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Einzelsteuergeräte im AUTOSAR-Umfeld

Vernetzungstest leicht gemacht

26. Juli 2021, 09:00 Uhr   |  Von Christopher Manthey und Steffen Rauh

Vernetzungstest leicht gemacht
© sdecoret | Shutterstock

Trotz der Vereinheitlichung von Softwaremodulen empfiehlt es sich, jedes Steuergerät einem Netzwerktest zu unterziehen, um dessen Kommunikationsschnittstellen zum Fahrzeugnetzwerk zu validieren. Was dabei zu beachten ist, beschreibt dieser Artikel am Beispiel eines konkreten Vernetzungstestsystems.

Durch Standardisierung üblicher Netzwerkprotokolle und Dateiformate in Konsortien wie AUTOSAR und ASAM wird die Interoperabilität und Stabilität der E/E-Komponenten des Kraftfahrzeugs verbessert. Standardkonforme Softwaremodule fließen als parametrierbare Standardsoftware in die Kommunikationsstacks der Steuergeräte ein. Im Optimalfall ergänzt der Steuergeräteentwickler nur noch die für sein Steuergerät spezifischen Funktionen.

Das Sollverhalten eines Netzwerkteilnehmers ist in den Lastenheften eines OEMs definiert. Dazugehörige Prüfnormen spezifizieren Methoden zur Validierung der Netzwerkfunktionen. Sie beschreiben das Sollverhalten des Einzelsteuergeräts oder eines Verbunds mehrerer Steuergeräte unter Testbedingungen. Grundlege Prüfvorschriften beziehen sich meist auf die generelle Validierung einer Kommunikationstechnologie einschließlich seiner wichtigsten Funktionen im Fehler- und Netzwerkmanagement sowie der Busdiagnose. Diese Prüfspezifikationen gehören für die Technologien CAN FD, LIN, FlexRay und Automotive Ethernet zu den Standardprüfungen im Einzeltest eines Steuergerätes.

Hinzu kommen spezialisierte Prüfnormen, die ein konkretes Kommunikationsprotokoll im Detail absichern. Typische Vertreter sind den Bereichen End-to-End-Absicherung, Transport- und Diagnoseprotokolle, Netzwerkmanagement oder Energiemanagement zuzuordnen. Ein übergreifendes Themengebiet ist in diesem Zusammenhang die sichere On-Board-Kommunikation (SecOC) des AUTOSAR-Standards, die insbesondere die Authentizität und Integrität der auf PDU-Ebene übertragenen Daten sicherstellen soll.

Die ausgeprägte Heterogenität von Übertragungstechnologien sowie die steigende Komplexität moderner E/E-Fahrzeugarchitekturen bieten neue Herausforderungen für das Testequipment. Um trotz komplexer Übertragungsprotokolle, hoher Datenmengen und einer Vielzahl neuer Technologien die Zuverlässigkeit und Sicherheit der elektrischen Anlage des Kraftfahrzeugs sicherzustellen, ist die Anpassung oder Neuentwicklung von Testfällen und Testsystemen notwendig.

Automotive-Vernetzungstest

Der Vernetzungstest für das Einzelsteuergerät und den Steuergeräteverbund lässt sich in die Prüfkomplexe Busphysik, Parameter, Versorgung, Datenfestlegung, Fehlermanagement, Netzmanagement, Diagnose und Routing untergliedern.

Busphysik
Zur Busphysik gehören die Messung von Signalpegel, Flankensteilheit und Busabschluss. Letzterer ist eine wesentliche Grundlage für eine fehlerfreie Kommunikation im Fahrzeug und die Vermeidung von Pseudofehlern während des Tests.

Parameter
Die nachzuweisenden Controller-Parameter unterscheiden sich je nach Übertragungstechnologie erheblich in Anzahl und Komplexität. Für die Funktionsweise wesentlich sind zum Beispiel Bitrate und Abtastzeitpunkt. Die Prüfung von eingestelltem Abtastzeitpunkt (Samplepoint) und Secondary Samplepoints des CAN-FD-Steuergeräts nach einem patentierten Verfahren (DE102009039200 A1) sowie die Bestimmung des LIN-Samplepoints laut LIN2.1-Conformance-Test erfolgt mittels Funktionsgenerator. In diesem Zusammenhang kann auch die Bitratenumschaltung eines CAN-FD-Teilnehmers im Fehlerfall nachgewiesen werden (Verfahren zum Patent angemeldet). Ein weiterer typischer Test in diesem Bereich ist die Prüfung der Transmission Start Sequence (TSS), die den Übertragungsbeginn eines FlexRay Frames kennzeichnet. Sie wird mittels Aufnahme eines Oszilloskops validiert.

