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Mit Emulationstests vernetzte Fahrzeuge entwickeln

| Autor / Redakteur: Hwee-Yng Yeo * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Dank Emulationstests lassen sich komplexe Funktionen bei V2X-Anwendungen in der Designphase untersuchen. Damit entfallen teure Testaufbauten und Entwickler erschaffen reale Testszenarien.

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Vernetzte Fahrzeuge: Mit der Emulation lassen sich komplexe Testszenarien mit Hardware in einer frühen Designphase des Fahrzeugs simulieren.
Vernetzte Fahrzeuge: Mit der Emulation lassen sich komplexe Testszenarien mit Hardware in einer frühen Designphase des Fahrzeugs simulieren.
(Bild: © Andrew Derr - stock.adobe.com )

Moderne Fahrzeuge sind randvoll mit Elektronik für ganz unterschiedliche Sicherheits- und Komfortfunktionen. Diese können sowohl an Bord als auch für die Kommunikation mit verschiedenen V2X-Anwendungen (Vehicle-to-Anything) sein.

Schnell stellt sich bei einem Entwickler die Frage: Welchen Nutzen haben die Emulationstests für mich? Für die sicherheitsrelevanten Fahrerassistenzsysteme (ADAS) erfolgt die drahtlose Anbindung für V2X-Anwendungen mit einer niedrigen Latenzzeit. Sie ist zwingend notwendig, damit die Sicherheitsfunktionen bei einer Gefahr schnell auslösen können.

Die Fahrzeughersteller können sich bei den eingebauten V2X-Sicherheitssystemen nicht auf Straßentests verlassen, damit die Systeme problemlos auf der Straße funktionieren. Schon während der frühen Phase der Chipentwicklung ist es das Ziel der Automobilentwickler, fehlerfreie Funktionen zu gewährleisten, damit das Auto auf die Straße kommt. Hier helfen Emulationen. Sie versetzen Ingenieure in die Lage, ihre Entwürfe zu validieren, die Leistung der Sicherheitssysteme zu verifizieren und potenzielle Probleme früh zu erkennen.

Der Unterschied zwischen Emulatoren und Simulatoren

Emulatoren sind in der Lage, das Verhalten einer einzelnen Komponente oder eines Systems zu imitieren. Bevor wir über die verschiedenen Emulationsanwendungen sprechen, soll kurz der Unterschied zwischen Emulatoren und Simulatoren erklärt werden. In der Welt der Ingenieure werden diese beiden Wörter manchmal austauschbar verwendet, obwohl sie unterschiedlich definiert sind.

Simulation = schafft eine synthetische Umgebung, welche die Leistung des Chips in allen Zuständen testet. Emulation = verwendet Hardware, um die Leistung des Chips bei nahezu Echtzeit-Geschwindigkeiten zu simulieren. Die Hardware ermöglicht es dem Entwickler, diesen Prozess über die Möglichkeiten traditioneller Simulationssoftware hinaus zu beschleunigen.

Chips für Fahrzeuge schnell und flexibel designen

Ein Emulator ist ein System, welches das Verhalten eines anderen Systems identisch nachbilden kann. Spielkonsolen-Emulatoren sind gute Beispiele dafür: Sie können eine alte, nicht verfügbare oder beschädigte Konsole emulieren. Ein weiteres Beispiel sind die klassischen frühen Macintosh-Computer, welche die Fans auf MacOS-, Windows- und Linux-Plattformen emulieren können. In der Vergangenheit war die Technik für Emulationen kostspielig und umständlich.

Es dauerte Tage, bis die Einrichtung abgeschlossen war und die Tests beginnen konnten. Mit dem Einzug von besserer Hardware und Fortschritte bei den Software-Fähigkeiten sind die Entwickler heute in der Lage, die notwendigen Testparameter schnell anzupassen, um verschiedene Testszenarien zu emulieren. Um beispielsweise das Konzept des vernetzten Fahrzeugs zu ermöglichen, werden Emulatoren für 5G- und Over-the-Air-Anwendungen (OTA) verwendet und zu testen, damit sie später in ADAS-Systemen und autonomen Fahrfunktionen verwendet werden können.

