ソフトウェア品質向上のための障害挿入テストの自動化

 

Pickering Interfacesは、故障挿入プロセスの自動化においてECUテストをサポートし、自動車メーカーがより短期間で多くのテストケースを実行できるよう支援します。

 

近年、エンジン制御ユニット（ECU）、特に安全関連モデルのテストは、ハードウェアだけでなくソフトウェアのテストでもあります。これは、ECUがブレーキを制御し、横転を防ぎ、制御が損なわれた走行モードでも適切な車輪に動力を供給するために必要な知能が高まっているためです。マグナ・パワートレイン、デンソー（Delphi）、コンチネンタルなどの自動車メーカーも、自社製品の安全な動作テストに同じ関心を持っています。

この記事では、自動車のトランスファーケースに焦点を当てます。トランスファーケースは、ホイールのスリップを監視し、スリップしていないホイールに動力がかかるようにする機械的／電子的装置です。

設計プロセスの一環として、メーカーは一連のテストを実施し、トランスファーケースを制御するソフトウェアが、開放、短絡、およびクロス/インライン抵抗接続などのシステム障害に対して予測可能かつ安全な方法で反応することを確認します。最終的に、これにより顧客満足度が向上し、保証コストが削減されます。

ある事例では、製造業者が手動で欠陥を注入できるテストフィクスチャを開発しました。このフィクスチャは効果的でしたが、欠陥を手動で切り替える必要があるため、時間がかかりすぎました。そのため、特定のユニットで実行できるテストケースの数が制限されました。また、手動のフィクスチャは頻繁なメンテナンスを必要とすることが多く、テスト時間をさらに遅くします。最後に、オペレーターのミスが起きやすく、それがテスト結果を損なう可能性もありました。

それが彼らをしてピケリングに依頼させることにつながったのです。これらの製品には、ハードウェアインザループ（HIL）シミュレーションアプリケーション向けのフォルト挿入ユニット（FIU）スイッチングソリューションや、プログラム可能抵抗器が含まれます。FIUスイッチングモジュールはシステムに電気的故障を導入するために使用でき、通常は腐食、短絡/断線、加齢、損傷、あるいは不適切な設置によって発生するさまざまな条件を再現します。

Pickeringのフォールト挿入モジュールを使用してフォールト注入プロセスを自動化することで、より短時間でより多くのテストケースを実行でき、その結果、テストの再現性が高まり、包括的になり、開発サイクルの早い段階で問題を発見して修正することができます。

 

欠陥を検知する

トランスファーケースは、車両のトランスミッションから前後のアクスルに動力を分配するために使用されます。例の一つとして、ダブルスピードアクティブトランスファーケース（ATC）があります。ATCの特徴には、多板ウェットクラッチ、電気機械式シフト作動、チェーン駆動の前部出力が含まれます。このシステムは前後の車輪間で動的なトルク分配を保証し、さまざまな地形や悪天候下で望ましい車両性能特性を提供するように調整可能です。

TCCM（トランスファーケース制御機構）の一部として、トランスファーケース電子制御ユニット（ECU）はトランスファーケースの操作を制御します。これはトランスファーケース内のセンサーやアクチュエーターに接続されており、車両のコントローラエリアネットワーク（CAN）ともインターフェースします。運転者がギアにシフトすると、トランスファーケースECUはその指令を受け取り、このシフトを実行できるかどうかを判断します。シフトを正常に実行した後、トランスファーケースECUはこれをネットワークに報告します。

運転中には、多くの異なる故障が発生する可能性があります。例えば、トランスファーケース内のアクチュエーターやセンサーを制御モジュールに接続する8芯ケーブルを考えてみてください。これらの接続は、開放するか隣接する導体に短絡することがあります。また、自動車が経年すると高抵抗の接続や高抵抗の短絡が発生することがあり、これが原因でトランスファーケースが現場で故障することがあります。

トランスファーケースが故障状態でも安全に作動することを確実にするために、トランスファーケースの製造業者はこれらの故障を制御ラボでシミュレートします。

ハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）テストは、現代の自動車で使用されるトランスファーケースECUなどの電子制御ユニットをテストする非常に人気のある方法となっています。HILシミュレーターは、実際にプロトタイプ車両を作ることなく、車両のすべての入力と出力を提供することができます。これにより、ECUメーカーは多くの費用を節約できます。なぜなら、プロトタイプ車両を作る必要がないだけでなく、試験場やダイナモメーター上ではなく、研究室で徹底的なテストを行うことができるからです。

彼らは実際にトランスファーケースの機構がなくても、トランスファーケースのECUをテストすることさえできます。このモードでは、HILテストシステムは車両の他の部分に加えてトランスファーケースもシミュレートします。

