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Sonderausgabe / November 2008 / B 61060
www.automobil-elektronik.de
Mechatronik
Software
Management
SOFTWARE Die hardware-nahe Seite von Autosar
KOMPONENTEN Fortschritte bei Keramik
SIMULATION Wechsel von CAN zu FlexRay
Seite 22
Seite 36
Seite 54
Mehr als „nur“
Sensordatenfusion
Robbie McAdam,
Vice President bei Analog Devices, Seite 16
abe
g
s
u
era
d
Son
MR. INSIDER: Aus der Praxis gesprochen
Sind Ersatzbatterien besser?
A
Haupt-Ausfallgrund wird Entladung genannt, nicht defekte
lle Jahre wieder, spätestens wenn der ADAC seine PanBatterie. Dies ist erfreulich für die Batteriehersteller, die damit
nenstatistik veröffentlicht, ertönt das gleiche Lied: Die
als Verursacher nicht in Frage kommen, aber dem Autofahrer
meisten Liegenbleiber werden von der Batterieverhilft das wenig.
ursacht – und zwar mit steigender Tendenz. Die Autofahrer werEs ist naheliegend, die Entladung der Batterie zu hohen Ruden ja nicht dümmer, so dass „falsche Bedienung“ (Licht eingeheströmen oder einem ungenügenden Bordnetzmanagement
schaltet) nicht für steigende Ausfallquoten herhalten kann. Und
(ergo: zu hoher Verbraucherstrom und zu schwacher Generader Ruhestromverbrauch wird seit einigen Jahren von den
tor) anzulasten. Es passt auch, dass derartige Systemschwächen
Fahrzeugherstellern eher gesenkt als erhöht. Also taugt dieser
bereits im ersten Betriebjahr zu Liegenbleibern führen. Die
Punkt ebenso wenig als Grund für steigende Ausfälle. Was nun?
müssten sich aber bald danach wiederholen, denn die RuhestroZwei Antworten darauf: Bei den 3–6 jährigen Fahrzeugen
merbraucher sind die gleichen, und auch die Lastprofile, der
steigt die Ausfallquote im Vergleich zu jüngeren Fahrzeugen exGenerator sowie das spezifische Fahrprofil sind unverändert. Altrem an. Das ist keinesfalls verwunderlich. Die Batterie ist ein Verlerdings fallen im 2. und 3. Jahr deutliche weniger Batterien aus
schleißteil wie Motoröl, Bremsbelag oder Reifen. Je nach Nutzung
als im 1. Jahr. Dies ist ganz wichtig, wird aber kaum beachtet!
des Fahrzeugs hält eine Batterie typischerweise 3 bis 7 Jahre, aber
Die Originalbatterie wurde gegen eine meistens baugleiche
sie wird nie rechtzeitig ausgetauscht, denn praktisch alle FahrErsatzbatterie getauscht. Warum arbeitet die Ersatzbatterie im
zeugbesitzer warten damit so lange bis die Batterie Ihren Dienst
Bordnetz besser als die Originalbatterie?
versagt. Die Konsequenz: Jedes mal ein Liegenbleiber. Dem FahrDie Ersatzbatterie ist sicher neuwertig, während die Originalzeughalter ist das nicht zu verdenken. Warum auf Verdacht ein
batterie im Lauf der Fahrzeugproduktion und des Transports
teure Ersatzbatterie kaufen, wenn es die alte doch noch tut?
zum Kunden durch Entladung vorschädigt und so dem ErstWie wird das bei anderen Verschleißteilen gehandhabt?
besitzer übergeben wurde. Vorschädigung der Batterie bedeutet
Beim Reifen bestimmt eine Vorschrift das Lebensdauerende
(4 mm Profiltiefe). Grundlage für eine solche Vorschrift ist die steigende Unfallgefahr bei zu geringer
Motoröl und Bremsbeläge werden regelmäßig
Profiltiefe. Bei Bremsbelägen gibt es eine zuverlässige
gewechselt, aber die Batterie...
Bremsbelagverschleißanzeige, die eindeutig informiert, dass die Bremsbeläge erneuert werden müssen.
Beim Motoröl schreiben die Fahrzeughersteller vor, in welchen
auch geringere Stromaufnahme und reduzierte Kapazität. Mit
Intervallen das Öl gewechselt werden muss und alle befolgen
solch einer Batterie ist der Frühausfall vorprogrammiert, sonst
diese Vorgabe, weil sonst mit Totalverlust des Motors zu rechnen
könnte das Fahrzeug auch gleich mit einer kleineren Batterie
ist und niemand dieses Kostenrisiko bei vergleichsweise gerinausgerüstet werden. Aber kaum ist der Übeltäter beseitigt, argen Kosten für einen Ölwechsel eingeht. All das (gesetzliche
beitet das Bordnetz wie es soll: zuverlässig.
Regelung, eindeutige Anzeige oder unverhältnismäßig hohe
Die OEMs müssen so in Ihre Logistik eingreifen, dass die BatFolgekosten) greift bei der Batterie nicht.
terien nicht geschädigt werden können. Alle OEMs waren hier
Abhilfe bietet nur eine Batterieverbrauchsanzeige. Nun gibt
bereits aktiv und alle reklamieren auch Erfolge, aber nur wenies seit einigen Jahren das Batteriemanagement mit der Bestimgen ist es tatsächlich gelungen. Als letzte Maßnahme bleibt
mung des SOC und SOH. Aber auch in Fahrzeugen, die damit
noch, die Batterie grundsätzlich vor Übergabe des Fahrzeugs zu
ausgerüstet sind, scheint die Ausfallquote nicht zu fallen, sontauschen.
dern bestenfalls langsamer zu steigen. Wird die Anzeige „BatteWas bleibt: Der Fahrer benötigt eine zuverlässige Anzeige
rie tauschen“ einfach ignoriert oder ist sie zu ungenau, um auf
zum Tausch einer verbrauchten Batterie und der OEM muss siAkzeptanz zu stoßen?
cher verhindern, dass ein Fahrzeug mit vorgeschädigter Batterie
Auch bei den 1–3 Jahre alten Fahrzeugen ist die durch Batteausgeliefert wird. Bis dahin bleibt die Batterie Ausfallursache
rien verursachte Liegenbleiberquote nicht akzeptabel. Als
Nr. 1, ohne selbst etwas dafür zu können.
