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Absicherung von Testsystemen nach ISO 26262

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iSyst Intelligente Systeme GmbH

Erarbeitung eines Konzeptes zur teil-automatisierten Kalibrierung eines HIL-Testsystems

Als Ausgangspunkt für die Betrachtung diente der in Kapitel Problemstellung beschriebe Signalpfad. Da das angestrebte Konzept möglichst für alle Echtzeitsysteme und IO-Karten in gleicher Weise funktionieren soll, wurde entschieden den Abgleich in der Software also im Simulationsmodell (Matlab/Simulink) durchzuführen. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit auch den Kalibrier- und Abgleichsablauf in Matlab bzw. Simulink zu realisieren. Es wurde eine Realisierung in Matlab gewählt. Der resultierende Aufbau des Systems ist in Bild 3 zu sehen.

Als Signalquelle wurde eine einstellbare Spannungsquelle benötigt. Für eine einfache Integration mit Matlab wurde eine Ansteuerung über eine serielle Schnittstelle (RS232) gewählt. Diese kommt auch bei der Ansteuerung des Multimeters Fluke 8845A zum Einsatz. Es wurde eine selbst entwickelte Baugruppe verwendet, welch Spannung zwischen -15 V und + 15 V ausgeben kann.

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Diese Spannung wird nun mittels des Multimeters Fluke 8845A gemessen und über eine serielle Schnittstelle durch Matlab ausgelesen. Damit ist der Wert der Referenzspannung bekannt. Im Folgenden wird der gemessene Wert aus dem Inbetriebnahme-Modell des Echtzeitsystems mittels Matlab gelesen. Damit sind der Eingangs- und der Ausgangswert bekannt. Es kann die Abweichung bestimmt werden.

Für den gesamten Kalibrier- und Abgleichsprozess wird zuerst der Offset-Fehler bei 0V bestimmt. Nun wird der Anstiegsfehler in einem einstellbaren Wertebereich mit einer wählbaren Anzahl von Stützpunkten (bis zu 16 Stützpunkte im Wertebereich von -15 V bis +15 V) bestimmt und die Korrekturfaktoren berechnet. Diese werden in Form eines Protokolls und einer MAT-Datei abgespeichert. Das Protokoll dient der Dokumentation.

Mit Hilfe der MAT-Datei können nun die Korrekturfaktoren automatisch in das Simulink-Umgebungsmodell mit Hilfe des dafür entwickelten Blocksets importiert werden. Es ist dabei nur die Auswahl der MAT-Datei innerhalb von Simulink notwendig.

In Bild 5 ist die Oberfläche des Matlab-Toolings für die Durchführung der Kalibrierung und die Bestimmung der Abgleichswerte zu sehen. Bild 5 zeigt das Blockset, welches für den Abgleich der Analogkanäle verwendet wird. Dabei ermöglicht das Blockset die Korrektur des Offset- und des Anstiegsfehlers.

Weiterhin kann der Prozess auch für die Kalibrierung und den Abgleich analoger Ausgänge verwendet werden. In diesem Fall dient das Echtzeitsystem als Signalquelle und die Ausgangsspannung wird mittels des Multimeters Fluke 8845A am Pin des Steuergerätesteckers gemessen. Die ermittelten Korrekturfaktoren können mittels des beschriebenen Simulink-Blocksets in das Simulationsmodell über-nommen werden.

Evaluierung des prototypischen Systems

Für die Evaluierung des Kalibrier- und Abgleichsprozesses wurde ein HIL-System mit dSAPCE Echtzeitsystem und einer DS2004 IO-Karte verwendet. Als erstes wurde die Abweichung der analogen Kanäle in Form des Kalibrierprozesses bestimmt. Das Ergebnis ist beispielhaft für einen Kanal in Bild 6 auf der linken Seite dargestellt. Im Anschluss wurden die errechneten Korrekturfaktoren in das Simulink-Modell übernommen und die Abweichung neu bestimmt. Das Ergebnis ist beispielhaft für den selben Kanal im selben Bild rechts zu sehen.

