Eckdaten

Für das autonome Fahren und die Vernetzung von Fahrzeugen werden schnelle Datennetze und die Verarbeitung großer Datenmengen der Sensor- und Verkehrsdaten in Echtzeit benötigt. Um höchste Sicherheit gewähren zu können, sind umfangreiche Tests und Simulationen erforderlich. Die Systemarchitektur der Gehäuse- und Schaltschranklösungen muss diesen hohen Anforderungen ebenfalls gerecht werden. PXI-Express-Systeme bieten hier eine gute Plattform.

Schematischer Aufbau eines PXI-Express-Chassis

Schematischer Aufbau eines PXI-Express-Chassis Nvent Schroff

Die Rückansicht des PXI-Express-Systems.

Die Rückansicht des PXI-Express-Systems. Nvent Schroff

Die Frontansicht des PXI-Express-Systems.

Die Frontansicht des PXI-Express-Systems. Nvent Schroff

Höchste Sicherheit und Zuverlässigkeit sind unabdingbare Voraussetzungen für das autonome Fahren. Große Datenmengen müssen erfasst, in kurzer Zeit weitergegeben und verarbeitet werden. Dadurch entwickeln sich entsprechende Mess- und Testsysteme zu hochkomplexen IT-Systemen.

Große Herausforderungen sind hierbei die ausreichende Bandbreite, um all diese Sensordaten zu speichern und zu verarbeiten, sowie die Datenübertragungsgeschwindigkeit dieser Gesamtdatenmenge. Dies betrifft sowohl die Fahrzeugentwicklung und Simulation von Abläufen als auch den realen Fahrbetrieb. Anspruchsvolle Onboard-Infotainment-Systeme, drahtlose Kommunikation über LTE und Wi-Fi sowie Sicherheitssysteme wie Fahrzeugradar und Zielsimulationen stellen Prüf- und Messsysteme vor neue Aufgaben.

Sensordaten sammeln und auswerten

Bevor die Testfahrzeuge auf die Straße kommen, werden umfangreiche Simulationen durchgeführt, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Software zu gewährleisten. Dadurch können Fehler frühzeitig erkannt und behoben werden. Außerdem verkürzt sich die Entwicklungszeit und es wird verhindert, dass Prototypen, die noch nicht sicher sind, am Straßenverkehr teilnehmen.

Bei den Testfahrten werden alle Sensordaten aufgezeichnet und gespeichert, um diese später in die Simulation einzuspielen. Noch vorhandene Softwarefehler können so leicht festgestellt und korrigiert werden. In der anschließenden Simulation lässt sich überprüfen, ob die Korrekturen die gewünschte Reaktion zeigen. Solche Speichersysteme müssen in robuste, aber dennoch kompakte Gehäuse eingebaut werden, die in Aufnahmerahmen im Testfahrzeug verkehrssicher untergebracht und leicht austauschbar sind.

Im nächsten Schritt werden Prototypen auf der Straße unter realen Bedingungen getestet. Die eingebauten Testsysteme messen alle Sensordaten gleichzeitig. Das Stichwort lautet Sensorfusion. Signale von mehreren Sensoren, zum Beispiel Radar-, Kamera-, Lidar-, Video- und Lasersensoren, müssen beim autonomen Fahren erfasst, verknüpft und dem Fahrzeug synchron und in Echtzeit zur Verfügung gestellt werden. Die hierfür notwendigen Testsysteme werden im Auto eingebaut und sollten daher möglichst klein sein, aber trotzdem alle Sensordaten verarbeiten können. Für eine platzsparende und kompakte Systemlösung wird auch ein kompakter, sehr leistungsfähiger Systemcontroller benötigt.

Steigende Anforderung an Systemarchitektur und Mechanik

Das autonome Fahren stellt nicht nur höhere Anforderungen an die hier definierten Simulations-, Test- und Messaufgaben, sondern wirkt sich auch auf die Gehäuse- und Schranklösungen der Testsysteme aus. Das betrifft zum einen die Systemarchitektur mit Faktoren wie hoher Rechenleistung, schneller Datenübertragung und präziser Synchronisation der einzelnen Komponenten (Clock- und Triggerfunktionen) sowie zum anderen die mechanischen Eigenschaften der Testsysteme. Entwickler müssen sich Gedanken machen über Eigenschaften wie verbesserte EMV-Abschirmung, überlegene Signalintegrität, verbesserte Kühlung sowie geeignete Konfigurationen und plattformbasierende Entwicklungen für die Modularität der Test- und Messsysteme.

