Mit automatisiertem HiL-Testsystem zur ISOBUS-Funktion

Mit automatisiertem
HiL-Testsystem zur ISOBUSFunktion von Landmaschinen
Dank des ISOBUS-Kommunikationsprotokolls lassen sich Landmaschinen verschiedener Hersteller weitgehend problemlos miteinander
kombinieren. Diese Errungenschaft ist jedoch herstellerseitig mit
erheblichem Entwicklungs- und Testaufwand verbunden. Der Landtechnikhersteller AGCO/Fendt hat in seine vorhandene Hardware-inthe-Loop- (HiL-) Testumgebung mit Hilfe des Simulations- und TestWerkzeugs CANoe.ISO11783 eine leistungsfähige Testautomatisierung integriert. Systematische Tests erhöhen nun die Produktqualität
und lassen den Hersteller in Zeiten von „Precision Farming“ dem
Trend zu weiteren „intelligenten“ Fahrzeugkomponenten gelassen
entgegenblicken.
D
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Elektronik automotive 12.2013
Problematik: umfangreiche Tests
treiben lässt und dem Landwirt dabei
stets den vollen Funktionsumfang auf
der Bedienkonsole zur Verfügung stellt.
Die einzelnen Teile der Norm behandeln unter anderem Themen wie Netzwerk-Management, Traktor-Steuergerät, Universal-Terminal (früher: Virtual
Terminal), Task Controller, Diagnostic
Services und File Server.
Bis alles so glatt wie im Beispiel funktioniert, bedarf es zahlreicher Testläufe
und Korrekturzyklen in den Test- und
Entwicklungsabteilungen. Einerseits
lässt der ISOBUS-Standard an einzelnen
Stellen gewisse Interpretationsspielräume offen, andererseits benötigen Projekte dieser Komplexität in der Prototypenphase ihre Zeit, bis der erforderliche
Reifegrad erreicht ist. So führt kein Weg
an intensiven und umfangreichen Konformitätstests vorbei [1]. Zusätzlich treffen sich die verschiedenen Hersteller
aus diesem Grund regelmäßig auf sogenannten „Plug-Festen“, um die Kompatibilität der einzelnen Geräte untereinander zu testen.
Vorteile standardisierter
Agrartechnik
Testaufbau des Traktor-Netzwerks
mit HiL-System
Welche Vorteile ISOBUS für Anwender
und Hersteller gleichermaßen hat, lässt
sich anschaulich am Beispiel des Uni-
Die AGCO Corporation übernahm 1997
den Traktorenhersteller Xaver Fendt
GmbH & Co. mit Hauptsitz in Markt-
Von Bernhard Stöckl, Hans-Werner Schaal, Thomas Bückle und Benjamin Fernandez
ie J1939-basierte ISO-Norm
11783 beschreibt die CAN-basierte Kommunikation in offenen Netzwerken für den mobilen Einsatz im landwirtschaftlichen Bereich.
ISO 11783 beschreibt ein Multi-MasterNetzwerk auf der Basis von CAN, dessen
Protokoll mit J1939 harmonisiert ist. Der
Begriff ISOBUS beschreibt einen Mindestumfang an Software- und Hardware-Funktionen, den Steuergeräte
oder Netze bereitstellen müssen. Das
ISOBUS-Protokoll stellt sicher, dass sich
entsprechendes Anbaugerät wie ein
Feldhäcksler oder ein Düngerstreuer an
jedem ISOBUS-konformen Traktor be-
versal Terminal (UT) erklären. Nach dem
Ankoppeln eines Anbaugeräts (Implement) liest das UT aus dem Steuergerät
des Implement eine Bibliothek mit grafischen Bedienelementen ein (Object
Pool). Diese Bausteine repräsentieren
dem Benutzer die verschiedenen Funktionen und ermöglichen eine bequeme
Bedienung des Anbaugeräts.
(Bild: AGCO/Fendt)
messen + testen
messen + testen
oberdorf/Allgäu, wo sich Entwicklung,
Produktion und Vertrieb der Traktoren
befinden. Neben Traktoren umfasst das
Produktportfolio zahlreiche Feldhäcksler, Mähdrescher und Ballenpressen, für
die weitere Firmenstandorte in Bayern,
Sachsen-Anhalt sowie Italien verantwortlich sind.