AUTOMOBIL-ELEKTRONIK electronica – Sonderausgabe 2008
59
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STANDPUNKT
A
uf dem AUTOMOBIL-ELEKTRONIKKongress in Ludwigsburg waren
sich die anwesenden Automobil-Spezialisten einig, dass
die Zukunft dem Elektrofahrzeug gehört.
Da allerdings im Bereich der Speicherung
elektrischer Energie, also der Batterietechnologie, zum einen noch viel Entwicklungsarbeit und zum anderen noch um
Zehnerpotenzen größere Fertigungsvolumina notwendig sind, dürfte das Elektro-
Messen, Verstellen
und Diagnose
getroffen mit seiner Kombination aus geringem Verbrauch, Design und Image.
Die europäischen Automobilhersteller –
und allen voran die deutschen – bauen
Dank sinnvollem Einsatz von Elektronik/
Mechatronik großartige Autos, ja regelrechte technische Meisterwerke, wie wir
an den jüngsten Neuvorstellungen sehen,
aber letztendlich entscheidet der Markt
darüber, ob sie auch in Stückzahlen gekauft werden, mit denen sich Geld verdie-
Auf Strom gebaut
fahrzeug trotz all seiner prinzipiellen
Vorteile erst in der fern(er)en Zukunft der
Hauptumsatzträger der Automobilhersteller sein. Für uns in der Elektronikbranche sind das auf jeden Fall sehr gute langfristige Aussichten, denn zusammen mit
der Batterietechnologie ist die Elektronik
ein „Enabling Factor“ des Elektroautos.
Als Übergangslösung zum Elektroauto
bietet sich bekanntermaßen der ebenfalls
nur mit viel Elektronik realisierbare Hybrid
an – und zwar auch beim Dieselmotor. Unter dem Prius-Schock leiden wohl immer
noch viele europäische Automobil-Manager, obwohl nur die wenigsten von ihnen
dies eingestehen.
Der Prius hat im Zuge der Erdölverteuerung (trotz der jüngsten Spritpreissenkungen) zumindest in Kalifornien einen
echten Nerv beziehungsweise den Zeitgeist
nen lässt – ein gerade in diesen Tagen der
Banken- und Börsenkrise überlebenswichtiger Aspekt.
Wenn beispielsweise die Bundesregierung andenkt, für steuerlich absetzbare
Dienstwagen die Einhaltung gewisser Maximalemissionen zu fordern, dann kann
dies massive Auswirkungen auf den Markt
haben. Daimler setzt mit dem neuen
S-Klasse-Hybrid diesbezüglich ein prinzipiell gutes Zeichen. Zwar kommen die Lithium-Ionen-Akkus für dieses Fahrzeug
aus Nürnberg, aber leider sind die eigentlichen Zellen nicht „Made in Germany“.
Andererseits gehört nicht jeder Dienstwagen zur Premium- oder Oberklasse. Bei
der Marktsegmentierung für Hybride
muss sich daher möglichst bald etwas tun,
und hier wird sich den OEMs zufolge
nächstes Jahr einiges bewegen, obwohl sie
sich mit offiziellen Statements stark zurück halten. Die IAA 2009 werden wir wohl
sicherlich die „IAA der Hybride“ nennen
können.
Auf der technischen Ebene dürfte auch
auf der weltweit größten BauelementeMesse, der electronica in München, noch
so manches Problem rund um die Hybridtechnik angesprochen werden, wobei
auch hier der Energiespeicher ein heißes
Thema sein wird. Lauschen wir also gespannt, was auf dem Automobilteil der
electronica so besprochen wird.
Foto: Nathalie Balleis
Dipl. Ing. Alfred Vollmer
Redakteur AUTOMOBIL-ELEKTRONIK
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INHALT
MEHR ALS „NUR“
SENSORDATENFUSION
Der amerikanische Halbleiterhersteller Analog
Devices (ADI) hat sich auf die Kombination aus
digitaler Signalverarbeitung, analogen (Präzisions-)Schaltkreisen und MEMS-Sensoren spezialisiert, so dass vor allem das Energie-Management, das Infotainment und Sicherheitssysteme
im Fokus der Automotive-Aktivitäten des Unternehmens stehen. AUTOMOBIL-ELEKTRONIK
sprach mit dem
Chef der Automotive-Sparte
bei ADI unter
anderem über
Marktaspekte,
die führende
Rolle der Europäer und Anwendungen
vom Infotainment bis zur
Sensordatenfusion.
16
SZENE
Standpunkt: Auf Strom gebaut
ZVEI-Standpunkt: electronica automotive - Der Innovationsturbo
Automotive Aktuell: News aus der Branche
Fachkongress AUTOMOBIL-ELEKTRONIK in Ludwigsburg:
Die CO2-Debatte prägt alles
Mr. Insider
Titel: Exklusiv-Interview mit Robbie McAdam, Vice President der Analog Semicon16
ductor Components Division & Automotive-Chef bei Anlalog Devices
Titel: Sensordaten richtig nutzen
Wer zieht an welchem Strang?
Die hardware-nahe Seite von Autosar
FlexRay und 32 bit für den Body
Displays ohne Übergewicht
DIE CO2-DEBATTE PRÄGT ALLES
Fortschritte bei Keramik
In diesem zweiten Teil des Reports über den 12.
