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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen eines Hardware in the Loop (HIL-)Systems und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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Stand der Technik
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Mit Hardware in the Loop (HIL) wird ein Verfahren bezeichnet, bei dem ein eingebettetes System, wie bspw. ein elektronisches Steuergerät, über seine Ein- und Ausgänge an einen Simulator, der die reale Umgebung des Systems simuliert, angeschlossen wird. Auf diese Weise ist es möglich, bereits während der Entwicklung des Systems, dieses zu testen.
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Um zuverlässige Tests durchführen zu können, ist es erforderlich, das eingesetzte HIL-System, das System zur Durchführung des HIL-Verfahrens, ebenfalls einer Überprüfung zu unterziehen. Dies kann einmalig vor dem ersten Testeinsatz des HIL-Systems oder wiederholt vorgenommen werden.
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Bislang ist vorgesehen, die Kalibrierung des HIL-Systems durch manuelle Tests jedes einzelnen Aus- bzw. Eingangs zu testen. Hierbei wird manuell jeder einzelne Ausgang mit einem Wert stimuliert und an einem an dem Ausgang angeschlossenen Messinstrument der tatsächlich ausgegebene Wert geprüft. Die Messung von Eingängen wird durch kalibrierte Quellen durchgeführt, die iterativ an die Eingänge des HIL-Systems angeschlossen werden und deren Wert manuell eingegeben und ebenso manuell wieder abgelesen werden muss.
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Andere bekannte Lösungen verbinden Ein- und Ausgänge eines HIL-Systems über eine statische Verkabelung miteinander, die es nicht erlaubt, verschiedene Ein- und Ausgangskombinationen zu erstellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Anordnung gemäß Anspruch 6 vorgestellt. Ausgestaltungen des Verfahrens und der Anordnung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Bei dem Verfahren findet eine ansteuerbare Matrixschaltung Anwendung, mit der es möglich ist, Ausgänge des HIL-Systems auf Eingänge desselben Systems zu schalten. Dabei werden durch Ansteuern der Matrixschaltung die Verbindungen zwischen den Eingängen und Ausgängen konfiguriert und damit eingerichtet. Dies bedeutet, dass mit der Matrixschaltung mögliche Verbindungen zwischen den Eingängen und Ausgängen ausgewählt werden können. Die Matrixschaltung koppelt Eingänge mit Ausgängen nach Bedarf, wobei dieser Bedarf durch Ansteuern der Matrixschaltung vermittelt wird. So kann es möglich sein, jeden Ausgang des HIL-Systems mit jedem Eingang des HIL-Systems zu verbinden. Diese konfigurierbaren Verbindungen sind nicht fest vorgegeben, es ist vielmehr möglich, während des Tests durch entsprechendes Ansteuern der Matrixschaltung die dynamischen Verbindungen zu variieren, d. h. es ist möglich, während des Tests durch Ansteuern der Matrixschaltung diese Verbindungen zu ändern bzw. zu variieren. Folglich können unterschiedliche Ein- und Ausgangskombinationen, die während des Tests variiert werden können, erstellt werden.
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Die Matrixschaltung, eine m·n-Matrix von Schaltern, bspw. Relais, stellt einen softwaregesteuerten Multiplexer dar. Diese ermöglicht es, jeden Ausgang des HIL-Systems mit jedem Eingang des HIL-Systems zu verbinden. Die Verbindungen zwischen Eingängen und Ausgängen können somit während des Tests variiert werden. Eingänge können bedarfsweise und damit nach belieben auf Ausgänge geschaltet werden. Diese Matrixschaltung ist eine Komponente der vorgestellten Anordnung, die einen Selbsttest des HIL-Systems ermöglicht.
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Zudem wird in Ausgestaltung eine Recheneinheit verwendet, auf der, in der Regel in Echtzeit, ein Modell komplexer realer Systeme simuliert wird. Zur Sicherheit kann ein zusätzliches Messmittel, d. h. ein Messinstrument, vorgesehen sein, um Signalwerte der Aus- und Eingänge zu messen und eine korrekte Funktionsweise des HIL-Systems zu verifizieren.
