BUSBASIERTES ARCHITEKTURKONZEPT FÜR HARDWARE-IN-THE-LOOP-PRÜFSTÄNDE
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ENT WICKLUNG Hardware- In -tHe- Lo op
BUSBASIERTES ARCHITEKTURKONZEPT
FÜR HARDWARE-IN-THE-LOOP-PRÜFSTÄNDE
HiL-prüfstände müssen gemäß dem trend steigender Komplexität in der automobilentwicklung immer entspre-
chend weiterentwickelt werden. eine von audis antworten auf diese Herausforderungen ist die entwicklung einer
neuen innovativen busbasierten HiL-architektur für zukünftige modular aufgebaute prüfstände. durch den daten-
orientierten ansatz reduziert sich die Gesamtkomplexität auf die definition eines einheitlichen datenmodells. eine
einfache und schnelle Integration verschiedenster Soft- und Hardware-Lösungen unterschiedlicher Hersteller lässt
sich somit effizient umsetzen. real-time Innovations liefert dafür mit Connext ddS die Basistechnologie.
aUtoren HERAUSFORDERUNG UND ANSATZ Gewährleistung der funktionalen
Sicherheit. Dies wiederum wirkt sich
Steuergeräte werden heute immer mehr auf die für die Absicherung heute stan-
mit Bussystemen, wie CAN, LIN und dardmäßig verwendeten Hardware-in-
Flexray, so miteinander vernetzt, dass the-Loop-Prüfstände aus.
komplexe Fahrzeugfunktionen auf Eine von Audis Antworten auf diese
mehreren Steuergeräten verteilt reali- Herausforderungen ist die Entwicklung
CONSTANTIN BRÜCKNER siert werden können. Beides führt zu einer neuen innovativen busbasierten
arbeitet in der abteilung Hardware-in- geringerem Verkabelungsaufwand und HiL-Architektur für zukünftige modular
the-Loop-Funktionserprobung
einem sinkenden Bedarf an dedizierten aufgebaute Prüfstände. Dieser Ansatz
bei der audi aG in Ingolstadt.
Steuergeräten. Diese Veränderungen in führt das Konzept eines HiL-Bus, ana-
der Funktionsentwicklung wirken sich log zur Einführung von Bussystemen
signifi kant auf die Funktionsabsiche- im Fahrzeug, ein. Er ermöglicht die fle-
rung aus. Das spiegelt sich zum Bei- xible und dynamische Kombination von
spiel auch in der Weiterentwicklung Hardware- und Software-Lösungen ver-
maßgebender Standards, wie zum Bei- schiedener HiL-Hersteller nach dem
spiel der ISO-26262-Spezifi kation [1], Best-in-Class-Prinzip. Weiterhin erlaubt
BETTINA SWYNNERTON
ist testingenieurin eMea
die sich aus dem IEC-61850-Standard der Ansatz, analog zum Fahrzeug, eine
bei der real-time Innovations Inc. [2] heraus entwickelt hat, wider. Hier funktionsorientierte Ausrichtung der
in Sunnyvale (USa). liegt der Fokus vorwiegend auf der HiL-Test-Umgebung.
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Warnblinkanlage aktiviert, die Seiten- zung zu einem modularen HiL-Prüfstand
fenster sowie das Schiebedach – analog zu Plattform [3] beziehungs-
geschlossen. Das „Audi pre sense“- weise Modulstrategien [4] beim Gesamt-
System überwacht den Verkehr und fahrzeug – notwendig. Einzelne HiL-Teil-
unterstütz bei drohender Kollision systeme unterschiedlicher Hersteller
durch optische und akustische War- müssen dafür effizient und sicher zu
nungen. Bleibt der Fahrer passiv, einem Prüfstand kombinierbar sein, 1,
bremst das System das Fahrzeug stu- da HiL-Hersteller mit ihren Soft- und
fenweise automatisch, bis hin zur Voll- Hardware-Lösungen unter Umständen
bremsung, ab. nur Teile der für die Abdeckung der Test-
:: Dedizierte Steuergeräte für Radio, anforderungen notwendigen HiL-Funkti-
Navigation und (Rear-Seat-) Entertain- onsumfänge bedienen.
ment verschmelzen zu einem Steuer- Mit der Einführung des sogenannten
geräte, der sogenannten Main Unit. HiL-Bus ist es möglich, aus den Hard-
:: Steuergeräte für Außenlicht, Innenlicht und Software-Lösungen verschiedener
und Karosserieelektronik werden zu Hersteller passende Produkte auszuwäh-
einem Steuergerät, dem „Body-Control- len und in einem Prüfstand intelligent zu
Modul“. Dieses wird mit anderen Steu- kombinieren.