Fachkongress Automobil-Elektronik in Ludwigsburg geht es um die
Themenkreise Diagnose, Architektur und
Prozesse sowie Hardware/Software. In all
diesen Bereichen kamen dabei als omnipräsenter Action-Item
immer wieder Aspekte
rund um die CO2- bzw.
Verbrauchsreduktion
zur Sprache.
11
Integration von Fahrerassistenzsystemen
Das Drehmoment „hören“
160 x kleiner und 100 x leichter
Zwei Chips sind besser als einer
Sensoren für die passive Sicherheit
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26
28
30
32
36
39
40
43
45
47
SIMULATION + TEST
Offboard, aber ODX-konform
Wechsel von CAN zu FlexRay
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54
NEUE PRODUKTE
Neue Produkte
4
20
56
BAUELEMENTE
Radar für die Mittel- und Kompaktklasse
Autosar ist bei weitem nicht nur für
die Software-Firmen ein Thema,
sondern auch für die Hardware-Lieferanten. So muss
ein Hersteller von Mikrocontrollern beispielsweise für die
Entkopplung des Mikrocontrollers von der
Software sorgen. Das
ist die Aufgabe des
MCAL.
22
11
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MANAGEMENT
Aktive Protektoren sind besser
DIE HARDWARE-NAHE SEITE
VON AUTOSAR
3
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8, 9, 10
Impressum/Inserenten
Besuchen Sie uns auf der electronica 2008
in München: Halle A4, Stand 221
48, 49, 50, 51
58
RADAR FÜR DIE MITTEL- UND
KOMPAKTKLASSE
SiGe-Transceiver bieten den Systemherstellern jetzt bei 76 bis 77 GHz neue Möglichkeiten im Long-Range-Bereich bis 250
m sowie Potenzial für den Short-RangeBereich bis 81 GHz. Kleinere günstigere
Radarsensoren werden helfen, Fahrerassistenzsysteme in mittleren Fahrzeugklassen anzubieten. Bereits 2009 sollen
die ersten Radar-Transceiver auf SiGe-Basis auf den Markt kommen.
32
FORTSCHRITTE BEI KERAMIK
Die anhaltende Nachfrage nach immer
mehr Performance treibt die Weiterentwicklung von Automotive-Bauelementen
auf Basis von Keramikwerkstoffen voran.
AUTOMOBIL-ELEKTRONIK gibt einen Überund Ausblick.
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COMPETENCE IN SENSOR ICs
WECHSEL VON CAN ZU FLEXRAY
AUTOMOBIL-ELEKTRONIK beschreibt, wie
ein vorhandenes CAN-basiertes System
vermessen, modelliert und simuliert wird.
Im Modell wird die geplante Änderung auf
FlexRay vorgenommen und so frühzeitig
verfügbar gemacht.
54
WER ZIEHT AN WELCHEM
STRANG?
Für Entwicklungsdienstleister (EDL) hat
die Zusammenarbeit mit OEM und Zulieferern viele Facetten. AUTOMOBIL-ELEKTRONIK gibt Einblicke in die Rolle des
EDLs in der Zusammenarbeit mit OEM
und Zulieferer.
56
MR. INSIDER
plaudert aus der Praxis - und zwar...
diesmal über das Dauerthema Batterie.
59
ZVEI-STANDPUNKT
electronica automotive –
Der Innovationsturbo
Dr.-Ing. Stefan Gutschling, Referent
im Fachverband Electronic Components
and Systems des ZVEI
U
Vertreter der Applikationsgruppe (APG) Automotive berichnter dem Motto „electronics meets automotive“ steht
ten in einer eigenen Session über die aktuellen Arbeiten der zudieses Jahr die „electronica automotive conference
gehörigen ZVEI-Automotive-Gremien. Das ECPE (European
2008“, die vom 10. bis 11. November begleitend zur
Center for Power Electronics) gestaltet einen Themenblock zur
Messe electronica 2008 stattfindet.
Leistungselektronik. Ergänzt wird das Programm durch FachAuf der automotive conference diskutieren Fahrzeugherstelvorträge der Innovationsallianz Automobilelektronik und Bayler und Zulieferer über Lösungen und aktuelle Herausforderunern Innovativ (BAIKEM). Das diesjährige electronica automotigen in der Automobilelektronik. Nach einer Analyse der Messe
ve Forum des ZVEI befindet sich in Halle A6 umgeben von der
München bewerteten 90% der Messebesucher die letzte electSonderausstellungsfläche „Automotive“.
ronica automotive mit „ausgezeichnet“ bis „gut“, wobei der AnDarüber hinaus lädt die Applikationsgruppe (APG) Autoteil der Besucher in leitender Position hierbei 73% betrug.
motive am 11. November zu einem Brachenabend „AutomobilAuch in diesem Jahr hat das Programmkomitee unter Beteielektronik“ ein, um über aktuelle Markttrends, die Aktivitäten
ligung des ZVEI Fachverband Electronic Components and Sysder APG und deren internationale Vernetzung zu informieren.
tems ein Konferenz-Programm zusammengestellt, das den hoDas Angebot zur Diskussion mit den Referenten und Vertretern
hen technologischen Stellenwert der Elektronik in der Autoder APG richtet sich an Geschäftsführer und Entscheider von
mobiltechnik widerspiegelt.
Unternehmen der Automotive Zuliefererindustrie sowie an VerHierfür konnten hochrangige Vertreter der Automobilhertreter von Firmen, die mit ihren Anwendungen und Produkten
steller, der Systemlieferanten und Komponentenhersteller gedirekte oder indirekte Zulieferer des Automotivebereichs sind.
wonnen werden, die an zwei Konferenztagen neuste TechnoloAuch in diesem Jahr wird der Fachverband Electronic Comgien und Strategien in der Automobilelektronik vorstellen.
