Durch Flexibilität und Wiederverwendbarkeit schneller zur Serie Zielsystemnahes "Rapid Control Prototyping"

Mit einer neuen Entwicklungsumgebung lassen sich Funk-tionen und Regelalgorithmen entwickeln und zielgerichtet überprüfen. Bereits im frühen Entwicklungsstadium werden die Anforderungen der Serie berücksichtigt, dennoch können jederzeit neue Ansätze und innovative Ideen auf der offenen Plattform ergänzt werden. Die Ergebnisse lassen sich zudem in Form von Modellen und Funktionen wiederverwenden.

Durch Flexibilität und Wiederverwendbarkeit schneller zur Serie

Mit einer neuen Entwicklungsumgebung lassen sich Funk-tionen und Regelalgorithmen entwickeln und zielgerichtet überprüfen. Bereits im frühen Entwicklungsstadium werden die Anforderungen der Serie berücksichtigt, dennoch können jederzeit neue Ansätze und innovative Ideen auf der offenen Plattform ergänzt werden. Die Ergebnisse lassen sich zudem in Form von Modellen und Funktionen wiederverwenden.

Der zunehmende Einsatz mechatronischer Systeme im Automobil erfordert Entwicklungswerkzeuge zur frühzeitigen Überprüfung von Regelalgorithmen und Funktionen. Um die Entwicklungszeiten zu verkürzen, müssen Werkzeuge zur Verfügung stehen, die es nicht nur zulassen, schon in frühen Projektphasen neue Ideen zu überprüfen und zu optimieren. Zudem sollen sich Forschungs- oder Entwicklungsergebnisse mit vergleichsweise geringem Aufwand auf den nächsten Schritt zur Serienanwendung übertragen lassen.

Für Neuentwicklungen werden in der Automobilindustrie häufig Echtzeit-Rechner auf PC-Basis eingesetzt. Diese bieten umfangreiche Ressourcen und lassen sich zudem um die notwendigen Schnittstellen ergänzen. Die Forderung nach Wiederverwendbarkeit steht den PC-basierten Entwicklungswerk-zeugen jedoch entgegen, da weder die Hardware noch die System-Software dem Embedded-Zielsystem im Automobil der Serie gleichen oder ähneln. Die Serienferne eines solchen Werkzeugs überträgt sich zwangsläufig auf das Arbeitsergebnis. Mit der verfügbaren Rechenleistung lassen sich z.B. ohne weiteres Funktionsblöcke einbinden, die auf einem Embedded-System später gar nicht ausführbar sind. Diese Vorgehensweise hat ihre Berechtigung, da sie dem schnellen Funktionsnachweis dient. Sobald Forschung, Vor- und Serienentwicklung jedoch nicht mehr völlig getrennt voneinander betrachtet werden und statt dessen eine konkrete Anwendbarkeit für Serienzwecke erkennbar sein soll, muss näher am Zielsystem entwickelt werden.

Das Zielsystem im Fokus

Eine zielsystemnahe Steuerungsplattform muss einige wesentliche Anforderungen an ein Seriensteuergerät erfüllen und dennoch offen sein für neue Ideen und zukünftige Innovationen. Da die Übertragbarkeit von Arbeitsergebnissen in den Mittelpunkt der Entwicklungsmethodik gerückt ist, müssen zunächst Hardware- und Software-Eigenschaften identifiziert werden, die maßgeblich die Entwicklung und Arbeitsweise beeinflussen. Die AFT Atlas Fahrzeugtechnik [1] hat dabei für ihre Steuerungsplattform PROtroniC ein OSEK-konformes Betriebssystem, das zeit- oder prioritätengesteuert arbeitet, als geeignete Basis für das serienorientierte Forschen und Entwickeln gewählt (Bild 1). Die auf dieser Basis entstandene System-Software ist passend zur Hardware modular gehalten. Dadurch ist die von RCP-Entwicklungswerkzeugen (Rapid Control Prototyping) erwartete Erweiterbarkeit gewährleistet. Auf der Anwendungsseite der klar definierten API (Application Programmable Interface) ist die Software frei zugänglich. Die System-Software unterhalb des API ist über ein Konfigurationsprogramm passend zu den verwendeten Eingangs- und Ausgangskanälen zu konfigurieren (Bild 2).