Um die Herausforderung des steigenden Testaufwands zu meistern,
führt AGCO/Fendt umfangreiche Tests
an realen Traktor-Prototypen durch.
Darüber hinaus arbeitet das Unternehmen seit einiger Zeit mit dem Entwicklungs- und Consulting-Dienstleister
Gigatronik zusammen. AGCO/Fendt
entwickelt seine Steuergeräte-Software
nahezu komplett im eigenen Haus, lagert aber einige Arbeiten rund ums
Testen an den Dienstleister aus. Dessen
zentrale Aufgabe ist das Testen von
Universal-Terminals sowie Traktor-Steuergeräten und das Validieren der ISOBUS-Konformität.
Die wesentlichen Bestandteile des
eingesetzten Testaufbaus sind ein
Brettaufbau des Traktor-Netzwerks, ein
Hardware-in-the-Loop-System, ein
Echtzeit-Server (RT-Target) mit umfangreichen I/O-Schnittstellen sowie ein PC
mit dem auf die Anforderungen von
ISOBUS zugeschnittenen Entwicklungs-,
Test- und Simulationswerkzeug CANoe.
ISO11783 aus dem Hause Vector Informatik. CANoe.ISO11783 sorgt bei Entwicklungen vom Entwurf über die Testphase bis hin zur Wartung für den
ISOBUS-Funktionsumfang. Die komplexen ISOBUS-Kommunikationsstrukturen lassen sich auf vielfältige Weise
analysieren, visualisieren und aufbereiten. Der Umgang mit den oben beschriebenen Interpretationsspielräumen des Standards wird deutlich erleichtert, weil die Norm im Werkzeug
praktisch schon als interpretiertes Wissen vorliegt.
Der Traktor-Brettaufbau umfasst
sämtliche elektrischen und elektronischen Traktor-Komponenten wie Steuergeräte, Bussysteme, Verkabelung,
Lampen, Schalter und Bedienelemente.
Sie sind platzsparend und labortauglich
auf einem Gestell aus Industrieprofilen
befestigt. Der Aufbau entspricht einem
Serientraktor vollständig, nur Dieselmotor, Getriebe, Karosserie und Aufbauten fehlen (Bild 1).
Der Brettaufbau ist über ein Multicore-Kabel mit dem I/O-Rangierfeld des
RT-Server (Bild 2) verbunden. Dieser
Bild 1. Der Brettaufbau des Traktors beinhaltet alle elektronischen Komponenten des realen Traktormodells. Mit CANoe.ISO11783 und dem Real-Time Target lassen sich automatische Tests zu Echtzeitbedingung durchführen.
(Bilder: Gigatronik)
simuliert über Matlab/Simulink in Echtzeit diverse Steuergeräte und die fehlende Umgebung der Motor- und Sensorsignale, also zum Beispiel Geschwindigkeiten, Drehzahlen und Temperaturen. Durch den Bediener ausgelöste
Ereignisse wie Tastendruck oder Joystick-Bewegungen müssen manuell
ausgeführt werden. Ein Gefühl für die
Größe und Komplexität des gesamten
HiL-Systems vermittelt ein Blick auf die
I/O-Ebene. Sie besteht aus mehreren
hundert Spannungs- und Stromschnittstellen, zahlreichen digitalen Ein- und
Ausgängen und Ausgängen für die Ansteuerung von Relais. Dazu kommen
Frequenzausgänge, etliche CAN-Busse,
eine UDP-Schnittstelle sowie mehrere
Spannungsausgänge für die Versorgungsspannungen der Steuergeräte
des Brettaufbaus.
Manuelles Testen
als zeitaufwendige Notlösung
Als weiteres Werkzeug steht für die
Tests ein PC mit der Simulations- und
Test-Software CANoe.ISO11783 bereit.
Das System diente in erster Linie zur
Restbussimulation [2] und ist in der Lage, einzelne Netzknoten bis hin zu ganzen Teilnetzen zu simulieren. In CANoe.
