Debugging von Embedded-Systemen in der Automobilelektronik Mixed-Signal-Systeme sicher beherrschen

Bei der Entwicklung eingebetteter Systeme lassen sich digitale und analoge Signale nicht immer trennen. Eine neue Geräteklasse vereint die Funktionen eines digitalen Speicheroszilloskops mit verschiedenen Zusatzfunktionen eines Logikanalysators.

Debugging von Embedded-Systemen in der Automobilelektronik

Bei der Entwicklung eingebetteter Systeme lassen sich digitale und analoge Signale nicht immer trennen. Eine neue Geräteklasse vereint die Funktionen eines digitalen Speicheroszilloskops mit verschiedenen Zusatzfunktionen eines Logikanalysators.

Heutige Automobile stecken voller Digitaltechnik. Die einzelnen Subsysteme kommunizieren in der Regel kostengünstig und effizient über serielle Leitungen. Dabei wird eine ganze Reihe von seriellen Protokollen eingesetzt. Innerhalb elektronischer Steuereinheiten (ECU, Electronic Control Units) nutzt man die Protokolle I2C und SPI für die Chip-zu-Chip-Kommunikation. Auf den längeren Kabelstrecken zwischen verschiedenen, über das Fahrzeug verteilten Subsystemen wie Antiblockiersystemen, Airbag-Steuerungen, Motorsteuerung und GPS-Navigation sind Protokolle wie CAN, LIN und MOST vorherrschend. Bild 1 zeigt einen Überblick.

Ärgerlicherweise hat man auf längeren Kabelstrecken oftmals Probleme mit der Signalintegrität, gerade in solch widrigen Umfeldbedingungen, wie ein Automobil sie bietet. Die Zündung stört in jedem Fall, dazu gibt es eine Reihe von zeitlich nicht vorhersehbaren Störsignalen, die manchmal in entscheidenden Phasen der Kommunikation Fehler verursachen.

Grundsätzlich sind Systeme der Automobilelektronik Embedded-Systeme, die sowohl digitale als auch analoge Signale verarbeiten. Sie arbeiten normalerweise mit mehreren analogen Sensoren und steuern analoge Steuerelemente mit digitalen Signalen. Jahrelang waren herkömmliche Oszilloskope das wichtigste Handwerkszeug für Entwicklungsingenieure in diesem Bereich. Sie maßen damit sowohl analoge als auch digitale Signale. Herkömmliche Oszilloskope haben diesbezüglich allerdings Einschränkungen: Beispielsweise verfügen sie über zu wenige Datenerfassungskanäle und können nicht auf serielle Signale triggern. Diese Lücke schließt eine neue Messgeräteklasse, die Mixed-Signal-Oszilloskope (MSO). Geräte dieser Klasse bieten für Entwicklung, Fehlersuche und Verifikation aktueller Automobilelektronik-Designs eine Reihe von Vorteilen.

Um die spezifischen Vorteile eines MSO darzustellen, beschreibt dieser Artikel eine typische Vorgehensweise, mit der man einem Problem mit der Signalintegrität in einem CAN-Bus-System auf die Spur kommt. Das MSO erfasst die Ausgangsamplitude eines abgesetzen, analogen Messwertgebers, das CAN-Signal, das die Sensordaten zu einer elektronischen Steuereinheit übermittelt und dazu einige SPI-Steuersignale der elektronischen Steuereinheit. Das MSO synchronisiert auf das CAN-Signal und zeigt alle Signale auf seinem Bildschirm an.

Vereint Möglichkeiten von Speicheroszilloskop, Logik- und Protokollanalysator

Ein MSO ist ein hybrides Messgerät, das sämtliche Messmöglichkeiten eines digitalen Speicheroszilloskops (DSO) und zusätzlich einige Messfunktionen eines Logikanalysators und eines Protokollanalysators für serielle Protokolle in sich vereint. Es kann mehrere analoge und digitale Messkurven und dazu decodierte serielle Signale in richtiger zeitlicher Beziehung auf einem einzigen Bildschirm anzeigen. Viele herkömmliche Oszilloskope, auch solche neueren Datums, haben nur begrenzte Triggermöglichkeiten; aktuelle MSOs hingegen bieten eine Reihe ausgefeilter Triggerfunktionen und Protokollanalyse für serielle Signale. Diese Funktionen eignen sich insbesondere auch für die Fehlersuche in der Automobilelektronik.