Versorgung
Typische Testfälle im wichtigen Komplex Versorgung sind die Ermittlung der Betriebsspannungsgrenzen, der Stromaufnahme, des Sendebeginns sowie die Reaktionen auf Störungen der Betriebsspannung in Form von Impulsen und Rampen. Vorgaben dazu macht zum Beispiel die VAG-Norm VW80000. Sie beinhaltet verschiedene Verläufe der Versorgungsspannung wie etwa Spannungsschwankungen, die den Kalt- oder Warmstart eines Fahrzeugs simulieren. Diese Prüfungen gehören zum üblichen Umfang der Versorgungsprüfungen im Vernetzungstest in allen Technologien.

Datenfestlegung
Bei der Auswertung der Buskommunikation werden die gesendeten Daten der Steuergeräte entsprechend den Angaben der Datenfestlegung überprüft. Darunter fallen unter anderem die Einhaltung der Zykluszeit und der Datenlänge auf Frame- oder PDU-Ebene als auch die korrekte Berechnung von Zählern und Checksummen in den entsprechenden Signalen. Die parallele Aufzeichnung der Bussegmente sowie vom Bus unabhängige Testwerkzeuge ermöglichen dabei die Anwendung einheitlicher Testroutinen auf unterschiedliche Bustechnologien. Durch die gemeinsame Zeitbasis der Aufzeichnungen können weiterführende Tests hinsichtlich Wake-up-Weiterleitung oder PDU-/Si-gnal-Routing für Gateway-Steuergeräte durchgeführt werden.

In diesem Zusammenhang simuliert ein automatisiert erstellter Restbus sowohl die plausible Kommunikation im Fahrzeugnetzwerk, als auch Fehlerzustände durch Botschaftsausfall und fehlerhafte Zähler-/Checksummenberechnung. Letzteres ist gerade für den Testkomplex im Bereich der End-to-end-Absicherung (E2E) von PDU-Übertragungen notwendig. Bei Bedarf stellt eine signierte Übertragung durch AUTOSAR-SecOC die Authentizität und Integrität der Daten auf PDU-Ebene sicher.

Fehlermanagement
Die Prüfung des Fehlermanagements stellt eine wesentliche Prüfaufgabe im Steuergerätetest dar. Sie umfasst wichtige Prüfszenarien, wie physikalische Leitungsfehler und durch das Testsystem eingebrachte Störungen, die von den Busteilnehmern erkannt werden müssen. Für die Untersuchung der Bus-off-Behandlung werden Sende- und Empfangsbotschaften des CAN-FD-Steuergerätes gestört sowie Wartephasen, Re-Initialisierung und Empfangsbereitschaft in den Wartephasen ausgewertet. Weiterhin wird das Verhalten bei Eindrahtfehlern (wie Kurzschluss und Leitungsunterbrechung) sowie fehlendem Acknowledge getestet.

Die korrekte Funktionsweise des FlexRay-Controllers im Falle eines Syntax Errors, Content Errors oder einer Boundary Violation wird über dessen Status-Bits verifiziert. Bei der Boundary Violation beispielsweise wird der FlexRay Frame über die virtuellen Grenzen seines zugewiesenen Zeit-Slots hinaus gesendet. Diesen Fehler muss jeder FlexRay-Controller detektieren und der Steuergeräteapplikation melden. Für die Technologien LIN und Ethernet werden physikalische Störmodule integriert, die die Übertragungsleitungen mit ohmschen oder kapazitiven Lasten und Kurzschlüssen beaufschlagen. So lässt sich die Auswirkung von Fehlern und zusätzlichen Impedanzen auf die Qualität des Ethernet Links und dessen Kommunikationseigenschaften untersuchen.