トランスファーケースのECUソフトウェアをテストするために、設計者はさまざまな操作シナリオを開発しました。これには、車両の起動、停止、およびトランスファーケース制御モジュールの性能を確認するために設計された走行シナリオが含まれます。たとえば、あるシナリオでは、トランスファーケースに所望の位置に移動するよう指示が出されます。その他のシナリオでは、さまざまな製品機能（さまざまなシフトシナリオ、コールドクランクプロファイル、電圧プロファイルなど）をテストします。

問題のメーカーがこのタイプの試験を最初に始めたとき、彼らは図1に示すテスト装置、ブレイクアウトボックスと呼ばれる装置を作り、手動で故障を挿入しました。ブレイクアウトボックスはトランスファーケースとその制御モジュールの間に挿入され、技術者は手動で故障を入れたり出したりしました。前述のように、この方法は任意の時間枠内で実行できるテストケースの数を制限し、より頻繁なメンテナンスを必要とし、テスト時間が遅く、またオペレーターのエラーが起こりやすく、テスト結果が損なわれる可能性があります。この方法は開始するための有効な方法ではありましたが、改善の余地が大いにあることは明らかでした。

図1：ベンチテストで使用される一般的なブレイクアウトボックスの設計

おそらく、手動で故障を挿入することの最も問題となる点は、一連のテストを実行するのに時間がかかることです。ブレークアウトボックスを使用すると、単一のテストケースの実行に最大で8分かかりました。彼らは何千ものテストケースを実行するため、テスト時間を短縮する方法を見つける必要があることは最初から明らかでした。

この方法で故障を手動で挿入するもう一つの欠点は、ショートとオープンしか挿入できないということです。トランスファーケースのECUをより徹底的にテストするためには、ハードオープンやショートだけでなく、抵抗性の故障も挿入できる必要がありました。

この方法で手動で故障を挿入する際の三つ目の問題は、ブレイクアウトボックスがハードワイヤーで接続されているため、あまり柔軟性がないことです。異なるトランスファーケースECUや異なる製品構成をテストするには、テストエンジニアリング部門は新しいブレイクアウトボックスを作成するか、既存のものを再配線する必要があります。これを行うにはコストと時間がかかります。

 

故障挿入の自動化

明らかに、製造業者は障害挿入を自動化する方法について考えてきました。この特定のトランスファーケースの製造業者の目標は、テストの実行速度を上げるだけでなく、抵抗障害を挿入する能力を追加し、テスト機器をより汎用的にすることでした。彼らは、これらの目標を達成することで、より現実的な障害をシミュレートできるようになり、その結果、より堅牢な製品が得られると考えました。

複数のベンダーからのスイッチングシステムを評価した結果、この顧客はPickering Interfacesの製品を有望なソリューションとして特定しました。彼らは、ショートおよびオープンをシミュレートするために、いくつかのPXIバスモジュール（図2に示す当社のPXI 30A故障挿入スイッチモジュール（モデル40-191））を搭載した19スロットPXIシャーシを購入しました。このモジュールは、高電流故障挿入に対して堅牢なソリューションを提供します。ソリッドステートスイッチング要素を使用しており、単一チャネルで40A、すべてのチャネルで同時に30Aを流すことが可能です。テストフィクスチャと被試験機器の間に3つの異なる故障状態を挿入できるように設計されており、オープン回路、UUT接続間の短絡、外部信号への短絡が含まれます。

各チャネルにあるソリッドステートリレーにより、テストシステムはUUTへの信号を開回路に設定することができます。故障挿入バスにより、任意のチャネルを他の任意のチャネルに短絡させることができ、任意のチャネルを電源、イグニッション、またはグラウンドなどの外部信号に接続して故障状態をシミュレートすることも可能です。モジュールには2つの故障バスが付属しています。

故障は常に完全に開いているわけでも、完全な短絡であるわけでもないため、図2に示す当社のプログラム可能抵抗モジュール（モデル40-295）は、高抵抗の故障をシミュレートするために使用されます。このモジュールは、8ビット分解能で最大18個の完全に絶縁された可変抵抗器、または16ビット分解能で最大10個の完全に絶縁された可変抵抗器を提供します。各チャンネルの抵抗値は0オームから16 MΩの間で設定できます。

図2：PXI 30A 故障挿入スイッチモジュール、モデル 40-191

 

図3：PXIプログラム可能抵抗モジュール、モデル40-295

 

図3は、スイッチングシステムがHILシミュレータ、テスト中のトランスファーケースECU、および実際のトランスファーケースをテストの一部として必要とする場合のトランスファーケースにどのように接続されるかを示しています。

スイッチングシステムは、すべての潜在的な障害を注入するために使用されます。例えば、オープン障害を注入するには、単にラインを開くだけです。2本のラインをショートさせるには、それぞれのラインを故障注入モジュールに接続し、2つの信号をモジュールの故障バスの1つに接続します。電源やグラウンドへのショートをシミュレートするには、信号ラインを故障バスの1つに接続し、そのバスをグラウンドまたは外部電圧に接続します。

