Virtuelle Absicherung von Steuergeräte-Software mit hardwareabhängigen Komponenten

Der stetig steigende Funktionsumfang im Automobil und die zunehmende Vernetzung von Steuergeräten erfordern neue Methoden zur Beherrschung der Komplexität in der Validierung und Verifikation. Die virtuelle Absicherung ermöglicht die Integration der Software in einem PC-System, unabhängig von der Ziel-Hardware, zur frühzeitigen Gewährleistung der Softwarequalität im Entwicklungsprozess. Ebenso kann die Wiederverwendbarkeit vorhandener Komponenten in zukünftigen Mikrocontrollern sichergestellt werden. Die Grundlage dafür liefert der AUTOSAR-Standard durch einheitliche Schnittstellenbeschreibungen, welche die Abstraktion von Hardware und Software ermöglichen. Allerdings enthält der Standard hardwareabhängige Software-Komponenten, die als Complex-Device-Drivers (CDDs) bezeichnet werden. Aufgrund ihrer Hardwareabhängigkeit sind CDDs nicht direkt in eine virtuelle Absicherungsplattform integrierbar, da die spezifischen Hardware-Module nicht verfügbar sind. Die Treiber sind dennoch Teil der Steuergeräte-Software und somit bei einem ganzheitlichen Absicherungsansatz mit zu betrachten. Diese Dissertation beschreibt sieben unterschiedliche Konzepte zur Berücksichtigung von CDDs in der virtuellen Absicherung. Aus der Evaluierung der Praxistauglichkeit aller Ansätze wird eine Auswahlmethodik für die optimale Lösung bei sämtlichen Anwendungsfällen von CDDs in der Steuergeräte-Software entwickelt. Daraus abgeleitet, eignen sich zwei der Konzepte für die häufigsten Anwendungsfälle, die im Weiteren detailliert beschrieben und realisiert werden. Das erste Konzept erlaubt die vollständige Simulation eines CDD. Dies ist notwendig, um die Integration der Funktions-Software selbst ohne den Treiber zu ermöglichen und alle Schnittstellen abzusichern, auch wenn der CDD noch nicht verfügbar ist. Durch eine vollständige Automatisierung ist die Erstellung der Simulation nur mit geringem Arbeitsaufwand verbunden. Das zweite Konzept ermöglicht die vollständige Integration eines CDD, wobei die Hardware-Schnittstellen über einen zusätzlichen Hardware-Abstraction-Layer an die verfügbare Hardware des Systems zur virtuellen Absicherung angebunden werden. So ist der Treiber in der Lage, reale Hardware-Komponenten anzusteuern und kann funktional abgesichert werden. Eine flexible Konfiguration der Abstraktionsschicht erlaubt den Einsatz für eine große Bandbreite von CDDs. Im Rahmen der Arbeit werden beide Konzepte anhand von industrierelevanten Projekten aus der Serienentwicklung erprobt und detailliert evaluiert.The constantly increasing amount of functions in modern automobiles and the growing degree of cross-linking between electronic control units (ECU) require new methods to master the complexity in the validation and verification process. The virtual validation and verification enables the integration of the software on a PC system, which is independent from the target hardware, to guarantee the required software quality in the early development stages. Furthermore, the software reuse in future microcontrollers can be verified. All this is enabled by the AUTOSAR standard which provides consistent interface descriptions to allow the abstraction of hardware and software. However, the standard contains hardware-dependent components, called complex device drivers (CDD). Those CDDs cannot be directly integrated into a platform for virtual verification, because they require a specific hardware which is not generally available on such a platform. Regardless, CDDs are an essential part of the ECU software and therefore need to be considered in an holistic approach for validation and verification. This thesis describes seven different concepts to include CDDs in the virtual verification process. A method to always choose the optimal solution for all use cases of CDDs in ECU software is developed using an evaluation of the suitably for daily use of all concepts. As a result from this method, the two concepts suited for the most frequent use cases are detailed and developed as prototypes in this thesis. The first concept enables the full simulation of a CDD. This is necessary to allow the integration of the functional software itself without the driver. This way all interfaces can be tested even if the CDD is not available. The complete automation of the generation of the simulation makes the process very efficient. With the second concept a CDD can be entirely integrated into a platform for virtual verification, using an hardware abstraction layer to connect the hardware interfaces to the available hardware of the platform. This way, the driver is able to control real hardware components and can be tested completely. A flexible configuration of the abstraction layer allows the application of the concept for a wide variety of CDDs. In this thesis both concepts are tested and evaluated using genuine projects from series development

