichen Verteilung (Dezentralisierung), der Modularität und der Flexibilität adressiert.

I/O-Karten

Bild 1: Systemkomponenten von Scalexio.

Bild 1: Systemkomponenten von Scalexio.dSPACE

Grob lassen sich die HiL-Signale in vier Klassen unterteilen: Signalgenerierung (zum Beispiel Simulation von Sensorsignalen), Signalvermessung (beispielsweise Einmessung von Aktorsignalen), Bus-Systeme und Versorgungssignale. Für diese vier Klassen stellt die Scalexio-Technologie jeweils zwei verschiedene per Software konfigurierbare I/O-Kartentypen zur Verfügung (Bild 1): die HighFlex-I/O-Karten und die MultiCompact-I/O-Einheit. Beiden gemeinsam ist jeweils ein lokaler PowerPC-Prozessor zur Signalvorverarbeitung und Entlastung des Echtzeitrechners, eine IOCNET-Schnittstelle, eine für Automobilanwendungen typische Signalkonditionierung sowie Wandler und Teile der elektrischen Fehlersimulation. Beide I/O-Kartentypen sind beliebig kombinierbar und können sowohl in kleinen Komponententestern als auch in großen Verbundtestsystemen zum Einsatz kommen. Die Integration von Signalkonditionierung und Fehlersimulation reduziert die interne Verdrahtung, vereinfacht die Aufbautechnik und erhöht somit auch die einfache Wiederverwendbarkeit.

HighFlex-I/O-Karten

Die Besonderheiten der HighFlex-I/O-Karten sind ihre Flexibilität und Leistungsfähigkeit. Die Signalgenerierungs- und -vermessungskarten realisieren jeweils 10 galvanisch getrennte Kanäle, die pro Kanal mehrere per Software auswählbare physikalische Interfaces (zum Beispiel digital, analog, Widerstandssimulation) bereitstellen. Die Bus-Karte verfügt über vier galvanisch getrennte Bus-Kanäle, die sich per Software als CAN-, LIN-, FlexRay- oder UART-Kanal konfigurieren lassen und die nötigen Transceiver sowie Terminierungen vorhalten. Demnach muss bei der Simulatorprojektierung mit HighFlex-I/O-Karten, lediglich die Anzahl und nicht mehr die Art der Kanäle berücksichtigt werden. Das tatsächlich verwendete physikalische Interface wird per Software konfiguriert und ist beliebig oft veränderbar. Daraus ergibt sich ein sehr hohes Maß an Flexibilität und Wiederverwendbarkeit.

MultiCompact-I/O-Einheit

Im Gegensatz dazu sind die Besonderheiten der MultiCompact-I/O-Einheit ihre hohe Anzahl an Kanälen, die besondere Kanaldichte sowie der günstige Preis pro Kanal. Die derzeit erhältliche MultiCompact-I/O-Einheit ist speziell für Antriebsstrang- und Fahrdynamik-Anwendungen ausgelegt, besitzt in Summe über 150 Kanäle und ist als Einheit galvanisch getrennt. Zugunsten der Kompaktheit verbaute dSPACE hier weitgehend dedizierte statt multifunktionale Kanäle.

Aufbaukonzept

Das Aufbaukonzept von Scalexio führt ebenfalls zu einer deutlichen Effizienzsteigerung. Durch Verwendung von möglichst vielen Off-the-Shelf-Komponenten und eine einfache, standardisierte zehnkanalige Verdrahtung reduziert sich der Aufwand für Konfiguration, Aufbau, Test und Dokumentation eines Simulators erheblich. Alle Systemkomponenten wie Echtzeitrechner, HighFlex-I/O-Baugruppenträger (mit IOCNET-Anschluss), MultiCompact-I/O-Einheit und Batteriesimulationsnetzteil befinden sich in bewährten 19-Zoll-Schränken (Bild 1). Zusammen mit der Multifunktionalität und der bereits integrierten Signalkonditionierung/Fehlersimulation der HighFlex-I/O-Karten beschränkt die Kombination der vollständigen Software-Konfigurierbarkeit den Umbau eines Simulators oftmals auf das Tauschen eines externen Kabelbaums.