Die Konferenz bietet folgende Themenschwerpunkte: „Entwicklungen und
Auf Grund der Bedeutung der electronica automotive
Strategien aus Sicht der Entscheidungsträger“, „Von der Fußgängererkennung
für viele Mitgliedsfirmen des ZVEI organisiert die
zu Halbleiter in Hybridfahrzeugen“ sowie
Applikationsgruppe Automotive des Fachverband
„Von der Li-Ionen-Technologie und moElectronic Components and Systems in Abstimmung mit
dernen Kabelsträngen bis zur mobilen
Vernetzung“.
der Messe München ein eigenes Automotive Forum.
Allein 1.250 der über 3000 Aussteller
präsentieren ihre Automotive-Innovationen auf der diesjährigen electronica 2008 und unterstreichen
ponents and Systems ein eigenes ZVEI-Forum auf der electronidie Attraktivität sowie das enorme Wachstumspotential des
ca abhalten, das in der Halle B4 zu finden ist. Das ZVEI-Forum
Marktsegments Automotive.
verspricht mit seinem abwechslungsreichen Programm ebenAuf Grund der Bedeutung der electronica automotive für
falls ein interessanter Anlaufpunkt zu werden. Themen des
viele Mitgliedsfirmen des ZVEI organisiert die ApplikationsZVEI-Forums sind Traceability und Market Access, Produktpiragruppe Automotive des Fachverband Electronic Components
terie, Passive Bauelemente, die aktuelle Umweltthematik (REand Systems in Abstimmung mit der Messe München eine eigeACH), Leiterplatten und Baugruppen (Marktübersicht, Zyklennes Automotive Forum. Das „electronica automotive Forum“
fähigkeit, Services in EMS) sowie das Thema Energie-Intelliknüpft dabei eng an die electronica automotive conference an
genz. Jeweils nachmittags ergänzen Produktpräsentationen der
und informiert an allen Messetagen in Fachsitzungen unter anAusstellerfirmen die beiden Fachforen.
derem zum Thema „Automotive Software – Quality, DevelopGet the Whole Picture – Nutzen Sie diese Vielfalt an Informament, Innovative Applications“ moderiert durch das Fraunhotionsmöglichkeiten im Sinne Ihres Unternehmens – aber auch
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Foto: Alfred Vollmer
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Keramik für Hybride – auch in der Formel-1
Die Keramik-Leistungskondensatoren der
Serie „Power MONO“ von Murata sind jetzt
auch in einem KERS (Kinetic Energy Recovery System) für die Formel-1-Wagen von
Magneti Marelli enthalten. Bei dieser Form
des Hybridantriebs werden bis zu 400 kJ pro
Runde gespeichert und mit maximal 60 kW
beim Beschleunigen genutzt, so dass die
Fahrzeuge pro Runde 6,7 s schneller werden
können. „Magneti Marelli wählte Muratas
Power-MONO-Kondensatoren für ihr KERSDesign, weil die Keramikmaterialien von
Murata ein überlegenes Welligkeitsverhal-
ten bei kleinen und leichten Gehäusen aufweisen“, erläuterte Terry P. Churcher, President EMEA bei Murata im Gespräch mit
AUTOMOBIL-ELEKTRONIK. Er geht davon
aus, dass dieses Design-In auch eine Signalwirkung für straßentaugliche Hybrid-Designs hat. In einem Elektro-Hybridroller
(Scooter) sind die Power-Mono-Kondensatoren ebenfalls bereits verbaut.
infoDIRECT
Link zu Murata:
www.all-electronics.de
357AELeS08
Terry Churcher (rechts) und Europa-VP
Hermann Mayer von Murata präsentieren
das KERS für die Formel-1, das MurataKondensatoren enthält.
Licht-/Näherungssensor im Miniaturformat
schicht. Auf Grund seiner geringen Abmessungen benötigen die Entwickler nur etwa
ein Fünftel der sonst erforderlichen Fläche
auf der Leiterplatte.“
Besonders hebt Oleg Steciw den geringen
Betriebsstrom von 50 μA hervor: „Die
Stromaufnahme des ISL29015 ist bis zu
sechsmal geringer als bei anderen Lichtsensorlösungen.“ Zur Design-Unterstützung liefert Intersil ein entsprechendes
Eva-Kit.
>> Wabco Holdings verlängert den Langzeit-
>> Ab 2009 wird Navteq die digitalen Kar-
>> Nach Angaben des Marktforschungs-
vertrag mit ZF über die Lieferung von Getriebeautomatisierungssystemen für die
Automatikgetriebe „AS Tronic“ und „AS
Tronic lite“. Dies entspricht einem Umsatzvolumen von mehreren Hundert Millionen US-$ bis weit ins nächste Jahrzehnt.
tendaten von Europa für das neue BMWNavigationssystem „Professional“ liefern, das für die 1er-, 3er-, 5er-, 6er- und
7er-Serie erhältlich ist.
unternehmens Strategy Analytics werden 32-bit-Mikrocontroller im Jahr 2015
für 58% der Mikrocontroller-Umsätze im
Auto verantwortlich sein – und zwar bei
einem Gesamtmarkt von dann 7,6 Milliarden US-$.