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Es wird somit eine Selbsttest-Anordnung beschrieben, die in der Lage ist, bestehende Ausgänge und Eingänge eines Hardware in the Loop (HIL-)Systems so zu verschalten, dass eine vollständige Selbstkontrolle und Selbstkalibrierung des HIL-Systems möglich wird. Die Selbsttest-Anordnung kann hierbei bei erfindungsgemäßer Auslegung des HIL-Systems vollständig ohne externe Signalquellen auskommen.
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Die beschriebene Anordnung umfasst die verwendeten Hardwarekomponenten und die ggf. hierfür benötigte Software zur Ansteuerung der Hardware sowie die Erstellung der nötigen Konfigurationen und Auswertung der erzeugten Daten.
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Es wurde erkannt, dass bei bereits bekannten Lösungen, bei denen Ein- und Ausgänge eines HIL-Systems über eine statische Verkabelung miteinander verbunden werden, es nicht möglich ist, verschiedene Ein- und Ausgangskombinationen zu erstellen. Diese bekannten Lösungen sehen zudem nicht vor, ein kalibriertes Messinstrument zwischen den Pfad zu hängen, da alle Pfade eine eigene Verbindung darstellen und es somit nicht möglich ist, das Messinstrument an einen einzigen Punkt des HIL-Systems anzuschließen.
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Es wird eine einfache, schnell einsetzbare sowie einfach nutzbare Selbsttest-Anordnung vorgestellt, die es ermöglicht, HIL-Systeme jederzeit auf korrekte Funktionsweise zu überprüfen. Dabei ist die Selbsttest-Anordnung in der Lage zu erkennen und zu dokumentieren, wenn es auf dem Pfad der Werterepräsentation in Software zur elektrischen Repräsentation korrekte Ergebnisse oder ungewollte Effekte gibt. Die Werterepräsentation in Software wird von der Client-Software vorgegeben. Die elektrische Repräsentation ist der Signalwert gemessen am Messmittel. Es kann somit festgestellt werden, ob es zu Abweichungen zwischen der Software-Repräsentation und der elektrischen Hardware-Repräsentation kommt.
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Hierzu zählen zum einen die Fehler, die entstehen können, wenn ein Wert von der Software eines HIL-Systems vorgegeben wird, jedoch als falscher Ausgabewert, bspw. analog, digital, PWM oder komplex, resultiert, sowie Fehler, die von Vorgabe eines elektrischen Werts zu einer abweichenden Interpretation in der Software führen.
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Im Vergleich zu den Lösungen des Stands der Technik wird es durch die Nutzung einer vollautomatisierten Selbsttest-Anordnung möglich, mit sehr geringem Zeitaufwand die Korrektheit der Eingabe-Ausgabe-Schicht des HIL-Systems festzustellen. Außerdem können Bedienerfehler, wie bspw. Ablesefehler, vermieden werden. Durch die Nutzung der ansteuerbaren Matrixschaltung ist es möglich, alle Verbindungen, insbesondere alle Ausgänge des HIL-Systems, mit dem Messpunkt des kalibrierten Messinstruments zu verbinden. Hierdurch wird ermöglicht, die Kalibrierung des Ausgangs unabhängig von der Kalibrierung des Eingangs zu überprüfen.
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Desweiteren haben die hohen Freiheitsgrade der dynamischen Verbindungen den Vorteil, dass bei Erkennung eines defekten Ausgangs ein anderer genutzt werden kann, um den vollen Umfang eines Eingangs korrekt zu überprüfen. Bei bestehenden Lösungen, die eine statische Verbindung zwischen Ein- und Ausgängen besitzen, ist dies nicht möglich.
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Die Selbsttest-Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass diese in der Lage ist, durch ansteuerbare Matrixkarten, die es erlauben, jeden einzelnen Pin gegeneinander zu verschalten, oder durch Multiplexer geeignete Ausgänge des HIL-Systems mit zu testenden Eingängen zu verschalten. Außerdem zeichnet sich die Anordnung dadurch aus, dass alle Ausgänge gegen ein typischerweise geeichtes Messinstrument gemessen werden können. Hierdurch ist es möglich, Doppelfehler, bei welchen bspw. ein HIL-Ausgang einen zu hohen Wert aussendet und der Eingang einen zu niedrigen Wert misst, zu erkennen. Doppelfehler bedeutet somit das Vorliegen eines Fehlers beim Ausgang und das Vorliegen eines Fehlers beim Eingang.