ISO11783 lassen sich komplette Anbaugeräte nachbilden, anhand derer der
Traktor in den Tests seine ISOBUS-Tauglichkeit unter Beweis
Hardware-in-the-Loop-Umgebung
stellt. Auch Teilbereiche, zum
Beispiel ein UT, sind via CANoe
Traktor-Brettaufbau
Real-Time Target
mit allen Funktionen auf dem
UDP
VT
Simulation
TECU
TC
PC-Bildschirm simulier- und
Matlab/Simulink
ISOBUS
darstellbar. Das Testen von
Signalanpassung
ISOBUS-Anwendungen ist inGPS
Joystick
I/O-Karten
sofern aufwendig, als KonforBussignale und Analog/Digital I/O
mität prinzipiell für alle im
Traktor oder Anbaugerät geBild 2. Das ursprüngliche HiL-System setzt sich aus dem
nutzten Teile der ISOBUSReal-Time Target, dem Traktor-Brettaufbau und der UDPNorm nachzuweisen ist; darüAnbindung für die Kommunikation mit einem Restbussysber hinaus ist indirekt die
tem zusammen [3]. Die Armlehne mit integrierten BedienTraktor-interne Kommunikatielementen ist zum Beispiel als reale Komponente realisiert
on involviert. Außerdem liegt
und muss daher manuell bedient werden.
der ISOBUS-Standard selbst in
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messen + testen
Hardware-in-the-Loop-Umgebung
Traktor-Brettaufbau
CANoe
Datenbank
TECU
UDP-Schnittstelle
Testmodul
CAPL
CAPL
ISOBUS
TC
VT
GPS
Joystick
Real-Time Target
UDP
Simulation
Matlab/Simulink
Bussignale und
Analog/Digital I/O
Signalanpassung
I/O-Karten
Bild 3. Integration der CANoe-Schnittstelle in das bestehende Gesamtsystem: Das Testmodul steuert die bestehende Testumgebung.
Die Armlehne mit ihren integrierten Bedienelementen ist als virtuelle Komponente im Testsystem realisiert und kann daher entweder
manuell oder automatisiert durch das Testprogramm bedient werden [3].
verschiedenen Entwicklungsstufen vor.
Daher reicht es nicht aus, den aktuellen
Stand zu testen, sondern der Test muss
zusätzlich Abwärtskompatibilität zu Anbaugeräten früherer Entwicklungsstufen sicherstellen. Letztendlich sind zahlreiche Einzeltests (Testfälle) in einer
Vielzahl von Varianten durchzuspielen.
Trotz des beschriebenen HiL-Systems mussten die Mitarbeiter von Fendt
und Gigatronik bisher einige notwendige Tests auf herkömmliche Weise
manuell durchführen. Konkret hieß das:
Ein Mitarbeiter saß im
Schlepper und führte
– je nach Testfall –
stundenlang über
mehrere Tage bestimmte Traktor- und
Anbaugeräte-Bedienfunktionen wiederholt
aus. Dieses Testsystem
protokollierte dabei
alle Aktionen des Bedieners, die Systemreaktionen und den
Busverkehr. Anhand
des Protokolls ließen
sich die Inhalte der
Botschaften, TerminalReaktionen, TimingWerte, Zykluszeiten
und ähnliches dabei
bereits genau analysieren.
Auf der Wunschliste:
Testautomatisierung
Das auf diese Weise praktizierte Testverfahren war jedoch für Gigatronik
und Fendt noch nicht befriedigend.
Hochqualifizierte Mitarbeiter waren
durch einfache, aber zeitintensive Bedienvorgänge blockiert. Zudem haftete den Tests trotz des hohen Zeitbedarfs angesichts der vielen Parameter
ein etwas rudimentärer Charakter an.
So begannen die Verantwortlichen,
Möglichkeiten für eine systematische
und tiefergehende Testautomatisierung zu evaluieren und die ungeliebte
manuelle Interaktion zu ersetzen. Eine
Lösung mit Robotern, die die menschlichen Bewegungen mit mechanisch
betätigten Bedienarmen nachbilden,
wäre nicht nur extrem aufwendig zu
realisieren, sondern auch unflexibel
und schied so frühzeitig aus.
Eleganter und überzeugender erschien ein elektronisches Konzept,
zumal mit ­CANoe schon ein leistungsfähiges Testwerkzeug vorhanden war.
Das integrierte „Test Feature Set“ in der
Softwa­­re stellt eine durchgängige
Werkzeugkette von der Definition der
Testanforderungen über die Testdurchführung bis zum Generieren und Auswerten der Berichte zur Verfügung.