ergeräten und Sensoren, wie zum Bei- Für die Umsetzung des HiL-Bus unter-
spiel der Frontkamera vernetzt, um sucht Audi im Rahmen seiner Vorent-
Funktionen wie „Audi-Matrix-LED- wicklung neben aktuellen Ethernet-
Scheinwerfer“ und Verkehrszeichen- basierten Middleware-Lösungen und
erkennung zu realisieren. HiL-Systemen auch modellbasierte und
Dieser Trend stellt völlig neue Herausfor- computerunterstützte Entwicklungs-
derungen für alle Bereiche der Fahrzeug- werkzeuge, die den komplexer und auf-
entwicklung dar und beeinflusst maß- wendiger werdenden Planungs- und
geblich auch die HiL-basierte Erprobung Konzeptionierungsprozess der HiL-Prüf-
und Absicherung. Um die aktuellen und stände unterstützen.
hochkomplexen Steuergeräte und Funkti- Weitere Trends und Anforderungen an
onen vollumfänglich testen zu können, den HiL-Bus beziehungsweise die
bedarf es einer skalierbaren sowie flexi- nächste Generation von HiL-Prüfständen
bel anpassbaren Testumgebung, die es sind unter anderem:
erlaubt, einfach und effizient verschie- :: Zuwachs an zu simulierenden Steuer-
denste HiL-Module zu einem Gesamt- geräten und Funktionen
prüfstand zu kombinieren. :: Komplexitätssteigerung der funktio
nalen Testanforderungen
:: Einbindung verschiedener HiL-Module
HIL-BUS FÜR DIE PRÜFSTÄNDE
in Funktionsgruppen
DER ZUKUNFT
Eine effiziente Funktionsabsicherung auf
VON STEUERGERÄTE- ZU Basis heutiger konventioneller monolithi-
FUNKTIONSORIENTIERTER scher Einzel-Hardware-in-the-Loop-Prüf-
ENTWICKLUNG stände (Komponenten-HiLs) ist für die HiL-Prüfstand
erwähnten hoch komplexen und vernetz-
Gegenwärtig findet ein Paradigmen- ten Fahrzeugfunktionen nicht mehr aus-
wechsel von einer auf Steuergeräte reichend. Die Funktionen müssen im HiL-Prüfstand
Hersteller A
fokussierten, hin zu einer auf die Fahr- Verbund mit allen zugehörigen Partner- HiL-Modul
Hersteller A
zeugfunktion ausgerichteten Entwick- Steuergeräten und der entsprechenden
HiL-Bus
lung mit umfassend vernetzten Funktio- Fahrzeugbus-Vernetzung getestet
nen und Steuergeräten statt. Nachfol- werden.
gende Beispiele belegen diesen Trend: Hierfür müssen entsprechende Anpas-
HiL-Prüfstand
:: Airbag-Steuergeräte, die heute bei sungen in Entwicklung und Verwendung Hersteller B
HiL-Modul
Hersteller B
einem Unfall die Airbags auslösen, der HiL-Prüftechnik vorgenommen wer-
entwickeln sich zu hoch komplexen den, um auch zukünftig eine wirtschaft-
Sicherheitssystemen. Diese sind unter liche Absicherung mit höchster Testqua-
anderem mit dem Elektronischen Sta- lität sicherstellen zu können.
bilitätsprogramm (ESP) vernetzt und Hierzu ist eine Modularisierung der HiL-Prüfstand HiL-Modul
Hersteller C
greifen situationsabhängig ein. Wird HiL-Prüfstände aus Einzelkomponenten Hersteller C
ein Schleudern oder eine Vollbrem- verschiedener Hersteller nach dem 1 Audi-HiL-Bus verbindet HiL-Module
sung des Fahrzeugs erkannt, wird die Best-in-Class-Prinzip und deren Vernet- verschiedener Hersteller
03I2014 9. Jahrgang 53ENT WICKLUNG Hardware- in -the- Lo op
EIN DATENORIENTIERTER ANSATZ
Anwendung Anwendung FÜR DEN HIL-BUS
Anwendungslogik Anwendungslogik In der Keynote zur VDI-Tagung in Baden-
Baden 2013 wurde ein Wandel im Ent-
wicklungsansatz von Automobil-Soft-
Caching and ware aufgezeigt [6]. Um die Komplexität
Zustandsmanagement Datenorientierte
Middleware zukünftiger Fahrzeugelektronik erfolg-
reich zu bewältigen, muss sich die
Ersparnis
Nachrichtenfilter Caching and
Zustandsmanagement Industrie datenzentriert ausrichten.