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Für die vorgestellte Anordnung können handelsübliche Komponenten bzw. Geräte verwendet werden. Alle verwendeten Geräte können über standardisierte Schnittstellen angesteuert werden. Mittels der verwendeten Software ist die Anordnung in der Lage, alle angeschlossenen Geräte über standardisierte Schnittstellen anzusprechen und entsprechend dem benötigten Testfall zu konfigurieren. Durch die Kenntnis der verwendeten Eingabe-Ausgabe-Karten (E/A-Karten) ist die Anordnung in der Lage, generische Tests zu erzeugen, die alle Facetten des Prüflings, in diesem Fall des HIL-Systems, auf Korrektheit überprüfen.
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Generische Tests sind Tests, bei denen durch Kenntnis der Spezifikation des Prüflings, in diesem Fall der E/A-Karten, zufällig gültige Testfälle erzeugt werden. Diese Testfälle decken im Idealfall den kompletten Funktionsumfang des Prüflings ab. Da nicht immer statisch dieselben Punkte getestet werden, sondern zufällig gültige Testpunkte am Prüfling, kann der Prüfling breiter getestet werden.
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Neben generischen Tests kann die Anordnung aber auch für jede Eingabe-Ausgabe-Karte vordefinierte Testprozeduren durchführen. Weiterhin ist die beschriebene Anordnung in der Lage, alle durchgeführten Schritte mit dem jeweiligen Ergebnis des Tests sowie dem Messwert des kalibrierten Messinstruments in lesbarer Form eines Reports auszugeben.
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Die Vorteile der Anordnung liegen in der einfachen und schnellen Durchführbarkeit und der Erkennung von Bedienerfehlern sowie messtechnischen Doppelfehlern.
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Weiterhin ist die Anordnung dazu geeignet, Testfälle zu generieren, die alle möglichen Fälle des HIL-Systems testen. Dies stellt einen Vorteil dar, da es nicht mehr nötig ist, manuell bei jedem Test die Spezifikation der zu testenden Karte zu beachten. Durch den Einsatz der Anordnung ist es möglich, den Aufwand für einen kompletten HIL-Eingabe-Ausgabe-Test von mehreren Tagen auf wenige Stunden zu reduzieren.
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Der Aufbau der Anordnung besteht in einer Ausführung aus:
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- • ansteuerbaren Matrixkarten zur Verschaltung der Ein- und Ausgänge,
- • diversen PC-Adaptern zur Nutzung standardisierter Busssysteme (Beispiel: CAN und RS422),
- • einem geeigneten, kalibrierten Messinstrument, wie bspw. einem Oszilloskop,
- • einem Kabelbaum zum Anschluss der Eingabe-Ausgabe-Karten an die Matrixschaltung.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt den Aufbau der verwendeten Hardware-Struktur.
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2 zeigt in einer schematischen Darstellung den Signalfluss bei Durchführung einer Ausführung des vorgestellten Verfahrens.
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3 zeigt in einer schematischen Darstellung den Aufbau einer Ausführung der beschriebenen Anordnung.
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4 zeigt in schematischer Darstellung eine Matrixschaltung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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In 1 ist der Hardware-Aufbau einer möglichen Ausführung der Anordnung dargestellt. Dabei ist verdeutlicht, wie Komponenten der Anordnung miteinander verschaltet sind. Die Anordnung ist dabei insgesamt mit der Bezugsziffer 8 bezeichnet.
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Die Darstellung zeigt ein HIL-System 10, einen Nutzerrechner 12, eine CAN-Schnittstelle 14, ein Oszilloskop 16, einen USB-RS422-Converter 18 und eine Matrixschaltung 20. Der Nutzerrechner 12 ist über zwei USB-Schnittstellen 22 und eine Ethernet-Schnittstelle 23 an seine Umgebung angeschlossen. Ein erster Doppelpfeil 24 zeigt den Austausch von CAN-Befehlen. Ein zweiter Doppelpfeil 26 zeigt den Austausch von RS422-Befehlen.