Speziell für Simulationen zum autonomen Fahren sowie in Testständen für Funktionstests oder bei produktionsbegleitenden Produkttests eignen sich PXI-Express-Systeme mit ihrem hohen Datendurchsatz und präzisen Clock- und Triggersignalen zur Synchronisation der Funktionen besonders gut. Außerdem lassen sich so aufgebaute Geräte leicht in IIoT-Netzwerke integrieren und bieten genügend Datenbandbreite, um die Testgeräte mit der übrigen Produktionslinie zu verbinden und zu synchronisieren. Zusätzlich werden detaillierte Daten für das Qualitätsmanagement sowie die Dokumentation übertragen.

Systemarchitektur für steigende Anforderungen

PXI Express ist eine Aktualisierung der offenen PXI-Plattform und stellt den heutzutage üblichen seriellen PCI-Express-Bus zur Verfügung. PXI Express basiert auf dem 19-Zoll-Formfaktor und bietet eine Abwärtskompatibilität zu PXI und damit den Zugriff auf eine Vielzahl dedizierter Mess- und Testkarten. PXI Express unterstützt mit PCIe Gen3 und bis zu x16 Links eine Systembandbreite von bis zu 24 GB/s für die Akquise und Auswertung von Simulations- und Messdaten.

Darüber hinaus bietet PXI Express neben der erhöhten Systembandbreite mehr Leistung pro Slot und erweitertes Timing sowie mehr Trigger-Funktionalität durch einen dedizierten und synchronisierten 100-MHz-Differenzialtakt. Damit wird die Synchronisation von Messdaten unterstützt. Bei Messsystemen mit mehr als vier Slots wird der PCI-Express-Bus über einen oder mehrere PCI Express Switches erweitert. Um im Chassis neben den PXI-Express-Karten auch die älteren PXI-Karten am parallelen 32-Bit-PCI-Bus zu betreiben, ist eine PCIe-to-PCI-Bridge notwendig. Compact-PCI, PXI-Karten sowie Compact-PCI Express lassen sich ebenfalls über entsprechende Hybridslots in das System integrieren.

In der Regel ist ein PXI-Express-System in zwei Bereiche gegliedert. Ein Bereich umfasst die Einsteckkarten (Prozessorkarten, Messkarten, IO-Karten etc.), die anwendungsspezifisch zusammengestellt die eigentlichen Zielfunktionen des Systems abbilden. Der andere Bereich, das PXI-Express-Chassis, stellt die für den Betrieb der Einsteckkarten notwendige Infrastruktur wie das mechanische Gehäuse, die Backplane, Kühlung und Stromversorgung bereit.

Hersteller von Prüfgeräten erwarten heutzutage ein hohes Maß an Flexibilität, wenn es um das Design und die technischen Eigenschaften ihrer Produkte geht. Besonders geeignet sind daher Gehäuselösungen wie das PXI-Express-Chassis von Nvent Schroff , das modular auf der Ratiopac-Pro-Gehäuseplattform aufgebaut ist und nur geringe Anpassungen für verschiedene Einsatzbereiche erfordert. Soll das PXIe-System in einen Elektronikschrank eingebaut werden, kann dieselbe Elektronik in eine modulare Baugruppenträgermechanik eingebaut werden. Als geeignete Produktplattform bietet Nvent Schroff hier zum Beispiel Europac Pro an.

Backplane: passiv und modular

Der PXIe-Standard sieht viele der aktiven Funktionen wie Switches, Bridges oder eine Clock-Umschaltung beziehungsweise -Generierung im Gehäuse vor. Diese aktiven Komponenten sind bei einer Vielzahl derzeit auf dem Markt erhältlichen Systemen direkt auf der Backplane integriert. Änderungen und Anpassungen gestalten sich dadurch sehr aufwendig.

Nvent hat diese Problematik anders gelöst. Um eine schnelle Anpassbarkeit zu gewährleisten, ist die Backplane so passiv wie möglich gestaltet und die PCI-Bridge-, PCIe-Switch- und Clock-Funktionen sind als separate Module ausgeführt und auf der Rückseite der Backplane zwischen oder über den Slots angeordnet. Dadurch ist im Vergleich zu Backplanes, die diese Funktionen integriert haben, ein kompakterer Aufbau möglich. Durch das modulare Konzept können Standardkomponenten eingesetzt und jede Konfiguration einer PXI Express Backplane einfach realisiert werden. Durch die Entkopplung der aktiven Schalteinheiten auf den Modulen reduziert sich zudem die EMV-Immission. Außerdem verkürzt sich die Entwicklungszeit der Backplane, da sie auf die Signalführung beschränkt ist.

Themen der nächsten Seite sind Kühlung, Stromversorgung und Hardwaremanagement.

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