Nachrichtenerstellung Aktuelle HiL-Systeme setzen größten-
und Parsen teils auf proprietäre Kommunikation.
Nachrichtenfilter
Eine Kombination unterschiedlicher Sys-
Nachrichtenerstellung teme ist somit nicht möglich. Aber der
Nachrichtenorientierte und Parsen
Einsatz einer datenzentrierten Middle-
Middleware
ware, 2, für den modularen HiL-Bus-
Ansatz ermöglicht es, verschiedene
HiL-Teilsysteme mit den Methoden der
Netzwerk Steuergeräte-Entwicklung zusammen
zubringen. Individuelle nachrichten
2 Gegenüberstellung: nachrichtenorienterte und datenorientierte Middleware [7] orientierte Ende-zu-Ende-Kommunika
tionsprotokolle rücken in den Hinter-
grund. Der Fokus liegt rein auf den
auszutauschenden Daten – und nicht
:: Einbindung von Steuergeräte-Modellen unterschiedlicher Partner gerecht wer- auf der Kommunikationstechnik.
zur Testvalidierung und -stimulation den. Audi suchte daher am Markt nach Jeder Teilnehmer am HiL-Bus wird als
:: einheitliche und einfache Bedien- und einer effizienten, echtzeitfähigen und Modul bezeichnet. Jedes Modul charak-
Kontrollschnittstellen skalierbaren Software-Infrastruktur, terisiert sich im ersten Schritt durch
:: Aufzeichnung und Stimulation von die auf einem offenen Standard basiert. Daten, die es anderen Modulen bereit-
Signalen zwischen verschiedenen Dieser Ansatz brachte Audi zum Data stellen kann beziehungsweise Daten, die
HiL-Modulen Distribution Service, standardisiert es von anderen Modulen erhält. Das
:: Entkopplung von Prüftechnik und durch die Object Management Group gesamte Testsystem definiert sich damit
Prüfstandsnutzung in Testfällen OMG [5], und zu der standard-gerechten über die Daten, die auf dem HiL-Bus zur
(manuelle und automatisierte). Implementierung „RTI Connext DDS“ Verfügung stehen beziehungsweise dar-
Eine der wichtigsten Entscheidungen von Real-Time Innovations (RTI). Diese über ausgetauscht werden, 3.
war der Entschluss, die neue busba- DDS-Implementierung erfüllt nicht nur In einer datenzentrierten Systemarchi-
sierte HiL-Architektur auf eine stan- Audis anspruchsvolle Anforderungen tektur treten alle Änderungen im System
dardbasierte, echtzeitfähige Ethernet- an Robustheit, Echtzeitfähigkeit und als neue Datenwerte auf der Middleware
basierte Middleware (HiL-Bus) auf Skalierbarkeit. RTI Connext DDS ist auf, ähnlich wie eine Datenbank eines
zubauen. Nur ein System, das auf außerdem auch in führenden Software- Enterprise-Systems Veränderungen in
offener, frei zugänglicher und standar- Modellierung-Tools integriert, um damit Tabellenzeilen und -spalten ablegt. Die
disierter Technologie basiert, kann dem auch eine modellbasierte Entwicklung Middleware erhält in Echtzeit einen sys-
Anspruch der einfachen Integration zu ermöglichen. temweiten Status, der sofort und unmit-
telbar allen interessierten Teilnehmern
bereitgestellt wird.
Eine datenzentrierte Infrastruktur
ermöglicht es, den Datenaustausch
genau zu kontrollieren. Ein Prüfstand
kann so elegant und einfach den aktuel-
len funktionalen Testanforderungen
Sensor Sensor Control Display Aktor angepasst werden. Die Möglichkeit, die
App App
logische Prüfstandsarchitektur von der
physikalischen Infrastruktur auf diese
Weise zu entkoppeln, ermöglicht es, HiL-
Subsysteme nach dem Plug-and-Play-
Prinzip zu kombinieren. Damit lassen
OMG Data Distribution Service (DDS) sich Testsysteme unterschiedlicher Her-
steller schnell und robust in eine einheit-
liche Infrastruktur integrieren. Dies
3 Die Architektur des OMG-DDS-Datenbus führt zu deutlicher Zeit- und Kostener-
54sparnis und erlaubt, für jede zu testende mintegration, Systemaufwertung und
Funktion das beste System auf dem -erneuerung verringert. Letzten Endes
Markt zu verwenden. Das setzt eine reduziert das die Kosten des Gesamtsys-
schnelle, einfache und unproblematische tems“ [7].