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In der Matrixschaltung 20 sind vier Matrixkarten 28 vorgesehen, die, wie mit einem dritten Doppelfeil 30 verdeutlicht, mit dem HIL-System 10 kommunizieren. Dieses umfasst eine CAN-Schnittstelle 32, eine sogenannte BreakoutBox 34, die dem Tester dazu dient, alle Signale des HIL-Systems 10 mitzumessen oder zu manipulieren, eine Recheneinheit 36, auf der in Echtzeit die von dem HIL-System 10 zu testenden E/A-Karten simuliert werden, E/A-Karten 38 und einen Bereich 40, in dem ein Modell des nachgebildeten Systems und/oder die Client-Software zur Ausführung kommt. Die Matrixkarten 28 werden durch einen seriellen Bus, in diesem Fall RS422, gesteuert, der durch den Converter 18 angesteuert wird.
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Der Aufbau zeigt beispielhaft, wie die Matrixkarten 28, in diesem Beispiel Relaiskarten, über die USB-Schnittstellen 22 nach RS422 an den Nutzerrechner 12 angeschlossen sind. Auf diesem läuft die Software der Anordnung 8, um die Karten entsprechend zu konfigurieren. Auf diese Weise erfolgt die Ansteuerung der Matrixschaltung 20. Jede Verbindung in der Matrixschaltung 20 berücksichtigt einen Pfad zum Messinstrument, in diesem Fall dem Oszilloskop 16. Dieses ist über einen Kanal 40 an die Matrixkarten 28 angebunden. Die Konfiguration des Messinstruments, in diesem Fall des Oszilloskops 16, erfolgt ebenfalls über das Programm und einen standardisierten Kommunikationskanal, in diesem Beispiel über die Ethernet-Schnittstelle 23.
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Nach korrekter Konfiguration der Matrixkarten 28 sowie des Messinstruments ist die Software, die im folgenden Selbsttester genannt wird, in der Lage, Anweisungen an die Softwareschicht des HIL-Systems 10 zu senden. Hierzu wird ein ebenfalls standardisierter Kanal gewählt, bei dieser Ausführung CAN (Doppelpfeil 24). Die Anweisung wird von dem Selbsttester-Programm an die CAN-Schnittstelle 32 des HIL-Systems 10 gesendet. Dort läuft eine Client-Anwendung, die in der Lage ist, die über CAN gesendeten Anweisungen zur Ausgabe oder zum Einlesen eines Kanals in eine Ansteuerung der Eingabe-Ausgabe-Karten umzusetzen. Diese Anwendung läuft auf den Prozessoren des HIL-Systems 10, bspw. der Recheneinheit 36, und steuert über systemspezifische Kanäle die Eingabe-Ausgabe an, bspw. über die E/A-Karten 38. Die von der Hardware-Schicht des HIL-Systems 10 erzeugten elektrischen Signale bzw. Werte werden nun über die Anschlüsse der Eingabe-Ausgabe-Karte und die hierfür erstellte Verkabelung an die Pins der Matrixschaltung 20 geleitet.
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Durch die zuvor erstellten Verbindungen ist es nunmehr möglich, den elektrischen Wert des HIL-Systems 10 zum einen mit dem kalibrierten Messinstrument zu erfassen und zum anderen wieder an den von dem Selbsttester bestimmten Eingabe-Pins des HIL-Systems 10 zurückzuführen.
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Das Programm liest die Werte des Messinstruments und nutzt diese für die Auswertung als Referenz. Gleichzeitig sendet die Client-Software den am Eingang gemessenen Wert über CAN zurück an den Selbsttester. Durch Kenntnis des gesendeten, des kalibriert gemessenen und des vom HIL gemessenen Werts ist der Selbsttester in der Lage, die Korrektheit des Ausgangs sowie des Eingangs zu bewerten.
