ifak Magdeburg Auf den Zahn gefühlt

Redakteur: Jan Vollmuth

Eine gezielte Bewertung von Funklösungen erfordert neben dem einheitlichen Verständnis der Kenngrößen deren einheitliche, methodische und reproduzierbare Ermittlung. Das Konzept und

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( Archiv: Vogel Business Media )

Eine gezielte Bewertung von Funklösungen erfordert neben dem einheitlichen Verständnis der Kenngrößen deren einheitliche, methodische und reproduzierbare Ermittlung. Das Konzept und die erforderlichen Komponenten eines solchen Funk-Transfer-Testers wird derzeit am ifak Magdeburg entwickelt. Das Testsystem soll weitgehend automatisch arbeiten.

Lutz Rauchhaupt, André Gnad, Marko Krätzig*

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Die drahtlose Kommunikation hält zunehmend Einzug in die industrielle Automatisierung [4]. Um die teilweise noch vorhandenen Vorbehalte abzubauen, werden Messungen durchgeführt, die die Zuverlässigkeit der Systeme nachweisen sollen. Dabei sind Kenngrößen wie Übertragungszeit, Zykluszeit und Paketverlustrate aussagefähiger als Datenübertragungsraten oder Bitfehlerwahrscheinlichkeiten [2]. Für eine gezielte Bewertung von Funklösungen ist neben dem einheitlichen Verständnis der Kenngrößen, die u.a. in der VDI/VDE-Richtlinie 2185 [3] definiert sind, eine einheitliche, methodische und reproduzierbare Ermittlung dieser Kenngrößen Voraussetzung. Die Autoren entwickeln in einem aktuellen Projekt eine solche Methodik und arbeiten an einer Implementierung, die einen weit gehend automatischen Testablauf ermöglicht.

Das Konzept des Testsystems leitet sich aus der Position der drahtlosen Kommunikation im Automatisierungssystem ab [2]. Drei Kategorien spielen dabei eine wesentliche Rolle: Kommunikationsschnittstelle, Kenngröße, Einflussgröße. Da es keine einheitliche Schnittstelle für Funklösungen der Automatisierungstechnik gibt, muss unbedingt eine Schnittstelle angegeben werden, auf die sich die Kenngrößen beziehen. In der Regel handelt es sich dabei um die Schnittstelle, auf der eine Automatisierungsapplikation aufsetzen soll.

Das Testsystem muss die Kenngrößen berücksichtigen

Zur Bewertung werden die Werte der Kenngrößen herangezogen, etwa Mittelwerte und Spannweiten. Bei einer Funkübertragung müssen die Werte der verschiedenen Einflussgrößen angegeben werden. Sie werden bestimmt durch:

• System- und Geräteparameter (z.B. Topologie, Sendeleistung),

• Umgebungsbedingungen (z.B. Einsatzumfeld, andere Frequenznutzer)

• Anwendungsparameter (z.B. Paketlänge, Anwendungszyklus)

Für das Konzept waren die genannten Kategorien zu berücksichtigen. Wegen der räumlichen Verteilung des zu testenden Systems (SUT) wurde eine verteilte Architektur für das Testsystem gewählt, bestehend aus Testsystem-Client und Testsystem-Server (Bild 1). Der Testsystem-Client bietet eine Anwenderschnittstelle (GUI) und verwaltet das Testprojekt. Der Testsystem-Server liest und analysiert die Testfallbeschreibungen, die in XML beschrieben werden. Die Testfallbeschreibungen enthalten alle Parameter zur Konfiguration des Testsystems bzw. des Testablaufes, der Testanwendung und des zu testenden Systems (SUT) bzw. dessen Komponenten (DUT).

Multifunktions-Interface als einheitliche Schnittstelle

Um den universellen Einsatz des Testsystems zu ermöglichen, muss die Verbindung zu den Funkkomponenten über eine Standardschnittstelle erfolgen. Funkkomponenten verfügen meist über UARTs oder RS232-Schnittstellen. Manchmal stehen weitere Schnittstellen bereit, z.B. SPI, I2C, USB oder ein Feldbusanschluss (CAN, PROFIBUS) für die Integration in Automatisierungssysteme. Ein universelles Testsystem sollte alle genannten Schnittstellen unterstützen.