Mixed-Signal-Oszilloskope haben normalerweise deutlich weniger digitale Datenerfassungskanäle als ausgewachsene Logikanalysatoren, auch erreichen sie bei der Protokollanalyse nicht das Abstraktionsniveau spezieller Protokollanalysatoren. Dafür sind MSOs vergleichsweise einfach zu bedienen und bei weitem nicht so komplex wie „große“ Logik- oder Protokollanalysatoren. Diese einfache Bedienung ist ein Hauptvorteil eines MSO. Man kann ein MSO einsetzen wie ein normales Oszilloskop, aber es kann viel mehr. Weil das Gerät eine integrierte Komplettlösung ist, ist es wesentlich praktischer und zudem mechanisch robuster als eine „Stricklösung“, bestehend aus einem gewöhnlichen Oszilloskop und einem Logik- oder Protokollanalysator. Ein gutes MSO ist benutzerfreundlich, bietet schnelle Bildwiederholraten, beherrscht die Analyse von seriellen Protokollen und triggert darauf. Davon abgesehen arbeitet es wie ein Oszilloskop, nicht wie ein Logik- oder Protokollanalysator.

Im nächsten Schritt wird die Triggerung des Oszilloskops so modifiziert, dass es nur noch auf fehlerhafte Datenpakete reagiert (Bild 4). Jetzt erfasst und zeigt das Gerät nur noch fehlerhafte CAN-Pakete und verwirft die fehlerfreien. Der Entwicklungsingenieur kann nun entweder auf „Stop“ drücken und damit die Signalqualität des letzten fehlerhaften CAN-Pake-tes analysieren oder die Betriebsart „Single-Shot“ wählen und damit die nächste fehlerhafte Übermittlung einfrieren. Zunächst wird angenommen, dass die intermittierenden Übertragungsfehler mit allgemein zu starken Einstreuungen in das CAN-Signal zusammenhängen (Bild 4 oben, gelbe Kurve. Das MegaZoom-Bildschirmsys-tem des MSO zeigt 256 Helligkeitsstufen, ähnlich wie ein herkömmliches Analogoszilloskop). Die Störspannungen folgen offensichtlich einer Gauß’ schen Normalverteilung. Die Messung dieser zufälligen Störspannungen mit der MSO-Funktion „Standardabweichung“ ergab, dass der Störpegel innerhalb der spezifizierten Toleranzen lag und somit nicht die Ursache des Fehlers war.

Bei der weiteren Untersuchung des CAN-Signals auf Kanal 1 findet man einen schmalen Störimpuls nahe der fünften Anstiegsflanke. Betrachtet man das gespeicherte CAN-Datenpaket im normalen, komprimierten Modus, bei dem die komplette Aufzeichnung mit bis zu 8 Millionen Punkten mit einer Zeitbasis von 200 µs pro Skalenteil über den Bildschirm dargestellt wird, so ist der schmale Störimpuls kaum sichtbar und somit leicht zu übersehen. Spreizt man die Darstellung aber auf 5 µs pro Skalenteil (Bild 5), kann man bei der hohen Abtastrate des Geräts von bis zu 4 Milliarden Samples pro Sekunde den Störimpuls leicht erkennen.

Nach Entdeckung des Störimpulses und Messung seiner Amplitude werden weitere Messungen durchgeführt, jeweils mit Triggerung nur auf fehlerhafte Datenpakete. Man kann dabei erkennen, dass die Störimpulse nicht nur selten, sondern auch an zufälligen Positionen innerhalb des Datenrahmens auftreten, also ohne erkennbare zeitliche Korrelation. Offenbar werden diese Störimpulse von einer Signalquelle eingestreut, die zum CAN-Signal keine feste Phasenbeziehung hat. Es gilt nun, diese Störquelle zu lokalisieren, um das Übel an der Wurzel zu packen.