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Mouser: Herausforderungen im Automotive-Bereich bewältigen

Der Automotive-Bereich ist ein faszinierender Zweig der Elektronik. Aufgrund von Verbesserungen bei Fertigungstechniken und Qualität kann ein Fahrzeug eine Laufleistung von mehr als 320.000 km erreichen. Das bedeutet eine Lebensdauer von mehr als zehn Jahren unter außergewöhnlich anspruchsvollen Umwelteinflüssen, von der Sommerhitze in Athen in Griechenland bis hin zu den eisigen Wintern in Kautokeino in Norwegen.

Mouser: Herausforderungen im Automotive-Bereich bewältigen
Abbildung 1: Verschiedene ISO-Normen beschreiben Stromversorgungssequenzen und -unterbrechungen, denen elektronische Steuergeräte (ECU) im Automotive-Bereich standhalten sollten. (Quelle: B&K Precision)

Damit dies möglich ist, entwickeln Halbleiterhersteller Bauelemente, die speziell für den Einsatz in Fahrzeugen konzipiert sind, oder bieten Standarddesigns an, die zusätzliche Validierungen durchlaufen, um den Anforderungen der Autoindustrie gerecht zu werden.

Nach der Integration in elektronische Steuergeräte (Electronic Control Units, ECUs) werden diese Systeme Tests unterzogen, die für Außenstehende wahrscheinlich seltsam und vielleicht übertrieben erscheinen. Doch jeder Test hat seinen Grund. Die meisten Tests werden nach einer detaillierten Analyse von Fahrzeugen entwickelt, die zurückgegeben wurden, um die Fehlerursache zu verstehen.

Schließlich möchte niemand, dass ein Premiumprodukt, das Zehntausende von Euro, Dollar oder Pfund kostet, zurückgegeben wird, weil ein elektrischer Spiegel nach einem Monat nicht mehr funktioniert. Um die Entwickler, Tester und Instandhalter der Fahrzeuge zu unterstützen, stellt die Test- und Messindustrie eine breite Palette von Geräten zur Verfügung, die dafür sorgen, dass unser Lieblingstransportmittel in Bewegung bleibt.

Kritische, schwache Stromversorgungstests
Verbrennungsmotoren sind zwar auf dem Rückzug, machen aber immer noch einen erheblichen Teil der jährlichen Fahrzeugverkäufe aus. Das Starten des Motors, das sogenannte Anlassen, ist mit einem erheblichen Kraftaufwand verbunden, wobei viele Ampere zum elektrischen Anlasser fließen. Infolge von kraftstoffsparenden Technologien wie der Start-Stopp-Funktion[1] geschieht dies wesentlich häufiger als bei älteren Fahrzeugen. Durch den hohen Stromverbrauch kommt es häufig zu einem Spannungsabfall in den kilometerlangen Kabeln. Dadurch werden die Steuergeräte in ihrer Funktion gestört. Aufgrund dieser und anderer Fehlermöglichkeiten im Fahrzeug arbeitet die Automobilindustrie mit zahlreichen Normen, nach denen die Zulieferer ihre Produkte testen müssen.


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Abbildung 2: Das 9115-AT von B&K Precision ist ein voll programmierbares Netzteil mit 1.200 W und integrierten Profilen für den Test von Elektroniksystemen in Fahrzeugen.

ISO 7673-2 deckt die negativen Impulse ab, die durch induktive Lasten entstehen, wobei die Spannungsspitzen innerhalb einer Mikrosekunde auf mehr als -75 V abfallen, sowie die positiven Impulse, die durch das Abnehmen von Lasten entstehen und einen Spitzenwert von 112 V erreichen. In ISO 16750-2:2012 werden komplexe Spannungsprofile definiert, die die Stromversorgung beim Starten eines Fahrzeugs widerspiegeln (Abbildung 1).

Diese Tests lassen sich nur schwer in Standard-Netzteilen programmieren, aber Geräte wie das B&K Precision 9115-AT[2] erzeugen diese Transienten und Diskontinuitäten in der Stromversorgung im Rahmen ihres Funktionsumfangs (Abbildung 2). Das 9115-AT liefert eine maximale Leistung von 1.200 W bei 0 bis 80 V und 0 bis 60 A und bietet eine intelligente Strom- und Spannungsregelung, um innerhalb seines sicheren Betriebsbereichs zu bleiben.

Dieses 1U-Rack-Netzteil bietet an der Vorderseite eine numerische Tastatur, eine leicht ablesbare Vakuum-Fluoreszenz-Anzeige (VFD) und Drehknöpfe zur einfachen Konfiguration von Ausgangsleistung und Funktionalität. Auf der Rückseite befinden sich die Remote-Sense-Anschlüsse, die Lüfter sowie die analogen und digitalen Steuerschnittstellen (GPIB, RS-232, RS-485, USBTMC-kompatible USB-Schnittstelle). Das Gerät kann natürlich auch über eine Software wie LabVIEW gesteuert werden. Profile zum Testen von Fahrzeugsystemen sind ebenfalls enthalten. Diese reichen von der Einspeisung von Spannungstransienten gemäß ISO 7637 bis hin zu Spannungsabfällen und Diskontinuitäten gemäß ISO 16750-2:2012.

