PROPOSAL Masterarbeit

”Konzeption und Implementierung

einer Hardware-Software-Testumgebung fur

Funkschnittstellen einer modularenEntwicklungsplattform in der

Automobilindustrie“

Helmut NgawaMatrikelnummer: 6643110

Computer Engineering

Gutachter:Prof. Dr. Sybille Hellebrand

Prof. Dr. Ulrich Hilleringmann

Betreut durchDipl. Ing. Alexander SiebertAlexander Sprenger, M. Sc.

19. Dezember 2018

1 Hintergrund und Motivation

Fast alle Automobilhersteller haben das Ziel innovative Produkte im Bereich autonomesFahren zu entwickeln. Dieser Bereich verspricht einen enormen technologischen Fort-schritt. Allerdings ist er mit einer steigenden Komplexitat verbunden, denn moderneAutos werden mit immer mehr Sensoren und Aktoren ausgestattet. Dadurch entstehenvor allem im Bereich der Ubertragungsraten hohe Anforderungen an die Steuergerate.Diese Anforderungen an die Hardwarelosungen fur das autonome Fahren erfordern be-sondere Hardware fur die Verarbeitung von Sensordaten wie Radar, Laser, Lidar oderUltraschall. Diese sollen in der Lage sein, mit hohen Datenraten umzugehen. Als Kon-sequenz, werden diese Hardwarelosungen mit hochperformanten Rechnern ausgerustetund verfugen uber spezielle Kuhllosungen. Außerdem sollen sie uber hohe Speicherkapa-zitaten sowie zuverlassige Speichermedien verfugen. Die Erforschung und die Entwick-lung von sehr spezifischen Hardware- und Softwarelosungen fur Funktionen des auto-nomen Fahrens sind unabdingbar, um das Niveau des hoch-automatisierten Fahrens zuerreichen. Dazu werden Moglichkeiten fur schnelles Prototyping benotigt.

Als weltweit fuhrender Anbieter von Werkzeugen fur die Entwicklung und den Test vonelektronischen Steuergeraten, hat sich dSPACE zum Ziel gesetzt auch fur diesen Bereichgeeignete Prototyping-Systeme herzustellen. Die Ingenieure von dSPACE arbeiten ander Entwicklung eines eingebetteten Systems fur die Sensordatenfusion. Dieses Systemhat verschiedene Anwendungsfalle. Zum einen kann das System als Prototyp fur kun-denspezifische Anwendungen verwendet werden. Des Weiteren kann dieses System dazuverwendet werden die Sensordaten der angeschlossenen Sensoren zu verarbeiten oder sieauf einem Massenspeicher (Datalogger) zu loggen.

Der Test spielt bei der Entwicklung von Systemen eine große Rolle. Denn je fruher dieFehler an dem System erkannt werden, desto gunstiger ist es, die Fehler zu beheben.Zusatzlich sind 30 % bis 50 % der Entwicklungskosten Testkosten [TPC12]. Das Zieldieser Arbeit ist es, ein geeignetes Testkonzept fur die Uberprufung der Funkkomponen-ten des beschriebenen eingebetteten Prototyping-Systems zu erstellen und umzusetzen.

2 Systembeschreibung

Das von dSPACE entwickelte eingebettete Prototyping-System tragt den Namen embed-ded Sensor Processor Unit (eSPU). Die eSPU ist ein kompaktes, robustes Prototyping-System mit hoher Rechenleistung und einer intuitiven Software-Umgebung fur die Ent-wicklung von Fahrerassistenzsystemen und Funktionen fur hochautomatisiertes Fahren[Rol17]. Es ist optimiert fur den geringen Platzbedarf in Fahrzeugen. Es besteht unteranderem aus einem Mehrkernprozessor, einer bis zwei Grafikkarten, einer Speichereinheitvon mindestens 16 Terabyte, drei Einschuben (Slots) fur kundenspezifische Hardware,sowie verschiedene Kommunikationsschnittstellen wie LAN, WLAN, Bluetooth, LTE,GPS, Feldbus-Karten und digitale & analoge Ein- und Ausgabekarten. Diese Kompo-nenten werden modular und austauschbar im System verbaut.