Als einheitliche Schnittstelle für die Integration der Funkkomponenten in das Testsystem wurde USB ausgewählt, da sie in allen neuen PCs Standard ist und eine hohe Datenrate bietet. Zudem können die Funkkomponenten über zwei zusätzliche Adern in der USB-Leitung mit elektrischer Energie versorgt werden.

Die zu testenden Funkkomponenten werden über ein Multifunktions-Interface (Multiface) mit der USB-Schnittstelle verbunden [1]. Das Multiface (Bild 2) besteht im Wesentlichen aus einem FPGA, einem USB-Controller, Treiberbausteinen für die Schnittstellen sowie diversen Komponenten für die interne und externe Stromversorgung.

Mithilfe des frei programmierbaren FPGAs werden die zu testenden Funkkomponenten in die Testumgebung integriert, unter Berücksichtigung der speziellen Eigenschaften der jeweiligen Schnittstelle. Da bereits vor dem Test feststeht, welche Schnittstelle genutzt werden soll, muss das Multiface nicht alle Schnittstellen gleichzeitig unterstützen. Das Multiface wird aus diesem Grund vor einer Messung mittels PC auf die gewünschte Schnittstelle eingestellt. Der Vorteil: Da weniger logische Zellen im FPGA benötigt werden, kann auf einen strom-, flächen- und kostensparenden FPGA zurückgegriffen werden. Die Konfiguration des FPGA erfolgt durch den USB-Controller.

Der USB-Controller wertet die Steuerkommandos aus

In einer ersten Implementierung wurden Funkmodule mit RS232-Schnittstelle in die Testumgebung integriert. Der Testablauf wurde von einem PC aus gesteuert. Die zu diesem Zweck entwickelte Software gibt die Steuerkommandos über den USB an das Multiface weiter. Der USB-Controller ist über acht Daten-, drei Adress- und vier Steuerleitungen (WR, RD, INT, APP_CYCLE) mit dem FPGA verbunden (Bild 3). Er wertet die Steuerkommandos aus und speichert die Konfigurationsparameter zwischen. Dabei werden die Leitungen WR und RD für das Schreiben und Lesen der Konfigurationsdaten bzw. der zu sendenden oder empfangenden Telegramme verwendet. Das Signal INT löst im Empfangsmodus bei jedem empfangenen Paket einen Interrupt im USB-Controller aus, die dort gezählt werden. Der Wert dient zum Ermitteln der Paketverlustrate und der jeweiligen Zykluszeit.

Im Sendemodus triggert ein Timer auf dem USB-Controller über die Leitung APP_CYCLE das Senden der vorkonfigurierten Pakete durch den FPGA. Die im USB-Controller ermittelten Werte der Kenngrößen (z.B. Übertragungszeit, Zykluszeit) werden von der PC-Software ausgelesen und anderen Anwendungen zum Auswerten zur Verfügung gestellt.

Der Funk-Transfer-Tester befindet sich derzeit in der Testphase. Wesentliche Softwarekomponenten sind implementiert, die XML-Schemata und ausgewählte Testfallbeschreibungen in XML liegen vor. Zur Validierung des Testkonzeptes wurden Tests mit verschiedenen Funklösungen durchgeführt. Dabei wurden zusätzliche Funktionen in das Testsystem integriert, z.B. ein Spektrumanalysator. Schwerpunkt der weiteren Arbeiten ist die Umsetzung möglichst durchgängig automatisierter Tests. Dies erfordert weitere Implementierungen.

Das Funk-Transfer-Testerkonzept lässt sich vielfältig anwenden: So sollen im nächsten Schritt Grenzwerte von Einflussgrößen ermittelt werden, auf dessen Basis eine Klassifizierung von Einflussgrößen-Tupel zur Ableitung applikationsbezogener Normtests vorgenommen werden kann.

Institut f. Automation u. Kommunikation e. V. Magdeburg, Tel. +49(0)39203 81067

*Lutz Rauchhaupt, André Gnad und Marko Krätzig arbeiten am Institut f. Automation u. Kommunikation e. V. Magdeburg

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