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2 verdeutlicht den Signalfluss bei Durchführung des Verfahrens. Die Darstellung zeigt einen Selbsttester 50, eine Matrixkarte 52, ein Messinstrument 54 und eine Client-Anwendung 56.
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Der Selbsttester 50 schickt Matrix-Verbindungsinformationen 60 zu der Matrixkarte 52. Diese sendet eine Bestätigung 62 zurück. Von dem Selbsttester 50 werden Setup-Daten 64 zu dem Messinstrument 54 gesendet. Dieses sendet eine Bestätigung 66 zurück. Weiterhin werden von dem Selbsttester 50 Ausgabe-Eingabe-Informationen 68 zu der Client-Anwendung 56 übermittelt. Diese sendet eine Bestätigung zurück, falls ein Ausgangswert gesetzt wurde, oder den gemessenen Wert, falls ein Eingangswert gemessen wurde (Bezugsziffer 70). Anschließend wird von dem Selbsttester 50 eine Anfrage nach Messwerten 72 zu dem Messinstrument 54 gesendet. Dieses sendet die angefragten Messwerte 74 zurück.
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3 zeigt einen möglichen Aufbau der Anordnung in der Testumgebung. Die Darstellung zeigt ein HIL-System 100, eine BreakoutBox 102, eine Matrixschaltung 104, ein Oszilloskop 106 und eine Recheneinheit 108, auf der in Echtzeit ein System simuliert wird. In dem HIL-System 100 sind eine CAN-Schnittstelle 110, eine Client-Software 112 und ein Ausgang 114 vorgesehen. Weiterhin zeigt die Darstellung eine CAN-Verbindung 120, eine RS422-Verbindung 122 und eine Ethernet-Verbindung 124.
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4 zeigt in schematischer Darstellung eine Matrixschaltung 150, die zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens mit einem HIL-System 152 verbunden ist. Die Darstellung zeigt Eingänge 154 und Ausgänge 156 des HIL-Systems 152, die über Verbindungen 158 miteinander verbunden sind. Über die Matrixschaltung 150 ist es nunmehr möglich, jeden Ausgang 156 mit jedem Eingang 154 des HIL-Systems 152 miteinander zu verbinden. Die ansteuerbare Matrixschaltung 150 ermöglicht somit, während des Tests die Verbindungen 158 zu ändern bzw. zu variieren und somit zu beeinflussen.
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Es bleibt festzuhalten, dass sich die vorgestellte Anordnung dadurch auszeichnet, dass nach Bedarf und insbesondere nach belieben die Ein- und Ausgänge gegeneinander verschaltet werden können. Dies wird durch eine ansteuerbare Matrixschaltung ermöglicht, die an den definierten Ein- und Ausgängen des zu testenden HIL-Systems angeschlossen ist.
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Weiterhin ist zu beachten, dass ein vorzugsweise kalibriertes Messinstrument an einem definierten Schnittpunkt aller konfigurierbaren Verbindungen vorgesehen sein kann. Somit besteht eine Verbindung zwischen den Matrixelementen und dem kalibrierten Messinstrument. Von Bedeutung ist weiterhin die Ansteuerung durch die Selbsttester-Software.
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Die Anordnung kann grundsätzlich im Bereich von HIL-Testeinrichtungen Anwendung finden. Hierbei sind alle HIL-Testeinrichtungen mit Simulationsanteil zu nennen, da die Anordnung eine Client-Anwendung benötigt, die verschiedene Stellwerte setzt und Messwerte rückmeldet. Diese werden bei kombinierten Software und Hardwaretests eingesetzt, bei denen der Großteil des reellen Fahrzeugsystems durch aufwendige Simulationen ersetzt wird. Diese HIL-Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass die Kommunikation zu einer realen Steuerplatine über die tatsächlichen Eingabe-Ausgabe-Kanäle läuft, jedoch der Großteil der von der Steuerplatine erzeugten Reaktionen rein simulativ stattfinden. Hierbei ist es wichtig, korrekt funktionierende Eingabe-Ausgabe-Elemente bereitzustellen, die durch die vorgestellte Selbsttest-Anordnung überprüft werden können.