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Das so gebaute Multisensor-Prototyping-System wird nach Scrum entwickelt. Srum istein agiles Vorgehensmodell des Projekt- und Produktmanagements. Eine kurze Einfuh-rung von Scrum ist in [DKS13] zu finden. Durch die agile Entwicklung kann das Entwick-lungsteam die verwendete Technologie selbstbestimmt im Laufe des Projekts verandern.Das Gleiche gilt fur die Anforderungen an das System, die wahrend des Projekts justiertwerden konnen. Die flexible Entwicklung der eSPU erfordert die Konzeptionierung einesanpassungsfahigen Testsystems, das auf Anderungen reagieren kann.

Abbildung 1: Die Architektur der eSPU mit Schnittstellen

Abbildung 1 zeigt eine abstrakte Sicht von relevanten Baugruppen der eSPU. Die Trager-platine (Motherboard) mit dem Mehrkernprozessor ist zum großten Teil uber PCI-E (Pe-ripheral Component Interconnect Express) mit anderen Komponenten verbunden. DieSchnittstellen lassen sich in zwei Gruppen kategorisieren: Interne und externe Schnitt-stellen. Die internen Schnittstellen (in schwarz und orange) sind fur den Benutzer nichtsichtbar und er hat darauf keinen Zugriff. Externe Schnittstellen (in grun) dagegen sindzugreifbar und stehen fur den Benutzer zur Verfugung. Die Komponenten der eSPUwerden modular aufgebaut, denn das fertige Produkt wird je nach Kundenwunsch kon-figuriert und kann z. B. ohne Grafikkarte ausgeliefert werden.

3 Ziele

Das Thema der Arbeit lautet”Konzeption und Implementierung einer Hardware-Soft-

ware-Testumgebung fur Funkschnittstellen einer modularen Entwicklungsplattform in derAutomobilindustrie“. Das Ziel der Masterarbeit ist es, ein Testkonzept fur die Funk-schnittstellen des oben beschriebenen Prototyping-Systems (eSPU) zu erstellen. Diessind die in Abbildung 1 orange gefarbten Schnittstellen zu WLAN, Bluetooth, LTE undGPS. Dabei wird angenommen, dass die einzelnen Module der eSPU bereits getestetsind.

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Es soll daher mit dem Testkonzept uberpruft werden, ob die Integration der verschiede-nen Module in der eSPU gewahrleistet ist. Ein moglicher Testfall ist z. B. die Uberprufungder Datenubertragung uber die LTE-Schnittstelle.

Der Fokus dieser Arbeit wird darauf gelegt, die LTE-Schnittstelle der eSPU zu testen.Weitere Funkschnittstellen aus Abbildung 1 konnen gegebenenfalls im Anschluss be-trachtet werden. Zum Test der Schnittstellen wird der Verbindungsaufbau zu anderenKomponenten gepruft. Außerdem werden die Datenraten der Verbindung gepruft unddie Latenz des Signals gemessen.

Abbildung 2: Schnittstelle zwischen dem dSPACE-Tool PTFE und der eSPU-Testumgebung

Die Testumgebung wird aus einem Hardware- und einem Software-Teil bestehen. DerHardware-Teil, der als DOT (Device Over Test) bezeichnet wird, ist eine Zusammenset-zung von Baugruppen fur die Generierung und Messung von Signalen. Das DOT wirdals Gegenstelle fur die eSPU fungieren. Auf der Softwareseite, sollen die Testschritte furdie eSPU unter Linux programmiert werden. Diese sollen in dem dSPACE-Tool PTFE(Production Test FrontEnd) ausfuhrbar sein. Das dSPACE-Tool PTFE wird nur aufeinem Windows System ausgefuhrt und kann die Testschritte fur die eSPU nicht direktaufrufen. Deshalb soll eine Bibliothek zum entfernten Aufruf (z. B. per Remote Proce-dure Call) der eSPU-Testschritte auf einem Linux-System fur das PTFE-Tool entwickeltwerden. Die in Abbildung 2 orange gefarbten Teile sind zu spezifizieren und zu program-mieren.