Chip-Designs verifizieren mit Emulatoren

Das Wachstum des Umsatzes der Automobil-Halbleiterindustrie im Jahr 2018 fast 42 Mrd. US-Dollar und soll bis 2025 auf wahrscheinlich 65,5 Mrd. US-Dollar ansteigen. Der Halbleiteranteil pro Auto wird sich Schätzungen zufolge von 312 US-Dollar auf 652 US-Dollar im Jahr 2025 verdoppeln. Traditionell waren die Chiphersteller in der Computerindustrie unterwegs. Jetzt befassen sich sich mit Chips für Sensor-, Wireless- und Power-Management im vernetzten Fahrzeug.

Emulatoren zur Verifikation des Chip-Designs haben in den letzten zehn Jahren erheblich zugenommen, da Entwickler die Emulatoren in ihren EDA-Prozessen (Electronic Design Automation) einsetzen. Die Hersteller von Fahrzeug-ICs müssen sich an Standards für die funktionale Sicherheit halten. Dazu gehört beispielsweise die ISO 26262. Enthalten sind Tests für die folgenden Fehler:

  • Wiederholbare, systematische Ausfälle und
  • zufällige Ausfälle durch Umwelteinflüsse wie Hitze und Vibrationen.

Mit der Verbreitung des SoC-Designs (System-on-Chip) für Embedded-Software hat die Emulation als Mittel zur Chip-Verifikation entsprechend zugenommen. Emulationssysteme sind jetzt leistungsfähiger und erschwinglicher. Sie sind jetzt ein wichtiger Teil der Design- und Teststrategie.

Die Emulation am Beispiel C-V2X und e-Call

Verschiedene Testszenarien sind notwendig, um bei einer steigenden Testkomplexität alle Standards zu untersuchen.
Verschiedene Testszenarien sind notwendig, um bei einer steigenden Testkomplexität alle Standards zu untersuchen.
(Bild: Keysight Technologies )

Die C-V2X-Technik (Cellular Vehicle-to-Everything) entwickelt sich schnell. Damit einher gehen aber auch komplexere Funktionstests und die Verifizierung von Designs. Ein Fahrzeug in einer frühen Designphase auf der Straße zu testen ist nicht nur unpraktisch, sondern auch gefährlich. Funktionen wie GPS, das Verhalten des Fahrzeugs auf andere Verkehrsteilnehmer oder auf das Umfeld sind komplex und lässt sich kaum messen.

Mit der Emulation lässt sich das Design und die Funktion der verwendeten Systeme verifizieren und die tatsächlichen Abläufe der verbauten Komponenten in den komplexen C-V2X-Formeln während der Entwicklung simulieren. Hierzu gehört der Test unterschiedlicher Szenarien für die Kommunikation durch die Emulation von On-Board-Units (OBU), Roas Site Units (RSU) und Navigationssatelliten-Systemen (GNSS). Ein weiterer Vorteil ist, dass Entwickler dieselbe Anwendung einer Emulation anpassen können. Somit lassen sich Produkte für verschiedene Märkte testen, die jeweils ihre eigenen C-V2X-Kommunikationsprotokolle und -standards besitzen.

Ein weiteres Beispiel für den Einsatz von Emulatoren ist der Test von Fahrzeug-Notrufsystemen (e-Call). Hierzu verwenden Entwickler Laborgeräte, mit denen sich Komponenten emulieren lassen, welche wiederum die reale Umgebung ausmachen: das Auto, Satellitensysteme, Mobilfunknetze und öffentliche Notrufstellen. Unabhängig von regionalen Standards können die Entwickler die Konformität des e-Call-Systems mit den verschiedenen nationalen Normen und Protokollen direkt in ihrem Labor testen.

Mit emulierten Fahrversuchen Kosten einsparen

Mit dem Übergang der Kommunikationsplattformen von LTE zu 5G müssen sich die Automobilhersteller mit neuen Konformitätsstandards auseinandersetzen. Sie müssen sich auch darauf einstellen, dass autonomes Fahren in großem Stil umgesetzt wird. Technologie-Unternehmen wie Keysight haben mit ihrer 5G-Signalisierungs-Testplattform UXM eine Möglichkeit entwickelt, ein 5G-Netz zu emulieren.

