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Kfz-Elektronik Validierungssysteme für Komponenten auf FPGA-Basis

| Autor/ Redakteur: Matthias Lahme* / Martina Hafner

Um mechanische wie elektronische Komponenten im Kfz zu validieren muss die Messtechnik deren mechanische Belastung nicht nur erfassen sondern auch ihr Verhalten in elektronischen Systemen ermitteln. Meistens reicht es dabei nicht aus, die Belastung über Parameter wie Kilometerzyklen und Zeit zu bestimmen. Gefragt sind auf den Anwendungsfall zugeschnittene Validierungssysteme – z.B. Datenlogger auf FPGA-Basis.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Im Automotive-Bereich kommen Datenlogger zum Einsatz, um mechanische und elektronische Bauteile auf deren Leistungsfähigkeit und Belastbarkeit hin zu testen. AFT Atlas Fahrzeugtechnik aus Werdohl im Märkischen Sauerland entwickelt und liefert Komplettlösungen für alle Facetten des Kfz-Antriebsstrangs – seit längerem gehören auch spezielle Testsysteme zum Portfolio, die der Hersteller in der aktuellen Generation nun auf eine Hardware des PC-Messtechnikhersteller National Instruments aufsetzt.

Vorteile für die jetzt vorgestellte Geräte-Generation 4Log sehen beide Unternehmen in der robusten Ausführung der Module bzw. in deren Testfähigkeit im erweiterten Temperaturbereich – und das gleichzeitig bei einer kompakten, modularen Bauform.

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Die Systeme stützen sich auf die Produktfamilie CompactRIO von National Instruments (RIO steht für rekonfigurierbare I/O), die wiederum eine Plattform bereit stellt, mit deren Hilfe sich rekonfigurierbare Datenerfassungs-, Steuerungs- und Rege-lungssysteme auf FPGA-Basis realisieren lassen. Der FPGA-Chip ist in ein Vier- oder Acht-Slot-Chassis eingebettet und über eine Stern-Topologie mit I/O-Modulen unterschiedlicher Funktion verbunden. Dies soll die optimale Skalierbarkeit für jeden Anwendungsfall gewährleisten und dafür sorgen, dass ein Datenlogger individuell für die Belange der Messaufgabe zusammengestellt werden kann.

FPGA-Chips erlauben eine effiziente und schnelle Vorverarbeitung der Daten. Das bedeutet: Unmittelbar nach dem Ein-schalten des Systems – d.h. ausgelöst über die Zündung, einen Türkontakt oder das Aufwecken über einen CAN-Bus – können die Daten auf einem SD-Laufwerk gespeichert werden. Selbst aus dem Ruheverhalten heraus ist die volle Datenspeicherung nach etwa 500 ms, nachdem das System eingeschalten wurde, möglich. So können auch Startvorgänge direkt aufgezeichnet werden.

Nach der Vorverarbeitung im FPGA gelangen die Daten zum Echtzeit-Controller, dessen Basis eine 266-MHz-CPU von Intel mit internem Speicher von wahlweise 64 oder 512 MByte bildet. Das Potenzial dieser CPU erlaubt vielfältige Klassier-, Aufzeichnungs- und Triggerverfahren.

Abgestimmt auf den jeweiligen Anwendungsfall kann der Anwender u.a. zwischen folgenden Modulen wählen:

  • ein achtkanaliges, analoges Eingangsmodul mit 12 Bit, einem Eingangsspannungsbe-reich von ±60 V und bis zu 800 kS/s,
  • ein 32-kanaliges, analoges Eingangsmodul mit 16 Bit, einem Eingangsspannungsbe-reich von ±10 V und bis zu 100 kS/s,
  • ein vierkanaliges, analoges Eingangsmodul mit 24 Bit, einem Eingangsspannungsbe-reich von ±5 V und zu bis 50 kS/s (mit direkter TEDS-Unterstützung),
  • ein achtkanaliges, digitales Eingangsmodul (1-µs-High-Speed-Modul),
  • ein SD-Karten-Speichermodul mit zwei Lauf-werken und jeweils 1 GByte Kapazität.