Abbildung 3: Die eSPU und die entsprechende Testumgebung

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Das gesamte System aus der Abbildung 3 zeigt die eSPU und ihre Testumgebung. Esbesteht aus drei Teilen: USER, DOT und DUT. Das DUT (Device Under Test) istdie eSPU, deren Funkschnittstellen getestet werden sollen. Die Testablaufe werden mitdem Framework (mit USER dargestellt) gesteuert, sobald alle Teile verbunden sind.Eine Anforderung an das Test-Framework und das DOT ist eine leichte Handhabung.

Im ersten Teil der Arbeit, wird es darum gehen, sich mit den Protokollen von LTE zubeschaftigen. Anschließend werden die Analyse und die Auswahl von Hardware-Systemenfur die Generierung und die Messung von Signalen stattfinden. Danach wird die aus-gewahlte Hardware in Betrieb genommen.

Im zweiten Teil, werden die Testszenarien fur LTE definiert und implementiert.

Im dritten Teil, wird der gesamte Test ausgefuhrt und die Ergebnisse ausgewertet. DiesePhase wird mit einer Retrospektive uber die gesamte Arbeit abgeschlossen.

Gegebenenfalls kann im Anschluss der Test um weitere Funkschnittstellen erweitert wer-den.

Literatur

[DKS13] R. Drather, H. Koschek, and C. Sahling. Scrum: kurz & gut. O’Reillys Ta-schenbibliothek. O’Reilly Verlag, 2013. ISBN 978-3-86899-833-7.

[Rol17] Andre Rolfsmeier. Microautobox embedded spu fur das prototyping bei dersensordatenfusion. https://www.all-electronics.de/microautobox-embedded-spu-prototyping-sensordatenfusion/, June 2017. Abgerufen am 17.10.2018.

[TPC12] Mohammad Tehranipoor, Ke Peng, and Krishnendu Chakrabarty. Test anddiagnosis for small-delay-defects. Springer, New York, 2012. ISBN 978-1-4419-8296-4.

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Arbeitsplan für die Masterarbeit „Konzeption und Implementierung einer Hardware-Software-Testumgebung für Funkschnittstellen

einer modularen Entwicklungsplattform in der Automobilindustrie“

Woche Vorbereitung Strukturierung Bearbeitung Schluss

[-12, -7] [-6, -1] 0 [1, 6] [7, 22] 23 24 25 26

Thema finden und erste Literatursuche

Fragestellung finden und eingrenzen

Kapitel-Grobstruktur festlegen

Realisierbarkeit prüfen

Literatur gezielt suchen

Literatur lesen und ordnen

Einarbeitung in LTE

Analyse und Auswahl von Hardware Systemen für die Generierung und

die Messung von Signalen

Hardware System für die Generierung und die Messung von

Signalen in Betrieb nehmen

Einarbeitung in Peripheriebus-Schnittstellen wie PCI-E, SATA und Koaxiale Steckverbinder wie SMA-

Kabel

Entwicklung der Testszenarien für die LTE-Schnittstelle

Implementierung der ausgewählten Signal-Generierungs- und

Messungslösungen

Architektur des Frameworks

Programmierung des Frameworks und der Schnittstelle zur

Integration im PTFE

Ausarbeitung und zwischendurch Korrekturlesen

Lektorat

Überarbeitung

Ausdrucken

Reserve

Arbeitsschritt Phase