MBSE-gestützte Methoden zur Strukturierung und Anwendung von Baukästen in der Frühen Phase der PGE - Produktgenerationsentwicklung mechatronischer Steuergeräte im Einsatz in Kleinantrieben im Automobilbereich = MBSE-supported methods for Structuring and Application of Modular Kits in the Early Stages of PGE - Product Generation Engineering of Mechatronic Control Units in Small Drives in the Automotive Sector

Die Entwicklung des Automobils hin zu einem HiTech Multimediaprodukt ist nicht erst durch die neusten Erkenntnisse im Bereich des autonomen Fahrens abzusehen. Bereits seit dem Einzug der Mechatronik ins Fahrzeug ist eine stete Zunahme an Funktionalität zu beobachten. Im Zentrum des Geschehens stehen dabei die Steuergeräte, die als intelligente Schaltzentralen außerhalb oder innerhalb der elektrischen Komponenten des Fahrzeuges agieren. Der Bereich der elektrischen Kleinantriebe stellt bis heute einen der bedeutendsten Sektoren dieser Komponenten dar. Durch den zunehmenden globalen Wettbewerb sind auch in diesem Segment Individualität und Differenzierung zu unverzichtbaren Verkaufsargumenten geworden. Standardisierungsmethoden allen voran die Baukastenentwicklung bieten an dieser Stelle die Aussicht, sich langfristig am Markt zu behaupten. Anders als in der Automobilindustrie, deren Baukästen über Jahre bestehen bleiben, zeichnet sich die Steuergeräteentwicklung aufgrund der unterschiedlichen Entwicklungszyklen der beteiligten Domänen, durch eine sehr hohe Innovationsdynamik aus. Gepaart mit den Trends der Hochintegration und der zunehmenden Funktionsdichte führt dies zu einem drastischen Anstieg der Produktkomplexität. Gerade in der frühen Phase eines Produktentstehungsprozesses, die sich ohnehin durch eine hohe Unsicherheit auszeichnet, gilt es geeignete Wege zum Umgang mit der vorherrschenden Komplexität zu ermöglichen. Hieraus entsteht der Bedarf nach geeigneten Ansätzen die spezifischen Herausforderungen der Steuergeräteentwicklung im Einsatz elektrischer Kleinantriebe mittels Baukastenentwicklung adressieren zu können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden, an die Spezifika der frühen Phase der PGE – Produktgenerationsentwicklung mechatronischer Steuergeräte angepasste Methoden zur Baukastenstrukturierung und -anwendung entwickelt. Methodisches und modelltheoretisches Fundament des Forschungsvorhabens bilden dabei die Erkenntnisse der KaSPro – Karlsruher Schule für Produktentwicklung. Mittels der Strukturierungsmethode wird eine detaillierte Vorgehensweise beschrieben, die den Leser ausgehend von einem Produktportfolio mechatronischer Steuergeräte zur Erstellung eines MBSE-gestützten Baukastenmodells führt. Um die Anwendung des Baukastens in der industriellen Praxis zu ermöglichen, wird eine Toolkette entwickelt, die dazu in der Lage ist, basierend auf realen Kundenanforderungen Produktempfehlungen aus dem Baukastenmodell heraus zu generieren und gegeneinander abzuwägen. Die unter der Durchführung von Fallstudien und Experteninterviews generierten Evaluationsergebnisse bestätigen die Eignung der Methoden zum praktischen Einsatz. Die automatisierte Baukastenanwendung zeichnet sich zusätzlich durch einen signifikanten Beitrag hinsichtlich der Effizienzsteigerung in der Ableitung von Produktkonzepten in der frühen Entwicklungsphase aus