Messtechnik: Wie modulare Instrumente helfen, teure Fahrzeug-Hardware zu simulieren

| Autor / Redakteur: Arthur Pini und Greg Tate * / Hendrik Härter

Mobiles Testsystem: Ein tragbarer Computer ist das Herzstück für zwei PCIe-basierte Digitizer. Solche Messinstrumente sind ideal geeignet, um an Fahrzeugen zu messen und zu prüfen.
Mobiles Testsystem: Ein tragbarer Computer ist das Herzstück für zwei PCIe-basierte Digitizer. Solche Messinstrumente sind ideal geeignet, um an Fahrzeugen zu messen und zu prüfen. (Bild: Spectrum Instrumentation)

Modulare Messtechnik unterstützt Fahrzeugentwickler, die am Fahrzeug messen und prüfen. Dabei helfen Arbitrary-Waveform-Generatoren (AWG) dabei, fehlende oder auch teure Hardware zu simulieren.

Moderne Fahrzeuge verfügen über ganz unterschiedliche Elektroniksysteme und Subsysteme, die aus Mikroprozessoren, Wandlern, Aktuatoren und Schaltern bestehen. Diese Systeme umfassen unter anderem grundlegende Motorsteuerungen, Umweltsteuerungen, Fahrerassistenzsysteme, Instrumentengruppen und Unterhaltungselektronik. Der hohe Grad an Komplexität der miteinander in Beziehung stehenden Systeme erfordert sehr flexible Testinstrumente, die schnell rekonfiguriert werden können: viele Kanäle, variierende Bandbreiten, erhöhte Auflösungen und längere Datensätze. Hier bieten sich modulare Digitizer und modulare Signalgeneratoren an.

Dank modularer Instrumente lässt sich die Größe traditioneller Messgeräte reduzieren, so dass sie auf eine Platine passen. Mehrere solcher Karten können in ein System mit einer gemeinsamen Computerschnittstelle, Stromversorgung und Verbindungen eingefügt werden. Modulare Instrumentensysteme können Computer sein mit Standard-PCIe-Schnittstelle, PXI-Schnittstelle oder LXI-basierte Stand-alone-Geräte. Meist kommen mehrere Karten zum Einsatz und werden vom Techniker zu einem fertigen System konfiguriert. Das System kann mehrere Karten, einzelne Karten mit mehreren Kanälen oder eine Kombination von beiden enthalten.

Eine Auswahl an Bussen in der Automobilindustrie

Auf dem Bild links ist ein tragbarer Computer abgebildet, der mit zwei modularen PCIe-Digitizerkarten ausgestattet ist. Das kompakte, in sich abgeschlossene System kann innerhalb eines Fahrzeugs verwendet werden und misst 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 die digitizerNETBOX sind mobil oder lassen sich für die Laborinstallation verwenden. Sie bieten zudem eine große Anzahl an Kanälen und können mit einem Laptop oder Computer im Netzwerk ferngesteuert werden.

Die Basis für elektronische Subsysteme in einem Fahrzeug ist der Mikroprozessor. Das Bild 1 zeigt ein Blockschaltbild eines generischen Automotive-Mikroprozessors. Solche Prozessoren unterscheiden sich von Standard-Mikroprozessoren durch höhere Umgebungs- und Zuverlässigkeitsstandards sowie durch spezielle Busse und Schnittstellen wie CAN, LIN und PSI 5. Über diese Schnittstellen kann der Mikroprozessor mit anderen Prozessoren, Wandlern und Aktuatoren kommunizieren. Der CAN-Bus (Controller Area Network) ist der ausgereifteste von den hier erwähnten Datenbussen und bildet das Rückgrat vieler Datenverbindungen in der Automobilindustrie. In seiner Grundform tauscht er Daten von 20 kBit/s bis 1 MBit/s über zwei Leitungen aus und nutzt dazu eine differentielle Signalisierung mit 8-Byte-Datenpaketen.

In der aktuellen Version CAN Flexible Data (CAN FD) wird der Dateninhalt auf 64-Byte-Pakete angehoben, die mit bis zu 12 MBit/s ausgetauscht werden. Der LIN-Bus (Local Interconnect Network) ist ein kostengünstiger Bus. Er arbeitet über eine einzige Leitung mit bis zu 20 kBit/s mit Datenpaketen von zwei, vier oder acht Byte. Die Schnittstelle PSI 5 verbindet mehrere 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.

Der Einsatz modularer Digitizer im Fahrzeug

Die am häufigsten verwendeten modularen Instrumente sind Digitizer. Hierbei handelt es sich um ein Erfassungsgerät, das analoge Wellenformen aufnimmt, diese abtastet und durch Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) digitalisiert und dann die digitalen Abtastwerte an einen Puffer sendet. Hier werden sie gespeichert, bevor sie von einem Computer verarbeitet werden.

Hersteller von Digitizern wie Spectrum Instrumentation bieten Digitizerkarten mit Auflösungen des A/D-Wandlers von 8 bis 16 Bit an, analogen Bandbreiten bis 1,5 GHz und Abtastraten von bis zu 5 GS/s, wobei die Karten 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. Solche 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 dazuzugehörigen Operationen entsprechen. Eine wichtige Aufgabe ist es, die CAN-Bus-Schnittstelle zu überwachen: 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 Bild 2 gezeigt. Die Messwerte werden mit der Software SBench 6 erfasst. Sie analysiert die Schnittstelle.