トランスファーケースとトランスファーケースECUの間を走る信号線の1本に抵抗故障を注入するために、制御コンピュータはスイッチングシステムに40-295プログラム抵抗モジュールの可変抵抗器の1つを切り替えるよう指示します。次に、抵抗を離散的なステップで変化させます：0Ω、5Ω、10Ω、20Ω、50Ω、100Ω、200Ω、500Ω、1,000Ω、そして1 MΩに達するまで、またはラインが開回路のように反応するまで続けます。

一度フォルトが挿入されると、彼らは1つ以上の運転シナリオを実行し、テストデータを収集します。彼らが収集する最も重要なデータの一つは、システムが消費している電流です。異常に高い電流は、問題の確実な兆候です。しかし、彼らは他の多くのパラメータも確認します。これには、トランスファーケースECUによって生成されるCAN信号や電気信号、そして全体的なシステムの挙動が含まれます。

故障挿入を自動化することにより、単一のテストケースを実行する時間は平均で8分から約4分に短縮されました。これは、典型的なテスト実行では20,000件のテストケースが含まれ、完全に実行するのに1か月以上かかることを考慮すると、大幅な節約です。また、この方法により、メーカーは完全なテストを実行するのにかかる経過時間も短縮することができました。手動挿入では、技術者やテストエンジニアが故障の入れ替えを行うために常に立ち会う必要がありました。しかし、現在では、リスクの高いテストが行われる場合のみ人員が立ち会えばよく、ほとんどのテストは夜間に監督なしで実行されます。

興味深いことに、時間の節約は必ずしもテスト実行を短くするために使われるわけではなく、同じ時間内に抵抗故障を含むテストケースのような、より多くのテストケースを実行するために使われます。テスト時間をテストの有効性向上に使うことは、企業がソフトウェアの品質と信頼性に重きを置いていることの表れです。

 

テスト結果の分析

ご想像のとおり、これらのテストは非常に大量のテストデータを生成し、このデータの分析は大きな作業です。最初に彼らが確認するのは、テストが被試験装置（UUT）に損傷を与えたかどうかです。どの故障もトランスファーケースECUのトランスファーケースを損傷してはいけないため、装置が損傷している兆候がある場合は赤旗となります。

もしどのテストケースも損傷を引き起こしていなければ、残りのテストデータの分析を開始します。この時点で特に注目されるのは、CAN信号と全体的なシステムの挙動です。彼らが探しているのは、トランスファーケースにおける意図しないモーターの動きを示すデータです。また、トランスファーケースのECUが適切な診断コードを生成したかどうかを確認することもあります。

テストデータの分析はチームの努力によるものであり、チームにはテストエンジニアだけでなく、トランスファーケースを設計した機械エンジニア、電子エンジニア、ソフトウェア開発者も含まれます。チームとして協力することで、問題のある箇所を迅速に見つけることができるだけでなく、修正作業もより速く完了させることができます。

 

自動化が切り開く未来

顧客のエンジニアリングチームは、ピカリングのスイッチングシステムによってテストの自動化が可能になったことに非常に満足していますが、これは始まりに過ぎないと理解しています。例えば、各トランスファーケースごとに別々のテストフィクスチャを作る代わりに、彼らはトランスファーケース用の「ユニバーサル」テストシステムに取り組んでいます。コンピュータ制御のスイッチングシステムを使用することで、これを達成できると考えています。

製造業者が乗り越えなければならないもう一つの障害は、テストデータの分析にかかる時間を短縮する方法を見つけることです。故障の挿入を自動化することで、多くのテストを実施できるようになりましたが、同時にテストデータの分析に費やす時間も増えました。そのため、テストデータを自動で分析する取り組みが進められています。問題を示唆する可能性のあるテストデータを自動でフラグ付けするツールを開発すれば、大幅に時間を節約できるでしょう。

テストケースの数を減らす取り組みも進められています。私たちの顧客の場合、彼らのエンジニアリングチームは、本当に同じことをテストしているテストケースを特定し、それらをテストプログラムから削除することでこれを実現できると考えています。また、NPIで開発されたテストケースのサブセットが製品テスト戦略で使用されることが多いことにも注意が必要です。この戦術により、NPI測定値と比較して一貫したテスト結果が得られ、量産テストの開発がスピードアップします。

ピッカリングの製品は、エンジニアリングが動的な車両条件下で追加の故障モード（インライン抵抗故障、クロスショート、クロス抵抗ショート）のテストにおいて「SMARTオートメーション」を導入するのを支援し、より良い製品品質につながりました。

このテスト段階の要点として、Pickering InterfacesはECUメーカーがフォルトインジェクションプロセスを自動化するのを支援し、より短い期間でより多くのテストケースを実行できるようにしています。

 

システムインテグレーションサービス

ペリテックは、各種センサ、信号変換モジュール、リレー、通信機器などを活用し、お客様の計測・制御システムを最適に構成します。機器単体の提供にとどまらず、以下を含む一貫したシステムインテグレーションサービスを提供します。

• システム構成設計・機器選定支援
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