Fehler in Fahrzeugen finden
Flackernde Leuchten, regelmäßig durchbrennende Sicherungen und Lampen, die auch im ausgeschalteten Zustand noch leuchten, sind nur einige der elektrischen Probleme, mit denen Autofahrer konfrontiert werden können. Angesichts kilometerlanger Kabel wird die Fehlersuche jedoch schnell zur Herausforderung. Hinzu kommen Umwelteinflüsse, die zu korrodierten Verbindungen und Problemen beim Zugang zu einem Leiter in einem Steckverbinder führen. Das Fluke 88 Series V/A Automotive Meter Combo Kit#_edn3[3]eignet sich ideal für Arbeiten im, unter und um das Fahrzeug herum und bietet hervorragende Unterstützung bei der Suche nach der Ursache für elektrische Fehlfunktionen (Abbildung 3).


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Abbildung 3: Das Fluke 88V/A ist ein robustes gelbes Multimeter mit Messfühlern, Kabeln und Sensoren, die für tägliche Messungen der Fahrzeugelektrik geeignet sind. (Quelle: Fluke)

Wie alle Geräte von Fluke wird auch dieses Handmessgerät durch eine gelbe, abnehmbare Schutzhülle mit integrierter Aufbewahrung für Messleitungen und Messfühler vor Stürzen geschützt. Mit einem Messbereich von 600 mV bis 1000 V und 60 mA bis 10 A sowohl für Gleich- als auch für Wechselstrom eignet es sich für alle Messaufgaben im Automotive-Bereich. Es beinhaltet auch ein Ohmmeter (600 Ω bis 50 MΩ).

Das wichtigste Unterscheidungsmerkmal zu einem herkömmlichen Multimeter ist die Auswahl an Messfühlern und Extras. Der induktive Messtaster RPM80 eignet sich ideal für die Messung von Drehzahlen und die magnetische Halterung TPAK sorgt dafür, dass Sie beide Hände zum Halten der Messfühler frei haben. Zudem stehen TP220-Tastköpfe für korrodierte Klemmen, Krokodilklemmen und der Temperaturmessfühler 80BK zur Verfügung. Zu den optionalen Extras zählen Schneidklemmen[4] und rückseitige Messfühlerstifte[5] sowie ein Druck-Vakuum-Wandler.

Untersuchung der Datenbusse
Viele der Leitungen im Kabelbaum eines Fahrzeugs übertragen Daten und unterstützen eine Vielzahl von seriellen Protokollen für verschiedene Fahrzeuganwendungen. Das Controller Area Network (CAN) wurde in den 1980er-Jahren von Bosch entwickelt und bietet eine robuste serielle Schnittstelle, die zentrale Steuergeräte mit Fahrzeugfunktionen wie beispielsweise elektronischen Parkbremsen, Start-Stopp-Systemen und Einparkhilfen vernetzt. Dieses Fahrzeugnetzwerk benötigt zwei Leitungen, Mikrocontroller mit einem speziellen CAN-Peripheriegerät und einen Transceiver und kann daher für manche Anwendungen zu komplex oder zu teuer sein.


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Abbildung 4: Das MCC 134 ist ein Raspberry Pi HAT von Digilent, das vier Thermoelemente unterstützt und bis zu acht hoch aufgestockt werden kann.

LIN (Local Interconnect Network) ist ein 1-Kabel-Bus, der mit einer Geschwindigkeit von bis zu 19,2 KBits/s über ein bis zu 40 m langes Kabel arbeitet. LIN benötigt lediglich eine serielle Standard-UART-Schnittstelle und einen geeigneten Transceiver und wird häufig für Komfortfunktionen, Umgebungsbeleuchtung und elektrische Motorsteuerungen verwendet, also für Anwendungen, bei denen CAN zu aufwendig wäre. Mit FlexRay steht außerdem eine Schnittstelle mit größerer Bandbreite als CAN und besserem Determinismus zur Verfügung. Es richtet sich an X-by-Wire-Systeme für Lenkung und Bremsen.

Mixed-Signal-Oszilloskope (MSO) und Mixed-Domain-Oszilloskope (MDO) bieten eine Kombination aus analoger und digitaler Erfassung und ermöglichen es Entwicklern, die Vorgänge in komplexen Steuergeräten im Detail zu untersuchen. Für die Dekodierung und Analyse von Fahrzeugnetzwerken ist jedoch ein Upgrade erforderlich, wie z. B. das DPO4AUTO#_edn6[6] für das MDO4000C Series[7] von Tektronix. Nach der Installation kann das Oszilloskop CAN- oder LIN-Daten auf den analogen oder digitalen Kanälen erfassen und unterstützt CAN, CAN-FD, LIN 1.x und LIN 2.x.