Die umfangreiche Palette an HF-Ressourcen ermöglicht es, 5G-Kommunikationssysteme zu erstellen und zu testen, um eine schnelle Fehleranalyse und Fehlerbeseitigung für verschiedene zu testende Fahrzeuggeräte zu ermöglichen. Wenn es um neue Testmethoden geht, ist die Automobilindustrie eher konservativ. Die Priorität der Automobilhersteller ist es, potenzielle lebensbedrohliche Situationen oder Herstellungsfehler auszuschließen und damit auch die kostspieligen Rückrufaktionen zu vermeiden.

Verifikations- und Debug-Zykluszeiten senken

Die im Feld gewonnenen Daten sind Basis für virtuelle Testumgebungen.
Die im Feld gewonnenen Daten sind Basis für virtuelle Testumgebungen.
(Bild: Keysight Technologies )

Doch neue Testmethoden zu entwickeln ist teuer und eine umfassende Testabdeckung oftmals schwierig. Die Entwicklung und Herstellung von physischen Prototypen ist ein kostspieliger Teil des Entwicklungsprozesses. Durch den Einsatz von Emulatoren lassen sich die Verifikations- und Debug-Zykluszeiten senken und damit auch die Kosten für das Prototyping.

Emulatoren werden in zunehmendem Maße für Fahrversuche eingesetzt, wodurch der Aufwand für den Bau von Prüfständen und Vorrichtungen reduziert wird. Mit Angeboten wie das Virtual Drive Testing Toolset von Keysight sind die Fahrzeugbauer in der Lage, verschiedene Parameter zu erfassen und aufzuzeichnen. Dazu gehören beispielsweise:

  • Netzwerk-Einstellungen,
  • Signalisierung zum Fahrzeugmodul,
  • Rückmeldungen aus dem Fahrzeugmodul,
  • HF-Umgebung im und um das Auto herum, basierend auf Verkehr und Reflexionen von anderen Autos, Gebäuden und Bäumen sowie
  • Satellitensignale wie GPS, GLONASS, Galileo und BeiDou.

Hinzu kommen Felddaten, um virtuelle Testumgebungen zu erstellen. Im Labor emulierte HF-Netzwerkbedingungen können dabei helfen, Probleme zu lösen, die in den frühen Phasen der Produktentwicklung im Feld gefunden werden.

Der Leistungstest über die Luftschnittstelle (OTA)

Reale Bedienungen wie das Antennencluster während der Fahrt lassen sich nachbilden. Somit sind die Entwickler in der Lage, die Nutzererfahrung beim Zugriff auf die fahrzeugeigenen Datendienste zu beurteilen. Die Funkkanal-Emulation bildet Funkwellen in verschiedenen Szenarien nach:

  • Interaktion mit Objekten,
  • Streuung, Beugung, Reflexion oder Absorption,
  • Auswirkungen der Fahrzeugbewegung,
  • Dopplereffekt,
  • Ausgangswinkel (AOD), Eingangswinkel (AOA) und
  • Rauschen/Störungen.

Mit dem Mobilfunkstandard 5G müssen Fahrzeughersteller sowie Hersteller von Wireless-Geräten sicherstellen, dass ihre Systeme in verschiedenen Umgebungen mit Standards wie dem CTIA OTA-Testplan v3.8.1 und dem CTIA MIMO OTA-Testplan v1.2 konform sind. Neben einer Absorberkammer hilft dem Testingenieur die Emulation, mit der sich verschiedene Szenarien simulieren lassen. Dazu gehören eine ländliche, vorstädtische, städtische oder eine Umgebung in einem Innenraum innerhalb eines Labors.

Das selbstfahrende Auto der Zukunft wird verstärkt vernetzt sein und die Intelligenz Millionen von Teilprozessen muss vom Entwickler emuliert werden, bevor das Fahrzeug auf die Straße kommt. Dank einer Emulation lassen sich schwerwiegende Unfälle vermeiden, die durch unberechenbares menschliches Verhalten ausgelöst würden.

Dieser Beitrag ist im Sonderheft Messtechnik, Sensorik und Test I der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF) erschienen.

* Hwee-Yng Yeo arbeitet im Marketing-Team für Automobil- und Energie-Industrieanwendungen bei Keysight Technologies.

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