Foto: Alfred Vollmer
In einem 2 x 2,1 mm2 kleinen Gehäuse integriert Intersil seinen neuen Umgebungslicht-Sensor ISL29015, der auch als Näherungssensor auf Infrarot-Basis genutzt werden kann. „Der ISL29015 ist der weltweit
beste integrierte Licht/Näherungs-Sensor“,
konstatiert Oleg Steciw, Senior Product
Marketing Manager in der Analog Products
Group von Intersil. „Damit ist eine präzise
Einstellung der Helligkeit von Hintergrundbeleuchtungen bei Displays möglich, während das Design gleichzeitig Näherungen
abschätzen kann – und zwar auch unter extremen Bedingungen wie direktem Sonnenlicht oder hinter einer sehr dicken Glas-
Roberto Magnifico (links), VP Europe Sales,
Adam Latham (mitte), Director Corporate
Marcom und Oleg Steciw von Intersil trafen
sich in Oberbayern mit AUTOMOBIL-ELEKTRONIK, um über den neuen Sensor zu sprechen.
infoDIRECT
Link zu Intersil 358AELeS08
NACHRICHTEN
>> „In einem schwierigen Umfeld stieg die
Zahl der neu zugelassenen Nutzfahrzeuge im September erneut an“, berichtet
der VDA. „Mit 32.500 Fahrzeugen legte
der Inlandsabsatz gegenüber dem bereits sehr hohen Vorjahr nochmals um
12 Prozent zu.“
>> Im neuen BMW 7er übernimmt die von
Continental gelieferte HDR-CMOS-Kamera gleich drei Funktionalitäten: Geschwindigkeitszeichenerkennung
(Speed Limit Monitoring), Fernlichtassistent (Intelligent Headlamp Control) und
Spurverlassenswarnung (Lane Departure Warning).
>> Knorr-Bremse hingegen „reagiert auf
>> Gigatronik eröffnete in Unterpremstätten bei Graz/Österreich seinen fünften
Entwicklungsstandort (nach Stuttgart,
Ingolstadt, München und Köln). Am
Standort Graz sollen in den nächsten
Jahren bis zu 100 Mitarbeiter beschäftigt
werden.
8
den starken Rückgang im Nutzfahrzeugmarkt und legt ein Sparprogramm auf“,
denn das Unternehmen rechnet im Bereich Nutzfahrzeuge Europa in 2008 mit
einem Rückgang des Auftragseingangs
von rund 30 % gegenüber dem Vorjahr.
Geplante Kapazitätserweiterungen werden verschoben, Flexibilitätsreserven
genutzt und die Strukturen angepasst.
>> Autoliv hat das Gewicht des Anti-Sliding-Airbags um 60% (etwa 1 kg) reduziert. Der neue Spezial-Airbag geht erstmals 2009 im neuen Renault Megane in
Serie. Der Anti-Sliding-Bag ist ein in der
Sitzfläche verbauter Airbag, der das Submarining verhindern soll – das Abtauchen des Insassen unter dem Gurt.
>> Dr. Herbert Hanselmann, geschäftsführender Gesellschafter der dSPACE GmbH,
wurde von der Unternehmensberatung
Ernst & Young zum „Entrepreneur des
Jahres 2008“ in der Kategorie „Informations- und Kommunikationstechnologie/Medien“ ausgezeichnet.
TERMINE
Electronica automotive conference
10.-11.11.08, München
Info: www.electronica.de
Sicherheit in der Kfz-Elektronik
17. – 18.11.08, Frankfurt/M.
02. – 03.02.09, Stuttgart
[email protected]
ECPE-Workshop: Kühltechniken
20.11.2008, Nürnberg
ECPE-Workshop: Power-PCBs & Busbars
21.11.2008, Nürnberg
[email protected]
Advanced Navigation
24.-26.11.08, Potsdam
Info: [email protected]
Elektromagnetische Verträglichkeit
(EMV) im Automobil
02. – 04.12.08, Stuttgart
[email protected]
LED in der Praxis
03. – 05.12.08, Essen
www.my-led.info
Alternative und Hybrid-Antriebe
04. – 05.12.08, Berlin
[email protected]
Next Generation Electric Vehicles
11. – 12.12.08, Wiesbaden
[email protected]
Intelligent Automotive Lighting
27.1. – 28.1.2009, Frankfurt/Main
[email protected]
Indien: Wachstumsmarkt
für Nutzfahrzeuge
Indien gehört laut VDA zu den wichtigsten
Wachstumsmärkten für die Nutzfahrzeugindustrie. „Das enorme Potenzial und eine
immer wettbewerbsfähigere lokale Industrie machen Indien zu einem der attraktivsten Automobilmärkte der Welt“, so der
Verband. Deshalb führte der Verband der
Automobilindustrie (VDA) auf der 62. IAA
Nutzfahrzeuge bereits zum dritten Mal
einen „IAA India Day“ durch, an dem über
120 Gäste teilnahmen. VDA-Geschäftsführer Dr. Thomas Schlick wies auf die enge und
erfolgreiche Zusammenarbeit mit den indischen Partnern – dem indischen Zulieferverband ACMA, dem Herstellerverband SIAM
und der indischen Regierung – hin. Noch im
laufenden Jahr werde eine „Deutsch-Indische Arbeitsgruppe Automobil“ gegründet,
in der Industrie und Politik beider Länder
eng zusammen arbeiten werden.
Einen ausführlicheren Bericht zur 62. IAA
Nutzfahrzeuge finden Sie im NutzfahrzeugSchwerpunkt in der nächsten Ausgabe der
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AUTOMOTIVE AKTUELL
NAMEN
Dr. Gerhard Lahm ist als
Geschäftsführer
beim
Ventilatorspezialisten
ebm-papst ausgeschieden. Bis zur Neubesetzung wird Thomas Wagner, Gruppengeschäftsführer Produktion
und Geschäftsführer ebm-papst St.
Georgen GmbH & Co.KG, das Schwarzwälder Tochterunternehmen alleinverantwortlich leiten.
Analog Devices hat Kevin
Carlin zum Sales Director
für Zentraleuropa ernannt. Carlin arbeitete zuvor als Regional Sales
Manager für Zentraleuropa beim Konkurrenten Texas Instruments.
Dr. Martin Geier wurde in
den Vorstand der Method
Park Software AG berufen, wo er für das Ressort
Professional Services verantwortlich ist. Martin
Geier gehört seit dem Jahr 2000 zur Belegschaft von Method Park.