Um den erweiterten Anforderungen der mobilen Messtechnik im Automotive-Bereich gerecht zu werden, hat AFT dieses Modulprogramm um spezielle Komponenten aufgestockt. Dazu gehören:

ein Multi-Function-Unit(MFU)-Modul mit Ein-gangsspannungspufferung bis auf 4 V für 15 ms (Ab 6 bis 36 V arbeitet das Logger-System permanent. Somit sind nahezu alle Kaltstartvorgänge ohne externen Batterieeinsatz messbar. Weitere Parameter sind: Einschaltlogik über Zündung, Türkontakt oder Aufwecken über CAN-Bus sowie eine Nachlaufsteuerung, um das System triggerbedingt auszuschalten),

ein Drei-Knoten-CAN-Modul mit umschaltbaren Knoten zwischen zweimal High-Speed und einmal High-/Low-Speed sowie einer max. Datenrate bis 1 MBit/s, ein Zwei-Knoten-ISO-K/LIN-Modul, um serielle Bussysteme für Steuergeräte anzubinden.

Über Datenloggereinsatz entscheidet die Software

Was die Software betrifft, bieten die Module vielfältige Trigger-Einstellungen, mit deren Hilfe sich fast alle Anwendungs-fälle dynamisch über die Konfigurationsoberfläche parametrieren lassen. Dies lässt sich durch die Splittung des Triggers in seine Bestandteile „Bedingung“ und „darauf basierendes Ereignis“ erreichen.

Bedingungen, wie Grenzwertüberschreitungen, die auf allen Kanälen des Systems basieren, sowie Ereignisse, wie das Ausführen von Aufzeichnungsverfahren, das Setzen von Digitalkanälen oder das Starten von Berechnungen, können vom eigentlichen Trigger getrennt definiert werden. Diese Bedingungen und Ereignisse stehen somit generell zur Wiederverwendung in verschiedenen Triggern zur Verfügung. Dank dieser Generik lassen sich Abtastraten einfach umschalten, wenn beispielsweise Ereignisse aufgrund interessanter Umgebungsbedingungen auftreten. Als Standard-Steuergeräteprotokolle werden KWP2000 on CAN, KWP2000 on ISO-K, CCP und XCP on CAN unterstützt.

Anhand der vielen Datenquellen und der Berechnungsmöglichkeiten beliebiger Kanäle mittels Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division, Integration, Differenzierung und Absolutwertbildung sowie mit-tels eigenem Formeleditor lassen sich aus bestehenden Kanälen alle benötigten berechneten Kanäle aufzeichnen.

Darüber hinaus erfordern manche Anwendungsfälle eine weitere Datenreduktion, um der Flut von Informationen Herr zu werden. Beispiel: In Anwendungen über einen langen Zeitraum sollte der Anwender die integrierten Klassiermethoden bevorzugen, um beispielsweise Belastungskollektive direkt ausgewertet aufzuzeichnen. Klassierungen beruhen auf der Zählung vorher definierter Ereignisse nach bestimmten, teilweise DIN-definierten Verfahren.

Weit verbreitete Probleme bei Logger-Systemen sind das mangelnde Konfigurationshandling und eine einfache Parametrierung der Anwendung. Konfigurationen sollten sich ohne schwierige Namenskonventionen auf Serverlaufwerken schnell wieder finden lassen, sodass Ableitungen für ähnliche Anwendungen realisiert werden können.

Hier setzt AFT auf die im Hause entwickelte Workbench MARC, die Konfigurationen direkt in einer integrierten lokalen Datenbank speichert. Mithilfe ausgeprägter Sucheigenschaften können alle benötigten Parameter schnell gefunden und weiter benutzt werden. Weil sich diese Daten auch über Daten-bank-Server austauschen lassen, entsteht ein direktes Netzwerk aller Konfigurationen in der Konfigurationsanwendung selbst, ohne dass weitere Softwareprodukte eingebunden werden müssten. Die Konfiguration kann dann mittels SD-Karte oder direkter Anbindung über Ethernet an den Datenlogger übertragen werden. Über ein Online-Anzeigemodul, das der Anwender frei gestalten kann, lassen sich Tachoanzeigen, Schreiber, LEDs, Balkenanzei-gen, Texte und Bilder einfach zusammenstellen.

Um aufwändige Konvertierungen im Postprozess zu vermeiden, stehen Optionen bereit, um die Messdaten bereits auf dem Logger in den Formaten Diadem und Famos abzulegen. Ferner sind Konvertierungen in Matlab und ASCII direkt im Anschluss möglich.

*Matthias Lahme ist Leiter des Fachbe-reichs Measurement & Calibration Systems bei der AFT Atlas Fahrzeug-technik GmbH in Werdohl.

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