Testing communication reliability with fault injection : Implementation using Robot Framework and SoC-FPGA

Taajuusmuuttajia käytetään teollisuudessa laajasti, sillä merkittävän osan teollisuuden sähkönkulutuksesta muodostavat oikosulkumoottorit, joita ajetaan taajuusmuuttajien avulla. Taajuusmuuttajiin on mahdollista kytkeä optiokortteja, jotka lisäävät taajuusmuuttajaan valvonta-, ohjaus- ym. toiminnallisuuksia. Nämä kortit kommunikoivat sarjaliikenneväylän kautta taajuusmuuttajan pääyksikön kanssa. Sarjaliikennelinkissä, kuten taajuusmuuttajan väylällä, voi syntyä virheitä, jotka häiritsevät tietoliikennettä. Sen takia sarjaliikenneprotokolliin on luotu virheentunnistus- ja -korjausmekanismeja, joilla pyritään varmistamaan virheetön tiedon kuljettaminen. Luotettavuutta testaamaan voidaan väylälle generoida virheitä siihen tarkoitetulla laitteella. Tässä diplomityössä luotiin taajuusmuuttajia valmistavan yrityksen, Danfoss Drivesin (aik. Vacon), pyynnöstä häiriögeneraattorijärjestelmä. Järjestelmä koostuu SoC-FPGA-piirillä luodusta virheitä syöttävästä laitteesta, PC-työkalulle luodusta testirajapinnasta sekä Ethernet-kommunikaatiosta niiden välillä. Laite kytketään väylään, ja testirajapinta tekee testaajalle mahdolliseksi luoda mukautettavia testejä ja ajaa testejä käyttäen Robot Framework -testiympäristöä. Diplomityössä tutkittiin ensin sarjakommunikointiväylien yleisimpiä virheentunnistus- ja korjauskeinoja sekä SoC-FPGA-piirien sekä työssä käytetyn Robot Frameworkin ominaisuuksia. Järjestelmä suunniteltiin ylhäältä-alas-periaatteella ensin tunnistamalla kolmen edellä mainitun komponentin päärakenne päätyen lopulta yksittäisten ohjelmafunktioiden logiikan suunnitteluun. Tämän jälkeen laite ja testirajapinta toteutettiin C- ja Python-ohjelmointikielillä käyttäen suunnitellun kaltaista kommunikaatiota näiden kahden komponentin välillä. Lopulta järjestelmä testattiin kaikki komponentit yhteen kytkettynä. Varsinainen injektorilogiikka, joka luo virheitä väylään, ei ollut työn loppuun mennessä vielä toimittavan tahon puolelta valmis, joten järjestelmää ei voitu testata todellisessa ympäristössä. Työssä luodut osuudet voidaan kuitenkin myöhemmin kytkeä kokonaiseen järjestelmään. Työn tärkeimpänä johtopäätöksenä on, että tavoitteiden mukainen järjestelmä saatiin luotua ja testattua toimivaksi mahdollisin osin. Jatkokehityskohteeksi jäi mm. kokonaisen järjestelmän luonti ja testaus oikeaan kommunikaatioväylään kytkettynä.Frequency converters are widely used in industry because a notable part of the industrial electricity consumption is by electrical induction motors driven by frequency converters. It is possible to connect option boards into a frequency converter to add monitoring and control features. These option boards communicate with the main control unit of the frequency converter over a serial communication link. In a serial communication link, e.g. in a frequency converter, it can occur faults that interfere with the transfer. Hence, error handling mechanisms are used to secure transmission of the data without errors. A fault injector device, which generates errors into the data travelling in the link, can be used to test the communication reliability. In this master’s thesis, an error generator system was created for a company, Danfoss Drives (previously Vacon), manufacturing frequency converters. The system consists of a fault injector device created with a SoC-FPGA, a testing interface for a PC tool, and an Ethernet-based communication between these two. The device is connected to a serial communication link, and the testing interface makes it easy for a tester to create and run modifiable fault injection tests using a Robot Framework test environment. At the beginning of the thesis, the most common error detection and correction mechanisms in serial communication and properties of SoC-FPGAs, and Robot Framework were studied. Following this, the system was designed with top-down approach, first identifying the main structure of the components, and finally ending up in designing the logic of individual functions. After this, the device and the testing interface were implemented in C and Python using the designed Ethernet communication between them. After the implementation, the system was tested with all the components combined. The actual fault injection logic was not ready by the end of the thesis, so the tests were not run in a real environment. However, the work is done so that the implemented parts can be later used in a complete system. The most important conclusion is that the system was created and tested to meet the requirements with applicable parts. Further development includes creating a complete system and testing it with a real communication link