CANoe kann wahlweise als Test-Master
fungieren oder sich in bestehende
Testumgebungen einfügen. Zur Ansteuerung und Kommunikation mit
anderen Werkzeugen stehen Schnittstellen wie COM oder .NET zur Verfügung. Für die Tests lassen sich sogenannte Testknoten erstellen, die
ähnlich wie simulierte Netzknoten
ganz normal am realen Busgeschehen
teilnehmen. Deren Verhalten und
Funktionen definiert der Testingenieur
in Testmodulen, wofür er wahlweise
die C-ähnliche Skriptsprache CAPL
oder den XML-Standard verwenden
kann.
CANoe schlägt Brücke
zum Real-Time Target
Bild 4. Statt von einer realen Armlehne mit integrierten Bedienelementen werden die von dort ausgehenden Signale komplett
über ein GUI realisiert, das alternativ zur manuellen Bedienung auch über das Testprogramm angesteuert werden kann.
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Vor einer erfolgreichen
Testautomatisierung war
noch die Frage zu klären,
wie die Tests und Simulationen von CANoe mit dem
Real-Time Target des HiLSystems gekoppelt werden können. Denn ein
schneller Kommunikationskanal zwischen den
beiden Systemen ist hierfür unverzichtbar. Um Informationen an das RTTarget zu senden oder von
dort zu erhalten, verfügt
dieses bereits über eine
UDP-Schnittstelle mit einem Fendt-eigenen Sicherungsprotokoll. Im Rahmen einer Bachelor-Arbeit
hat Gigatronik daher auf
messen + testen
der CANoe-Seite mit dessen Mitteln
ein dazu kompatibles Pendant entwickelt. Das Testsystem kann nun den
RT-Server über UDP steuern und ihm
wahlfrei denselben Signalvektor übermitteln, der vormals durch manuelle
Interaktion mit einer realen Komponente, zum Beispiel einer Armlehne
mit integrierten Bedienelementen, erfolgte (Bild 3). Prinzipiell kann so jede
reale, manuell zu bedienende Komponente automatisiert werden. Im Beispiel war es eine „intelligente“ Armlehne, in einem anderen Fall mag es das
Lenkrad sein.
Nach diesen vorbereitenden Arbeiten sind Gigatronik und AGCO/Fendt in
der Lage, die ISOBUS- und Steuergerätetests umfassend zu automatisieren
und schnell anzupassen. Insbesondere
die Möglichkeiten von CANoe.ISO11783
tragen jetzt wesentlich zu einer effizienten Testausführung bei. So ist mit
dem von CANoe bereitgestellten UT ein
ISOBUS-Anbaugerät ebenso gut steuerbar wie mit dem realen UT auf dem
Traktor. Musste bisher ein Mitarbeiter
stundenlang Bedienfunktionen an der
realen Armlehne des Traktors ausführen, übernimmt nun eine simulierte
Armlehne mit denselben integrierten
Bedienelementen automatisch dieselben Handlungen (Bild 4). Das Verhalten
der simulierten Komponente in den
einzelnen Testfällen ist in CAPL-Testmodulen genau definiert. Über die
Testoberfläche lässt sich auch der Motor (virtuell) starten, und es lassen sich
Sequenzen zum Vorwärtsfahren und
zum Rückwärtsfahren programmieren.
Besonders wichtig: CANoe.ISO11783
kann im Unterschied zur manuellen
Bedienung die Tests absolut reproduzierbar durchführen. Außerdem können
auch Fehler kontrolliert eingestreut
werden. Das Testsystem protokolliert
während der Testläufe alle relevanten
Botschaften und Signale mit und erstellt am Ende automatisch einen Testbericht.