Konfigurationssoftware

Bild 2: ConfigurationDesk unterstützt die flexible Arbeitsweise mit Scalexio.

Bild 2: ConfigurationDesk unterstützt die flexible Arbeitsweise mit Scalexio.dSPACE

Den Zugang zu den vielfältigen Konfigurationsmöglichkeiten der Scalexio-Hardware ermöglicht das neue Werkzeug ConfigurationDesk, wobei der Konfigurationsprozess sich grob in drei Abschnitte unterteilt: Beschreibung der extern angeschlossenen Geräte (zum Beispiel Steuergeräte, Echtlasten), Auswahl der I/O-Funktionen für jedes Signal und die Verknüpfung der I/O-Funktionen mit dem Streckenmodell. Die Konfigurationsreihenfolge ist hierbei beliebig und erfolgt über eine Drei-Spalten-Darstellung (Bild 2). Wird der vollständige Konfigurationsprozess durchlaufen, dann existiert auch gleichzeitig eine Dokumentation des gesamten Signalpfads vom Steuergeräte-Pin über den externen Kabelbaum, den Übergabestecker-Pin, den internen Kabelbaum und die I/O Funktion bis hin zur Modellvariable. Daraus resultiert eine permanente Nachvollziehbarkeit der genutzten Systemkonfiguration (auch zu Dokumentationszwecken im Sinne der ISO 26262).

Eine Trennung von I/O-Konfiguration und Modellierung erhöht Modularität und Wiederverwendbarkeit der einzelnen Konfigurationselemente und unterstützt durch den geänderten Arbeitsablauf das parallele Arbeiten an verschiedenen Aufgaben. Außerdem lässt sich viel Zeit sparen, wenn beispielsweise bei Änderungen an der I/O-Konfiguration nur neuer Code für den I/O-Anteil, aber nicht mehr für die Streckenmodellierung generiert wird. In Form von Bibliotheken steht eine Vielzahl an IO-Funktionen zur Verfügung: von einfachen Digital-/PWM-Funktionen über die Simulation von Wheelspeed-Signalen bis zu komplexen winkelbasierten Motorfunktionen wie Einspritzvermessung oder Simulation von Kurbelwellensignalen und Klopf- oder Lambda-Sensoren. Darüber hinaus existieren Funktionen für die wichtigsten Bus-Systeme wie CAN, LIN, FlexRay und UART. Weitere I/O-Funktionen können wegen der Programmierbarkeit der Karten jederzeit nachgelegt werden.

Die Konfiguration dieser IO-Funktionen findet auf einer abstrakten, logischen Ebene statt und nicht auf einem konkreten Hardware-Kanal. Dies ermöglicht beispielsweise das nachträgliche Zuordnen der Funktionalität auf eine andere I/O-Karte oder sogar die Nutzung mehrerer physikalischer Kanäle, wenn die Strom-/Spannungsbelastbarkeit eines Signals erhöht werden muss. Dieses abstrakte Konfigurationsniveau erlaubt auch eine virtuelle Projektierung, während der HiL-Hardware-Aufbau noch entsteht, so dass die Ingenieure schon sehr früh im Projekt mit der Konfigurationsarbeit beginnen können. Aus ConfigurationDesk heraus wird außerdem der (inkrementelle) Build-Prozess angestoßen, so dass als Ergebnis eine lauffähige Echtzeitapplikation entsteht, die direkt auf den HiL-Simulator geladen werden kann.

Weitere Software

Neben ConfigurationDesk steht die bekannte dSPACE Software-Landschaft zur Verfügung: ControlDesk Next Generation zur Instrumentierung, AutomationDesk zur Testerstellung und Testautomatisierung, Real-Time Testing für die taktsynchrone Ausführung von Echtzeit-Testskripten, MotionDesk zur Visualisierung, ModelDesk zur grafischen Modellparametrierung, Automotive Simulation Models für Echtzeit-Simulationsmodelle, CAN-und LIN-MultiMessage-Blocksets sowie FlexRay Configuration Package für die Restbussimulation.