Die Amplitude und das Timing des Signals können verifiziert werden, um den CANbus-Standard einzuhalten. 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 Wellenformdaten 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.

Der Einsatz 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) erzeugt fast jede Wellenform und simuliert eine signalgebende Komponente. 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 gesendet und dann mit einer geeigneten Filterung und Signalaufbereitung als analoge Wellenform ausgegeben.

Für eine Simulation mit einem AWG muss 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. Das kann beispielsweise mit mehreren Signalgeneratoren und einer Art Umschaltung umgesetzt werden.

Es geht auch effizienter: So bietet beispielsweise die Serie M4i.66xx die Möglichkeit, zwischen den Wellenformen in Echtzeit zu wechseln, wodurch auch die Zeit zum Nachladen verschiedener Wellenformen entfällt. Der Wellenformspeicher des AWGs ist segmentiert. Es lässt sich jede Wellenform, die für einen Test benötigt wird, speichern. Und zwar jedes in seinem eigenen Segment. Der AWG durchläuft die Wellenformen mithilfe eines Computers, 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. Mit dem Sequenzmodusbetrieb lässt sich die Testsequenz basierend auf einem Testergebnis adaptiv abändern.

Ein Paket des Typs PSI5 und die erforderlichen Signale

Ein AWG lässt sich dazu verwenden, um einen PSI5-Wandler zu ersetzen, der eine programmierbare Reihe von Ausgangscodes erzeugt. Der Bus des PSI5 verwendet die Manchester-Codierung, bei der immer ein Übergang in der Mitte jeder Bitperiode platziert wird. Abhängig von der zu übertragenden Information kann es 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. Die garantierten Übergänge erlauben es, dass das Signal selbsttaktend ist. Um ein Paket des Typs PSI5 zu erzeugen, sind drei Signalsegmente erforderlich (Bild 3). Eine logische 1 (Segment 1) ist der Übergang von High nach Low. Eine logische 0 (Segment 0) der Übergang von Low nach High. Der Grundpegel (Segment 2) wird durch eine Gleichspannung mit 0 V dargestellt.

Werden beispielsweise drei Wellenformen definiert, die auf den drei Segmenten beruhen, lässt sich eine beliebige Kombination von Datenmustern synthetisieren. Durch Umstellen der Reihenfolge der drei Segmente lässt sich also der Inhalt des Pakets verändern. Beispielsweise können vier verschiedene PSI5-Pakete, die jeweils aus den drei Segmenten bestehen, jeweils ganz unterschiedliche Dateninhalte haben. Die Segmente werden 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. Anschließend werden die Pakete durch ein Grundliniensignal getrennt, das mehr als zwei Bittaktperioden dauert. Mithilfe eines speziellen Skripts, das in Matlab geschrieben worden ist, kann der AWG gesteuert werden.

Die Reihenfolge und Bereitstellung von Betriebsspannungen

Ein weiteres wichtiges Thema im Fahrzeug ist die richtige Reihenfolge und Bereitstellung der Betriebsspannungen beim Starten. Die Computersysteme benötigen im allgemeinen mehrere Versorgungsspannungen wie für Mikroprozessoren, 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. Sogenannte 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 acht Eingängen ein ideales Instrument, um das System zu überwachen. Da die Einschalt- und Ausschaltvorgänge beim Fahrzeug in der Größenordnung von Millisekunden liegen, werden außerdem große Erfassungsspeicher benötigt. Das Bild 6 zeigt ein einfaches Beispiel für die Messung der Leistungssequenz. Drei Versorgungsspannungen werden überwacht: 5 und 3,3 sowie 1,8 V. Die Spannungspegel sollten gleichförmig und in der gewünschten Reihenfolge ansteigen. Im Beispiel wird die 5-Volt-Versorgung zuerst aktiviert, gefolgt von den Leitungen mit 3,3 und 1,8 V. Die Zeitverzögerung kann wie im Bild gezeigt mit dem Cursor gemessen werden, wobei die Zeitverzögerung zwischen dem Bus bei einer Spannung von 5 und 3,3 V und mit 35,5 μs gemessen wird.

Wie der Digitizer die Mechanik des Fahrzeugs misst

Mit geeigneten Wandlern können Digitizer auch mechanische Messungen durchführen. Das Bild 7 zeigt eine Reihe von mechanischen Messungen an einem Ventilator. Der Bildschirm der Messsoftware SBench 6 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 lässt sich über analoge Kanaleinstellungen einrichten, 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.

Vibrationen und Akustik an einem Lüfter analysieren

Im Bild 7 ist die Messung von Vibration und Akustik an einem Lüfter mithilfe von Tachometer, Beschleunigungssensor und Mikrophon dargestellt. 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.

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* Arthur Pini ist ein unabhängiger Berater. Greg Tate ist Asian Business Manager bei Spectrum Instrumentation.

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