Die eindeutige farbliche Kennzeichnung von beispielsweise Start, Sync, Identifier, Daten, Bit-Stuffing-Fehlern und Prüfsummen vereinfacht die Dekodierung dieser Protokolle. Der Inhalt von Datenpaketen kann auch zum Triggern des Oszilloskops verwendet werden. Das serielle Anwendungsmodul MDO4000C unterstützt die Suche in den Datenpaketen, sodass Benutzer den Problembereich eingrenzen und die Fehlerbehebung beschleunigen können. Eine tabellarische Anzeige der erfassten Busdaten wird ebenfalls unterstützt.

Das DPO4AUTOMAX[8] bietet zusätzlich Unterstützung für FlexRay und mit der PC-Software lassen sich Augendiagramme der erfassten Daten im Vergleich zu der im Standard definierten TP1-Maske analysieren. Für Anwender der WaveSurfer 4000HD[9] Oszilloskope von Teledyne LeCroy ist ein ähnliches Upgrade erhältlich, das alle drei Bussysteme im Automotive-Bereich unterstützt: WS4KHD-AUTO TD[10].

Temperaturen im Auge behalten
Fahrzeuge werden sehr heiß, und zwar sowohl im Innenraum als auch unter der Motorhaube. Die gleichzeitige Überwachung aller möglichen Stellen kann schwierig sein, da die Kanäle der Datenerfassungssysteme (DAQ) schnell ausgelastet sind. Mit einem preiswerten Computer wie dem Raspberry Pi und reichlich Speicherplatz für protokollierte Messungen lässt sich dieses Problem jedoch leicht lösen. Das MCC 134[11] von Digilent ist ein Thermoelement-DAQ-HAT, mit dem sich bis zu acht Kanäle auf dem Raspberry Pi-Header platzieren lassen (Abbildung 4).


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Abbildung 4: Das MCC 134 ist ein Raspberry Pi HAT von Digilent, das vier Thermoelemente unterstützt und bis zu acht hoch aufgestockt werden kann.

Der HAT bietet Schraubklemmen für bis zu vier Thermoelemente (TC), die mit einem 24-Bit-A/D-Wandler mit Differenzeingang konvertiert werden (Abbildung 5). Dieses Element beinhaltet auch eine Kaltstellenkompensation und Linearisierung und überwacht die Thermoelemente auf offene Verbindungen, die über eine Software gemeldet werden können. Die Stromversorgung erfolgt direkt über den Header. Da der Raspberry Pi sehr warm wird und der HAT sehr nah am Prozessor platziert ist, empfiehlt es sich, einen kleinen Lüfter zur Kühlung zu verwenden, um Messfehler zu vermeiden.

Wie bei allen derartigen Plattformen gibt es auf GitHub[12] zahlreiche Softwarebeispiele für C, C++ und Python. Ein If-This-Then-That (IFTTT) Trigger Service, geschrieben in Python, ist ebenfalls verfügbar. Umfassende Installationsanweisungen sind im Repository enthalten. Kompatible TCs sind J, K, R, S, T, N, E und B.


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Ein Test-Tool für alle Herausforderungen im Automotive-Bereich
Im Automotive-Bereich gibt es zahlreiche Herausforderungen für Entwickler, die neue Fahrzeuge bauen, und für diejenigen, die sie warten und reparieren, sobald sie auf der Straße sind. Stromversorgungsleitungen in der Automobilindustrie sind besonders störungsanfällig. Gleichzeitig scheinen die Erwartungen an die Leistung von Steuergeräten unter diesen Bedingungen für den Laien extrem zu sein. Programmierbare Stromversorgungen, die alle gängigen Standardtestprofile simulieren können, eignen sich ideal für den Nachweis der Konformität im Labor. Multimeter-Kits für die Automobilindustrie bieten alle wichtigen Messfühler und Messwandler, sodass selbst an den korrodiertesten Steckern Messungen durchgeführt werden können.

Für diejenigen, die mit Fahrzeugnetzwerken zu tun haben, ermöglichen Oszilloskop-Upgrades nicht nur die Dekodierung, sondern auch das Triggern auf Daten- und Protokollfehler. In Kombination mit anderen Signalen können die Teams dadurch der Ursache von Problemen schnell auf die Spur kommen. Auch die Temperatur ist im Automotive-Bereich eine große Herausforderung. Sollte Ihr DAQ an seine Grenzen stoßen, könnte eine HAT-Erweiterung in Verbindung mit einem Raspberry Pi die Lösung sein, um thermische Höchst- und Tiefstwerte während einer Testfahrt aufzuzeichnen.

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