Hohe Testqualität
durch Automatisierung
Die automatisierten Abläufe eröffnen
eine neue Qualität von Steuergerätetests. Früher wurde die Arbeit direkt am
nicht immer verfügbaren Prototyp erledigt, saßen tatsächlich Mitarbeiter auf
der Maschine und haben die Tasten bedient. AGCO/Fendt benötigt jetzt deut-
lich weniger Zeit an den echten Prototypen und muss nicht mehr so viele der
kostspieligen Versuchsfahrzeuge bauen. Tests können nun problemlos über
Nacht oder mehrere Tage lang durchlaufen, ohne dass Mitarbeiter ständig
präsent sein müssen. Das erlaubt es,
mehr in die Tiefe zu gehen, mehr zu
testen und mehr Testfälle systematisch
durchzuspielen. Dazu gehören auch
Tests, die ohne das Testwerkzeug gar
nicht realisierbar gewesen wären: Zum
Beispiel ein vielfach wiederholtes Überprüfen von Buslasten, wenn der Traktor
losfährt, wenn er anhält oder wenn
mehrere Anbaugeräte gleichzeitig ein
Objekt hochheben. Der Entwickler analysiert, wie dabei andere Botschaften
reagieren und wie sich Timing-Werte
und Zykluszeiten verhalten. Ebenso
sind statistische Auswertungen durchführbar, beispielsweise indem das Testsystem den Test-ablauf tausendmal
startet und protokolliert, wie Latenzzeiten bestimmter Botschaften variieren
oder welche Effekte beim Hochfahren
des Netzwerks entstehen können. Ein
großer Teil der Steuergerätetests erfordert es schließlich, das zu testende System mit Fehlern zu beaufschlagen.
Auch hierfür generiert das RT-Target auf
Anweisung von CANoe alle erdenklichen Fehlersituationen.
Ausblick
Nur durch neue Ansätze bei den Integrationstests lässt sich auch in Zukunft
eine hohe Produktqualität sichern. Angesichts der weiter steigenden Vielfalt
von ISOBUS-fähigen Landmaschinen
spielt dieser Punkt eine wichtige und
dringliche Rolle. Im Kontext von Precision Farming werden weitere Anforderungen nicht lange auf sich warten
lassen. Immer mehr GPS-Anwendungen
werden sowohl auf Zugmaschinen als
auch auf Anbaugeräten zum Einsatz
kommen, die die Arbeit der Feldgeräte
unterstützen. Beim Tractor Implement
Management steuert das Anbaugerät
den Traktor, indem es zum Beispiel Geschwindigkeit oder Drehzahl vorgibt.
Diese Erweiterungen lassen sich mit
einer Testautomatisierung deutlich effizienter realisieren.
eck
Literatur
[1]Ostermüller, A., Fellmeth, P.: Neue Wege
beim Testen. Elektronik automotive.
Heft 11.2011 S. 32–35.
[2]Albrecht, S., Decker, P.: Schnelle Wege zur
Restbussimulation – Virtuelle Netzwerke
ohne Programmier-Know-how erstellen.
Automobil Elektronik. Heft 3.2012
S. 58–60.
[3]Wemhöner, Marc: Testautomatisierung
im Bereich ISOBUS (Bachelorarbeit,
Wintersemester 2012/2013), Hochschule
Ulm, Fakultät Elektro- und Informationstechnik.
Dipl.-Ing.
Bernhard Stöckl
studierte Maschinenbau an der
Technischen Universität München. Er ist Fachbereichsleiter
im Versuch für Antriebstechnik
und Elektrik/Elektronik bei
AGCO/Fendt. Zuvor implementierte er dort als Versuchsingenieur den Bereich Hardware in the Loop.
[email protected]
Dipl.-Ing.
Hans-Werner Schaal
studierte Nachrichtentechnik
an der Universität Stuttgart
und Electrical & Computer Engineering an der Oregon State
University in Oregon, USA. Er
ist Business Development Manager bei der Vector Informatik GmbH für offene CAN-Protokolle wie ISO 11783 und
J1939 sowie im Bereich IP und Car2X. Zuvor war er Entwicklungsingenieur, Projektleiter und Produktmanager in verschiedenen Branchen im Bereich Testwerkzeuge für mehrere Netzwerk-Technologien.
[email protected]
Dipl.-Ing. (FH)
Thomas Bückle
studierte Nachrichtentechnik
an der Fachhochschule in Ulm.
Er ist Business Manager für den
Bereich Agrartechnik und Baumaschinen sowie Abteilungsleiter für den Bereich Embedded-Systems-Entwicklung bei
Gigatronik Technologies. Zuvor war Thomas Bückle Entwicklungsingenieur und Projektleiter in der Elektronikentwicklung bei Daimler und EvoBus.
[email protected]
Benjamin Fernandez,
M.Sc., MBA
studierte Mechanical & Electrical Engineering an der ITESM,
Mexiko, Mechatronics an der
TU Hamburg-Harburg und
MBA am NIT Hamburg. Er ist
Entwicklungsingenieur bei Gigatronik Technologies.
[email protected]
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