Ipetronik hat Dr. Ullrich
Hesse zum Leiter des neuen Unternehmenbereichs
Engineering & Consulting ernannt.
Dipl.-Ing. Christoph Huss,
der als Group Vice President bei BMW angestellt ist und bereits die
Position des Vorsitzenden
des VDI-FVT inne hat, ist
der neue President der FISITA für den Zeitraum 2008 bis 2010. Sein Vorgänger bei
FISITA war Akihiko Saito von Toyota
Multifunktionsschalter von Preh im neuen Golf
Preh hat in Zusammenarbeit mit dem Lenkradhersteller Takata Petri die Multifunktionsschalter des Lenkrads im neuen Golf
entwickelt und in die Serienfertigung überführt. Auf Grund des sehr begrenzten Bauraums in dem Speichenlenkrad haben die
Preh-Ingenieure für das Multifunktionslenkrad im neuen Golf nach eigenen Angaben „den derzeit wohl flachsten Lenkradschalter mit integrierter Elektronik konstruiert“. Trotz der Bautiefe von nur 12 mm ist
auch die Elektronik für den LIN-Bus in die
beiden Schaltereinheiten integriert. Diese
sitzen rechts und links auf den Speichen des
Lenkrads und dienen der Steuerung von
Multifunktionsanzeige, Radio und Telefon.
Zwei weitere Bedienelemente, die als
Schaltwippen ausgeführt sind, sitzen unmittelbar hinter den Speichen und dienen
der manuellen Gangwahl.
Die haptische Gestaltung der Schalteroberflächen gewährleistet, dass die unterschiedlichen Positionen der Schalterele-
mente leicht erfühlt und unterschieden
werden können, so dass der Fahrer schon
nach einer kurzen Gewöhnungsphase die
Funktionsbelegung der Schalter intuitiv
nutzen kann.
Prehs Schalter-Know-how kommt neben
dem neuen Golf auch beim Multifunktionslenkrad im Passat CC zum Einsatz.
infoDIRECT
353AELeS08
Link zu Preh:
Die komplette ZF-Stufe eines Autoradios auf einem Chip
Silicon Labs bringt mit dem Si474x ein Empfänger-ICs für Autoradios auf den Markt,
das auf einem Chip ganz ohne alu-gekapseltes Tuner-Modul die gesamte ZF-Stufe für
sämtliche in Autoradios genutzten Frequenzen enthält: von Langwelle bis UKW
bzw. 162 MHz. „Mit dem Si474x benötigen
die Entwickler nur ein einziges BasisbandDesign, um den kompletten Weltmarkt für
Automobile zu bedienen“, erläutert Lokesh
Duraiappah, Senior Product Manager bei Silicon Labs. „Da wir mit einer einzigartig
niedrigen Zwischenfrequenz im kHz-Bereich, also im Basisband, arbeiten, handelt
es sich hier um eine echte HF-Mixed-SignalLösung, bei der wir zusätzliche Features integrieren können.“
So hat Silicon Labs beispielsweise einen DSP
zum Aufpeppen schwacher Signale sowie
zur Unterdrückung von Störsignalen genauso auf dem Chip integriert wie einen RDS-De-
Lokesh Duraiappah:
„Jetzt können selbst Entwickler, die sonst an Digitalschaltungen arbeiten,
den Hf-Teil auf der Leiterplatte integrieren, denn
sie müssen kein silberfarbenes Kästchen mehr
kaufen.“ Foto: Alfred Vollmer
coder. Mit Hilfe des DSPs ist es möglich, das
Radio per Software an ein bestimmtes
Marktsegment anzupassen. „Während ein
herkömmlicher Tuner über 1 W aufnimmt,
verbraucht das Si474x weniger als 80 mW, so
dass es nicht zu einem Wärmestau kommt“,
so Duraiappah. „Außerdem ist damit kein
manueller Abgleich mehr notwendig.“
infoDIRECT
Link zu Silicon Labs:
356AELeS08
Strategische Partnerschaft: NEC und Elmos
Die NEC Electronics Corporation und die Elmos Semiconductor AG werden Aktivitäten in
einer weltweiten, langfristigen Partnerschaft
bündeln. Die Vereinbarung soll die gemeinsame Entwicklung, die wechselseitige Nutzung
von Entwicklungs- und Fertigungsdienstleistungen sowie die gemeinschaftliche Vermarktung von Produkten für den Automobilund Industriemarkt umfassen. Während NEC
seine 8– bis 32-bit-Mikrocontroller in die Ko-
10
operation einbringt, steuert Elmos robuste
und zuverlässige anwendungsspezifische
Analog/Mixed-Signal-Halbleiter bei. Die Kooperation ermöglicht den wechselseitigen
Zugriff auf das Know-how des Partners. Erste
Konzepte adressieren Mikrocontroller, intelligente Systembasisbausteine mit integrierten
Kommunikationsschnittstellen und Leistungshalbleiter mit integrierten intelligenten
Schutz- und Diagnosefunktionen.
Derzeit überschneiden sich die Geschäftsaktivitäten der beiden Firmen kaum. Daher
sind NEC und Elmos davon überzeugt, dass
die langfristige Partnerschaft für beide Firmen „zusätzliche, bislang nicht adressierbare Umsätze“ ermöglicht.
infoDIRECT
Link zu NEC und Elmos:
352AELeS08
Die CO2-Debatte prägt alles
Im ersten Teil unseres Berichts
über den 12. FACHKONGRESS
ELEKTRONIK IN LUDWIGSBURG
berichteten wir über die Themen Integration der ConsumerElektronik ins Auto, Zusammenarbeit zwischen OEM und Zulieferer sowie die Rolle der E/E bei
der Verbrauchsreduzierung. In
diesem zweiten Teil des Reports
über das Branchentreffen geht
es um die Themenkreise Diagnose, Architektur und Prozesse
sowie Hardware/Software. In all
diesen Bereichen kamen dabei
als omnipräsenter Action-Item
immer wieder Aspekte rund um
die CO2 – bzw. Verbrauchsreduktion zur Sprache.