Netzwerkmanagement
Das Netzwerkmanagement ist einer der wichtigsten Mechanismen der Buskommunikation. Ein einziges Steuergerät, das nicht spezifikationsgemäß in den Zustand der Busruhe bzw. den Sleepmode übergeht, reicht aus, um alle anderen Busteilnehmer wach zu halten und damit die Fahrzeugbatterie binnen kurzer Zeit zu entladen. In diesem Testkomplex werden deshalb beispielsweise Zustandsübergänge, Weckursachen, Aufstartverhalten und nicht zuletzt die dauerhafte Einhaltung der Busruhe geprüft.

Beim Test des Aufstartverhaltens muss das Steuergerät innerhalb eines spezifizierten Zeitraumes (beispielsweise nach Einschalten der Zündung) mit dem Sendevorgang beginnen und das Senden auf dem Bus zu einem späteren Zeitpunkt (zum Beispiel nach Abschalten der Zündung) wieder einstellen und diesen Zustand der Busruhe beibehalten.

Der Sendestart und -stop von Applikation und Netzwerkmanagement innerhalb einer bestimmten Zeit ist ein wichtiges Prüfkriterium und essenzielle Bedingung für die korrekte Funktionsweise des Gesamtfahrzeugs. Um die Testtiefe weiter zu erhöhen, ist es sinnvoll, zusätzliche Stresstests im Bereich von State- und Netzwerkmanagement durchzuführen. Dabei wird iterativ die Zeit zwischen dem Erreichen der Busruhe und dem Wiederwecken durch das Testsystem verkleinert, um die Stabilität der Zustandsmaschine des Steuergerätes zu verifizieren.

Diagnose
Die Prüfungen zur Diagnose von Steuergeräten umfassen alle Betriebsbereiche des Fahrzeugs. Grundlegend sind Tests zur Überprüfung der relevanten Diagnoseservices aller diagnosefähigen Steuergeräte über die angeschlossenen Schnittstellen, zum Beispiel mittels Diagnosis over IP (DoIP). Der Testkomplex der Diagnosetests beinhaltet beispielsweise die korrekte Befüllung der Fehlerspeicher nach Unter-/Überspannung, Spannungseinbrüchen, Leitungsfehlern und Botschaftsausfall. Weiterführende Prüfungen beinhalten außerdem den detaillierten Test von Transport- und Diagnoseprotokollen.

Bus-übergreifender Echtzeitmechanismus: Auf ein Ereignis folgen Aktionen mit parametrierbarer Verzögerung
© Göpel

Bild 1. Bus-übergreifender Echtzeitmechanismus: Auf ein Ereignis folgen Aktionen mit parametrierbarer Verzögerung

Routing
Prüfungen im Bereich Netzmanagement sowie PDU- und Signal-Routing erfordern häufig echtzeitfähige, busübergreifende Mechanismen mit gemeinsamer Zeitbasis, die bezugnehmend auf das Einschlafen eines Segments (zum Beispiel eines Ethernet-Links) eines Multibus-Steuergerätes, das aktive Wecken auf einem anderen Segment (zum Beispiel einem CAN-Bus) dieses Steuergeräts auslösen. Die Realisierung eines solchen Event-/Action-Konzepts innerhalb des Testsystems ist schematisch in Bild 1 dargestellt.

Das Testsystem MagicCAR

Der Test moderner E/E-Fahrzeugarchitekturen stellt vielfältige Herausforderungen an das Testequipment. Detaillierte Prüfungen zum spezifikationsgerechten Verhalten der Steuergeräte im Verbund können auf Basis der skalierbaren Göpel-Electronic-Testumgebung flexibel umgesetzt werden. Das Testsystem MagicCAR Compact steht für den effizienten Test von Funktionen/Applikationen im Automotive-Umfeld. Die neue Geräteserie zeichnet sich durch eine kompakte Bauweise aus, in der alle notwendigen Ressourcen (Versorgung, Relaismatrix, Kommunikations-Interfaces, Strommessung und evtl. Analyse-/Störmodule) vereint sind. Das Gerät basiert auf einer internen Ethernet-Architektur und kann durch externe Ethernet-fähige Geräte wie Oszilloskop oder Multimeter erweitert werden. Wesentlicher Bestandteil ist die interne Verwendung von Göpel-Standardprodukten für CAN FD, LIN, Flexray, Automotive Ethernet und LVDS.

Im Rahmen von Vernetzungstests kann das Kompakttestsystem sowohl für Einzelschnittstellen- als auch für Verbundtests am Brettaufbau bzw. realen Fahrzeug verwendet werden.

 

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