Göpel: Boundary-Scan-Systeme für Kernfusionssysteme
Die Qualität von Baugruppen muss auch in der wissenschaftlichen Grundlagenforschung sichergestellt sein. Hier muss häufig eine Vielfalt elektronischer Systeme zusammen funktionieren, damit das Gesamtsystem reibungslos läuft.
Das Max-Planck-Institut ist weltweit für seine Grundlagenforschung in verschiedenen Bereichen der Physik bekannt. Am Standort in Garching bei München besteht am Fusionsexperiment »ASDEX Upgrade« die Abteilung CODAC (COntrol and Data ACqusition), die verschiedene Hard- und Softwaresysteme für Experimente zur Kernfusionsforschung entwickelt und betreut.
Ein Hauptbestandteil dabei sind »Front-Ends« für Datenerfassungssysteme zur Experimentdurchführung. Die Vielfalt der entwickelten Baugruppen ist sehr groß, da jede Diagnostik ihre bestimmten physikalischen Prinzipien hat, die spezifische Erfassungssysteme benötigen. Die Lebensdauer der gefertigten Platinen beträgt teilweise 20 Jahre und mehr.
Weitere Aufgabenbereiche der Techniker bei CODAC sind daneben elektrische Wartungsarbeiten für das Haupt- und die Nebenexperimente, aber auch die Instandsetzung bei akuten Systemausfällen. Oftmals werden immer wieder Sonderlösungen für verschiedenste Steuer- und Regelaufgaben benötigt, die aufgrund der Anforderungen und Besonderheiten des lokalen Experimentierbetriebs nicht kommerziell erhältlich sind.
Ein Großteil der entwickelten Baugruppen beinhaltet digitale (Teil-)Systeme, die auf programmierbaren Logikbausteinen wie CPLDs oder FPGAs beruhen. Man baut bei CODAC darauf, weil der Experimentierbetrieb ein hohes Maß an Flexibilität voraussetzt. Durch die Möglichkeit der In-System-Programmierung sind kurzfristige Änderungen im Entwicklungsprozess und somit schnelles Prototyping mit vertretbarem Aufwand machbar.
Diese Flexibilität bietet ein Optimum bezüglich Kosten/Nutzen und Aufwand insbesondere für die benötigten Kleinserien bei Losgrößen zwischen 1 und 150. Die in der Abteilung entwickelten Prototypen und Boards, inklusive Multilayerplatinen, werden im eigenen Haus gefertigt und bestückt, für größere Stückzahlen zieht man auch externe Fertigungspartner mit heran.
Die Qualitätsanforderungen an die Baugruppen sind sehr hoch, denn wenn einzelne Messkanäle bei der Datenerfassung während des laufenden Experiments ausfallen, gehen diese Messdaten unwiederbringlich verloren. Jeder Experimentzyklus bei der Zündung des Plasmas ist einmalig und sehr kostenintensiv. Deshalb muss die Qualität der Baugruppen sichergestellt werden, zumal eine Vielfalt elektronischer Systeme zusammen funktionieren muss, damit das Gesamtsystem reibungslos läuft.
Bis vor kurzer Zeit verließen sich die Forscher auf manuelle Inspektion und den Funktionstest. Doch letzterer erwies sich als wenig effektiv, gerade wegen der zunehmenden Komplexität und Packungsdichte auf den Boards. Weiterhin stieg die Testzeit durch den Einsatz neuer Architekturen wie BGA-Bausteine immens und war nicht mehr akzeptabel. Deshalb war eine automatisierte Testlösung zwingend notwendig und die logische Konsequenz auf die Anforderungen seitens der Entwickler.
Da sich das Baugruppendesign durch die massive Verwendung von FPGAs/CPLDs immer mehr in Richtung Boundary-Scan entwickelte, nahm die Bedeutung der späteren Testbarkeit stetig zu. Und da programmierbare Logik wie CPLD- oder FPGA-Bausteine von Haus aus die benötigte Boundary-Scan-Architektur beinhalten, arbeitet neuerdings ein entsprechendes Testsystem von Göpel in Garching, nämlich »Scan-Booster« mit »USB DesignerStudio«.
Diese Kombination soll Flexibilität sicherstellen, wobei die Programmiersprache CASLAN spezifische kundendefinierte Tests ermöglicht, die dank interaktiver Dialoge auch von Operatoren durchgeführt werden können. Selbstprogrammierte Cluster-Tests erhöhen die Testabdeckung und finden sogar Fehler, die vorher nicht detektierbar gewesen wären.
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