Mit dem in der Automobilindustrie etablierten MPC5554 steht ein leistungsfähiger Mikrocontroller zur Verfügung. Er ist zusammen mit der enthaltenen System-Software die Grundlage für die Wiederverwendbarkeit von entwickelten Algorithmen in gleichen oder ähnlichen Systemen. Im „Prototyping“ ist es aber wichtig, trotz der gewünschten Zielsystemnähe die damit zusammenhängenden Einschränkungen in der Entwurfsphase weitgehend zu vermeiden. Die Auswahl eines besonders leistungsfähigen Controllers ist wie die Ausrüstung mit umfangreichem Arbeitsspeicher zwar notwendig, aber nicht hinreichend. Entscheidend sind vielmehr zwei Aspekte: Eine skalierbare Systemleistung, die auch für Extremfälle ausreicht, sowie die Verfügbarkeit der Signalkonditionierungen und Endstufen für viele mögliche Anwendungen.

Skalierbare Systemleistung

Die Systemleistung des Entwicklungssteuergeräts PROtroniC wird durch ein FPGA (Field Programmable Gate Array) erhöht, mit dem sich besonders interruptlastige bzw. rechenzeitintensive Prozesse verarbeiten lassen. Solche Prozesse sind in frühen Phasen der Entwicklung häufig nützlich, damit lassen sich aufwendige Optimierungen der Algorithmen vermeiden. Im nächsten Entwicklungsschritt kann das FPGA schon entfallen oder seine Aufgaben werden, wenn in der Serie noch erforderlich, von einem ASIC (Application Specific Integrated Circuit) übernommen. Um weitergehende Anforderungen erfüllen zu können, ist eine Kopplung mehrerer Steuergeräte vorgesehen. Auf diese Weise können Rechenleistung und Peripherie erweitert werden.

Erst durch die integrierten Signalkonditionierungen und Endstufen wird das Prototyping-Werkzeug zum vollwertigen Steuergerät, und es erleichtert neben dem Labor- und Prüfstandsbetrieb auch den Einsatz im Fahrzeug. So bietet die Hardware eine Vielzahl konfigurierbarer Signalkanäle. Die Konfigurierbarkeit von Software und Hardware, teilweise mit Einbindung des FPGA, ermöglicht es, viele verschiedenartige Kanäle zur Verfügung zu stellen und gleichzeitig die Größe und Kosten der Hardware im Rahmen zu halten.

Sollen verschiedene Fälle, wie z.B. eine Getriebesteuerung und eine Fahrwerksregelung, mit nur einem Sys-tem abgedeckt werden, erhöht sich die Komplexität des Sys-tems. Es müssen Schnittstellen für viele verschiedene Sensoren und Aktoren vorgehalten und auch intern verarbeitet werden. Ein intuitiv bedienbares Konfigurationsprogramm hilft deshalb dem Anwender, die erfor-derliche Flexibilität zu handhaben. Der Anwender wird dabei „aktiv“ durch die Konfiguration der System-Software geführt. So lassen sich sowohl bei der Erstanwendung als auch bei Routinetätigkeiten Fehler vermeiden. Dabei werden nur plausible Einstellungen zur Auswahl gestellt, die zudem durch eine Online-Dokumentation erklärt werden. Diese Beschreibung der Verstellparameter hilft, die Eigenschaften des jeweiligen Kanals zu verstehen und die richtigen Einstellungen vorzunehmen. Neben der Konfiguration der System-Software wird so auch die Beschreibung der Hardware für die modellbasierte Funktionsentwicklung bereitgestellt.