Etwa 400 Besucher nutzten den Fachkongress AUTOMOBIL-ELEKTRONIK auch am zweiten Tag
nicht nur, um im Plenum Neues zu erfahren, sondern auch, um sich auf der Fachausstellung zu
informieren und um in Klein(st)gruppen die Weichen für die Automobil-Elektronik von morgen
zu stellen.
Alle Fotos: Natalie Balleis
M
it der „Diagnose als Kernprozess
der Fahrzeugentwicklung“ beschäftigte sich Prof. Dr.-Ing. Ulrich Heiden, Leiter Diagnose bei der
BMW Group, in seinem Vortrag. Für ihn
steht Diagnose als Synonym für „Wissensmanagement“ als Verbindung zwischen Entwicklung, Produktion, Service
beziehungsweise
Handelsorganisation
und Qualitätsarbeit. „Die Diagnose ist die
Detaillierung der Systemarchitektur“, so
Dr. Heiden. „Sie beschreibt dabei das
funktionale Verhalten von Fahrzeugsystemen und die Messpunkte der Diagnose
die Knoten eines Funktionsnetzes, wobei
die Entwicklungsreife über die Anzahl
der Funktionsknoten und ihre Messbarkeit beurteilbar ist.“
Dr. Heiden weiter: „Die Herausforderung für uns besteht im Rückkanal, im
Lernen aus dem Feld.“ Wenn bei Reparaturen Anfragen aus den Werkstätten an
die Zentrale kommen, dann bedeute dies
im Endeffekt, dass die Diagnose nicht
ausreichend sämtliche Bereiche abdeckt.
„Wir müssen überlegen, wie wir die Diagnose in einem Multi-Use-System tatsächlich fähig machen. Dazu reicht es nicht
aus, am Ende der Entwicklungszeit zu
Durch das Programm des zweiten Tags führte
Peter Gresch (Tyco)
überlegen, wie man einen Fehler finden
könnte, sondern die Diagnose muss eigentlich parallel zum Produkt entwickelt
und erprobt werden… Die Trendwende
besteht darin, mit der Diagnose verbindliche Handlungsanweisungen für den
Mechaniker nach draußen zu geben –
und zwar mit vorgedachten Arbeitsabläufen.“
Laut Dr. Heiden muss ein neues Netzwerk des Lernens entstehen: „Wir müssen uns anschauen, was mit den Reparaturen tatsächlich passiert ist, um dann et-
was herauszubekommen. Entweder wir
verbessern dann die Diagnose, damit das
Reparaturpersonal nie wieder in die Irre
geführt wird, oder wir kommen dann auf
die Ursache des Fehlers und beheben diesen. Wir haben es daher mit einer doppelten Regelschleife zu tun.“
Hierbei entsteht natürlich ein immenses Datenvolumen, das standardisiert
werden muss – und zwar mit ASAM/
ODX. Allerdings seien nur etwa 10% des
Standards wirklich OEM-übergreifend
standardisiert. Um jetzt schnell auf Fehler
reagieren zu können, ist „eine OnlineAnbindung in die Handelsorganisation
hinein wichtig“.
Dr. Heiden sieht aber auch klar die
Notwendigkeit, dass die Überwachungsorgane wie TÜV oder DEKRA Zugang zu
den Diagnosedaten bekommen, um die
Hauptuntersuchung richtig durchführen
zu können. Aus diesem Grund seien diese Unternehmen auch „berechtigte Dritte“, denen BMW einen Zugang zu den
Original-Diagnosedaten gewähre. Von
einem uneingeschränkten Offenlegen aller Diagnoseinformationen hält er allerdings nichts, denn „das widerspricht dem
Schutz von geistigem Eigentum“.
11
nen Kurzschluss nach Plus oder Minus
hatte, sondern ihm ist wichtig, wo der
Fehler ist“. Beim seinem Diagnosesystem
arbeitet Volkswagen mit Wahrscheinlichten für die Fehler, wobei die Datenbasis
zur Fehlersuche des Fehlers automatisch
aus den CAD-Daten erstellt werden
kann. Zusammen mit den Einträgen des
Fehlerspeichers ergibt sich so die entsprechende Eingrenzung, wo der Fehler am
wahrscheinlichsten liegen könnte.
Dr. Heiden (BMW): Es reicht nicht aus, am Ende der Entwicklungszeit zu überlegen, wie
man einen Fehler finden könnte; die Diagnose muss parallel zum Produkt entwickelt und
erprobt werden.
Auf die Chancen und Risiken bei der
Standardisierung in der Diagnose ging
Stephan Steinhauer, Leiter Entwicklung
Fahrzeugdiagnose bei Daimler, in seinem
Vortrag ein, in dem er zunächst einmal
Ausdauer empfiehlt, denn „eine Standardisierung dauert sieben bis 10 Jahre“.
Gleichzeitig solle man aber auch eine realistische Erwartungshaltung haben und
keine „Quick-Wins“ erwarten. Es hieße
allerdings auch, bereit zu sein, „echte
Kompromisse einzugehen und die richtigen Mitarbeiter in die Gremien zu schicken, die in der Lage sind, mit Sachverstand Kompromisse zu schließen“.
Außerdem sollte man die Anzahl der
Standardisierungsgremien so gering wie
möglich halten und die „ausgewählten
Standardisierungsaktivitäten mit ausreichendem Engagement unterstützen“, sowie Lieferanten und Behördenvertreter
rechtzeitig in das Geschehen einbinden.