Anbindung verschiedener Testsysteme Um ein solches offenes System für ver-
an den HiL-Bus voraus. schiedenste HiL-Lieferanten zu realisie-
Jedes an den HiL-Bus angeschlossene ren, muss sich der Einstieg für den HiL-
Modul beobachtet die Kommunikation Hersteller einfach und problemlos gestal-
und überprüft, ob die Übertragung der ten. Dabei spielen neben den technischen
Daten innerhalb der vorgegebenen Zeit- auch kommerzielle Aspekte eine ent-
bedingungen durchgeführt wurde. Der scheidende Rolle. Aus technischer Sicht
OMG Data Distribution Service bietet liefert Audi die Definition der Daten, die
entsprechende Mechanismen (Quality of über den HiL-Bus zwischen Modulen
Service, QoS) Einstellungen), die es ausgetauscht werden sollen. Für die
jedem Teilnehmer erlauben, Echtzeitbe- erfolgreiche Integration eines HiL-
dingungen zu überwachen und die ent- Moduls wird dieses technisch an die
sprechenden Grenzwerte festzulegen. Software-Infrastruktur angebunden.
Die DDS-basierte Middleware benach- Dies erfolgt durch die Integration einer
richtigt den Anwender, falls diese Anfor- DDS-Schnittstelle in das jedes HiL-Modul
derungen nicht eingehalten werden durch die eigens entwickelte Software-
konnten. Bibliothek (PSM-Library). Kommerziell
bedeutet das, dass HiL-Modul-Hersteller
eine DDS-Lizenz benötigen. Durch das
OPEN-COMMUNIT Y-SOURCE-
Open-Community-Source-Lizenzmodell
GESCHÄF TSMODELL
von RTI kann jeder Audi-Partner eine
RTI Connext DDS ist eine Implementie- kostenfreie Lizenz für Verwendung der
rung des offenen DDS-Standards. Neben Grundfunktionalität von RTI Connext
der hohen Performance, der bewährten DDS erhalten. Dieses Lizenzmodell bein-
Robustheit und den erhältlichen Ent- haltet keine Copy-Left-Klausel und
wicklungswerkzeugen zeichnet sich RTI erlaubt damit eine einfache und komfor-
Connext DDS durch eine weitere wich- table Integration der DDS-Bibliotheken
tige Innovation aus: RTI liefert RTI Con- auf Lieferantenseite.
next DDS unter einem Lizenzmodell,
dass die Zusammenarbeit verschiedener
VERTEILTE ENTWICKLUNG
Hersteller ermöglicht.
VON PRÜFSTANDSMODULEN
Stan Schneider, CEO von RTI, betonte
diesen Ansatz in seiner Präsentation Ein weiterer Vorteil der echtzeitfähigen
beim FACE Technischen Symposium. datenzentrierten Infrastruktur des HiL-
„RTI unterstützt eine offene Architektur, Bus ist die entkoppelte modulare Ent-
die die Auswahl an Applikationen berei- wicklungsfähigkeit. Für die offene Archi-
chert und die Kosten für Einkauf, Syste- tektur des HiL-Bus ist es wichtig, dass
Prüfstandsmodule unabhängig vom
Gesamtprüfstand entwickelt werden
können. DDS setzt die Echtzeitfähigkeit
in der Kommunikation durch eine Peer-
HiL-Bus to-Peer-Architektur um. Damit muss
keine vorher festgelegte Reihenfolge bei
der Teilnahme am HiL-Bus eingehalten
HiL-Modul werden. DDS arbeitet nach dem Publis-
her-Subscriber-Konzept und bietet den
Verteilte Abstraktionsschicht standardisierten „Discovery“-Mechanis-
(Prüfstandsmanager)
mus, der jeden Teilnehmer als Lieferant
mit HiL-Bus-Schnittstelle
(Publisher) oder Konsument (Subscriber)
Glue Code von HiL-Bus-Daten identifiziert. Durch
die Verlagerung des Kommunikations-
managements in die Middleware redu-
Proprietäre Anwendung ziert sich der Integrationsaufwand, der
normalerweise beim Aufbau eines ver-
4 Prüfstandsmanager als verteilte teilten Systems notwendig ist. Anstatt
Abstraktionsschicht detaillierte Kommunikationsprotokolle
03I2014 9. JahrgangENT WICKLUNG Hardware- in -the- Lo op
HiL-Bedienung HiL-Module
Anwendung Modul Anwendung Modul
Glue Code Glue Code
PSM PSM
ECU
DDS DDS
Manager Leitstand Hersteller A
Anwendung Modul
ECU
Glue Code
Anwendung Modul
PSM
Glue Code
DDS
PSM Hersteller A ECU
Tester Experimentiersoftware DDS
Anwendung Modul
Glue Code
Anwendung Modul PSM ECU
Glue Code DDS Hersteller B
PSM
Anwendung Modul
DDS
Tester Testautomatisierung
Glue Code
PSM
ECU
DDS Hersteller B
Anwendung Modul
Glue Code Anwendung Modul
PSM Glue Code
Tablet DDS PSM ECU
DDS
Hersteller C
Anwendung Modul
Anwendung Modul
Glue Code
Glue Code
PSM
PSM
Smartphone DDS
DDS Data Logger
Virtuelle Probefahrt
Anwendung Modul Anwendung Modul Anwendung Modul Anwendung Modul
Glue Code Glue Code Glue Code Glue Code
PSM PSM PSM PSM
DDS DDS DDS DDS
[3] Volkswagen AG: Der Baukasten für die Zukunft.