Wie den Werten aus den Abbildungen zu entnehmen ist, konnte eine Verringerung der Abweichung und damit des Messfehlers von ca. +/- 0,8 % auf ca. +/- 0,15 % erreicht werden. Weitere Messungen nach einigen Betriebsstunden des Systems haben gezeigt, dass die erreichte Genauigkeit erhalten bleibt. Es sind dabei weiterführende Untersuchungen bezüglich der zeitlichen Stabilität und der Umwelteinflüsse (vor allem der Temperatur) durchzuführen.

Weiterentwicklung zum automatisierten Selbsttest

Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse erfolgt eine Weiterentwicklung zu vollautomatisierten Abgleich und vollautomatisierten Selbsttest. Dabei kann die Messung nicht wie bei teil-automatisierten Kalibrierung am Steuergerätestecker erfolgen. Für die vollständige Automatisierung ist es nötig die Signale Innerhalb des HIL-Systems zu messen. Dies erfolgt über eine eigens integrierte, hochgenaue Messkarte, welche über die vorhandene Fehlerinjektionseinheit mit allen Messkanälen des HIL-Systems verbunden wird.

Damit ist es möglich vor jedem qualitätsrelevanten Test das System automatisiert zu prüfen und damit die Zuverlässigkeit des Testsystems sicher zu stellen.

Zusammenfassung: Sicher zum ISO-26262-konformen Testsystem

Im Rahmen dieser Arbeit konnte die Möglichkeit der Kalibrierung und des Abgleiches von HIL-Testsystemen weitreichend untersucht werden. Es konnte gezeigt werden, dass eine Kalibrierung und ein Abgleich möglich und sinnvoll sind. Vor allem in Bezug auf den Test sicherheitskritischer Systeme und deren Schwellwerte für Fehlerreaktionen ist eine verlässliche analoge Messung für ein Testsystem unabdingbar.

Mit Hilfe des erarbeiteten Prozesses und der zugehörigen Komponenten und Tools kann die Kalibrierung und der Abgleich weitgehend automatisiert durchgeführt werden. Durch die Realisierung des Abgleiches im Simulink-Modell ist eine Unabhängigkeit von spezifischen Echtzeitsystemen gewährleistet.

Durch die automatisierte Erstellung eines Kalibrierprotokolls ist eine prozesskonforme Dokumentation der Eigenschaften des Testsystems einfacher möglich.

Die Weiterentwicklung zum vollautomatisierten Selbsttest ermöglicht eine zusätzliche Steigerung der Verlässlichkeit der Testsysteme. Weiterhin ist damit ein Umfangreicher Nachweis der Genauigkeit des Testsystems bei jedem qualitätsrelevanten Test inklusive automatisierter Protokollierung möglich.

Der Autor

* Dr.-Ing. Kristian Trenkel studierte ab 2001 an der FH Jena Elektrotechnik/Technische Informatik. Nach erfolgreichem Abschluss des Studiums als Dipl.-Ing. (FH) im Jahr 2005 folgte eine Tätigkeit als Entwicklungsingenieur im Bereich Industrieautomatisierung. Ab 2008 folgte die Arbeit als Testingenieur bei der iSyst GmbH in Verbindung mit einer kooperativen Promotion mit der TU Chemnitz, Professur SSE. Seit 2013 betreut Herr Trenkel die Forschungs- und Förderprojekte sowie die studentischen Arbeiten bei der iSyst GmbH. Der erfolgreiche Abschluss der Promotion erfolgte Ende 2015.

Dieser Beitrag des iSyst GmbH stammt aus dem Kongressband des ESE Kongress 2017.

Quellenverzeichnis

  • [1] ISO, „ISO 26262:2011 Road vehicles - functional safety,“ International Standard ISO, Geneva, 2011.
  • [2] ISO, „ISO26262:2011-4 Road vehicles: Functional safety- : Part 4: product development at the system level,“ International Standard ISO, Geneva, 2011.
  • [3] M. A. Mushtaq, „THE REQUIREMENTS OF CALIBRATED COMPONENTS FOR HIL (HARDWARE-IN-THE-LOOP) TEST SYSTEMS AND ITS IMPLEMENTATION,“ Master’s thesis – Ernst-Abbe-Hochschule, Jena, 2015.
  • [6] iSyst Intelligente Systeme GmbH, „Testkomponenten,“ iSyst Intelligente Systeme GmbH, 2017.

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