In: Volkswagen AG – Autogramm, Ausgabe
1-2/2012, Wolfsburg, 2012
[4] Volkswagen AG: Glossar: http://www.volkswa-
Straßensimulation Sensorsimulation Verkehrssimulation Fahrersimulation gen.de/de/Volkswagen/nachhaltigkeit/service/glos-
5 Logische Gesamtarchitektur sar_nachhaltigkeit/plattformstrategie.html. Abgeru-
fen am 27. August 2013
[5] Object Management Group: Data Distribution
Service for Real-Time Systems v 1.2. 01.01.2007.
http://www.omg.org/cgi-bin/doc?formal
auszutauschen und zu implementieren, den Anschluss der proprietären Modul- [6] Kellerwessel, C.: Connectivity im Fahrzeug –
Nutzen und Umsetzung. 16. Internationaler Kon-
werden nun lediglich Datenanforderung Funktionalität zu ermöglichen, 4.
gress „Elektronik im Fahrzeug“ Baden-Baden.
und Datenangebot definiert und in Dadurch ist außerdem die einfache 16.10.2013
einem Audi-spezifischen Datenmodell Integration des konzerneinheitlichen [7] Schneider, S.: FACE Consortium F2F Meeting.
hinterlegt. Testautomatisierungswerkzeugs EXAM Keynote. Sunnyvale, Kalifornien, USA. 4. bis 6. Juni
2013, http://online.wsj.com/article/PR-CO-
möglich. EXAM setzt bereits viele prop-
20130530-907778.html
rietäre Hard- und Software-Anbindungen [8] Schacker, C.: Data-Centric Middleware – A fun-
VERTEILTE ABSTRAKTION –
verschiedener Hersteller um, die exakt damental improvement in developing, maintaining
PRÜFSTANDSMANAGER and deploying mission-critical distributed systems.
auf die Bedürfnisse der automatisierten
Verfügbar unter: http://www.rti.com/docs/RTI_Data_
Für die Realisierung des HiL-Bus und die Tests zugeschnitten sind. Der HiL-Bus Centric_Middleware.pdf
Anbindung von HiL-Modulen wird eine ermöglicht die Arbeit mit bereits beste- [9] Effertz, J.: RTI Helps to ‚Think About the Data,
Abstraktionseben eingeführt. Die Abs- henden Nutzerschnittstellen. Somit ist Not How to Communicate. Interview. 18.04.2012.
https://web2.sys-con.com/node/2251954
traktion wird durch den sogenannten keine Anpassung der heutigen Arbeits-
Prüfstandsmanager (PSM) umgesetzt. weise, auch bei der Durchführung
Die PSM-Bibliothek ist eine von Audi manueller Tests, notwendig, 5.
entwickelte Software-Bibliothek, die aus
zwei Teilen besteht: der HiL-Bus-Schnitt- DOWNLOAD DES BEITRAGS
stelle (auf Basis RTI Connext DDS) und LITERATURHINWEISE www.springerprofessional.de/ATZelektronik
dem Prüfstandsmanager selbst. Diese [1] ISO 26262, Road vehicles — Functional safety,
Part 1 – 10, 2011/11
Bibliothek wird in jedes HiL-Modul inte-
[2] IEC 61508, Functional safety of electrical/ READ THE ENGLISH E-MAGAZINE
griert und durch einen Modulhersteller- electronic/programmable electronic safety-related order your test issue now:
spezifischem Glue-Code erweitert, um systems, Part 1–7, 2011/02 springervieweg-service@springer.com
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