Einen „Systemansatz für das Finden
elektrischer Probleme in Fahrzeugen“ betrachtete Klaus Lange, Leiter Netzwerk, Diagnose und elektrisches Energiemanagement bei Volkswagen. Hierbei ging er auf
die On- und Offboard-Diagnose ein, um zu
der Schlussfolgerung zu kommen, dass
nunmehr eine „Betrachtung des Fahrzeugs
in seiner Gesamtheit notwendig“ ist, während bisher die Diagnose aus einer steuergerätebezogenen Sicht erfolgte. „Dabei ist
eine effektive Methodik zur Fehlersuche
erforderlich.“
Zur Beherrschung der Probleme müsse für jeden DTC in jedem Fahrzeug ein
Fehlersuchbaum generiert werden. Weder in Bayes-Netzen noch in neuronalen
Netzen sieht er jedoch eine praktikable
Lösung, die auch im Alltag bzw. in der
Fläche einsetzbar ist.
Volkswagen hat festgestellt, „dass es
für den Menschen in der Werkstatt überhaupt nicht wichtig ist, ob eine Leitung
eine Unterbrechung hatte oder ob sie ei-
12
Architektur
Um „Tücken und Chancen der globalen
Software- und Architekturentwicklung“
ging es im Vortrag von Dr. Jutta Schiffers,
Director Global Systems Engineering bei
Stephan Steinhauer (Daimler): „Wir müssen
bereit sein, echte Kompromisse einzugehen
und die richtigen Mitarbeiter in die Gremien
zu schicken, die in der Lage sind, mit Sachverstand Kompromisse zu schließen.“
Für Klaus Lange (Volkswagen) ist bei der
Diagnose die „Betrachtung des Fahrzeugs in
seiner Gesamtheit notwendig“.
General Motors. Der global aufgestellte
Automobilhersteller setzt nicht mehr
auf skalierbare Komplett-Architekturen, die vom (Ultra-)Low-Cost- bis zum
Premium-Fahrzeug zum Einsatz kommen, sondern auf neu definierte wiederverwendbare Architektur-Pattern,
die je nach Fahrzeugmodell in allen Typen jenseits des Premium-Segments genutzt werden.
„Im Jahr 2012 werden etwa 70% aller
neuen GM-Fahrzeuge auf der gleichen
globalen E/E-Architektur beruhen“, erläutert Dr. Schiffers. „Als Enabler für die
Globalisierung sehen wir aber auch unsere Software-Initiative. Wir möchten dadurch schneller sein, die Qualität erhöhen und die Wiederverwendung von
Software-Komponenten in verschiedenen Ebenen ermöglichen… Wir möchten
Software unabhängig von Hardware einkaufen.“
Vor
allem
im
Powertrain-Bereich (inklusive Hybride)
hat GM bereits heute einen hohen Eigenanteil bei der Software, aber auch in den
Bereichen Komfort sowie bei den MMIs
(Mensch-Maschine-Interface) für das Infotainment will GM hier mehr Eigenleistung erbringen.
Und wie sieht es bei GM mit Industriestandards wie Autosar und FlexRay aus?
„Da wir auch auf eigene Software setzen,
ist Autosar einer der Enabler“, so Dr.
Schiffers. „Wir werden Autosar einsetzen, wenn bei uns 2014 neue Architekturen anstehen.“ Mit FlexRay sollen GMFahrzeuge in den Bereichen Chassis und
Safety bereits im nächsten Update der
heutigen Architektur arbeiten.
„Die Zukunft liegt in der Software“,
konstatiert Dr. Schiffers. „Wir müssen davon abkommen, dass wir Hardware kaufen und Software gratis dazu bekommen.
Dementsprechend müssen wir uns auch
überlegen, welchen Wert Software hat
und wie Software verkauft wird. Wir erstellen unter anderem auch deshalb Software selbst, dass wir ungefähr ein Gefühl
dafür bekommen, wie viel Aufwand hinter der Software steckt, so dass wir auch
den Wert bestimmen können.“
„Virtuelle Hardware: Ein zukunftsweisender Ansatz in der SteuergeräteEntwicklung“ betitelte Dr. Rainer
Denkelmann, Manager Global Forward
Engineering Body & Security bei Delphi
Deutschland, seinen gemeinsam mit Dr.
Klaus Baron, Engineering Director Europe
und Customer Business Unit Director bei
Delphi, ausgearbeiteten Vortrag. Er sieht
eine potenzielle Lösung in einem „Virtuelle Hardware“ genannten Tool, das zur
Optimierung der Software-Entwicklung
dient. Mit Hilfe dieses Tools hat Delphi
bereits einen Body-Computer erfolgreich
umgesetzt.
Virtuelle Hardware simuliert das funktionale Verhalten einer Hardware, wobei
mit einer virtuellen Testbench auf einem
normalen PC funktionale Tests mit einem
Steuergerät zyklusgenau durchgeführt
werden, ohne dass dabei die physikalische Hardware verfügbar ist. In jedem
Fall wird exakt der gleiche compilierte
Dr. Jutta Schiffers (General Motors): „Die Zukunft liegt in der Software. Wir müssen davon
abkommen, dass wir Hardware kaufen und
Software gratis dazu bekommen.“
Dr. Rainer Denkelmann (Delphi): Mit einem „Virtuelle Hardware“ genannten Tool die Entwicklung der Steuergeräte-Software optimieren.
Pertti Korhonen (Elektrobit): „Die Software
muss die Hardware bestimmen und nicht andersherum; die Software muss von der UserExperience definiert werden.“
Objekctcode ausgeführt, der auch in der
physikalischen Hardware zum Einsatz
kommen soll.
Connectivity (physikalisch-logische Anbindung) etabliert sein wird, dann ergäben sich komplett neue Möglichkeiten.
„Mittlerweile sind im Automobil sehr
klassische
Software-Aspekte
aufgetaucht, und diese Herausforderungen
werden immer größer.“ So wolle beispielsweise jeder Software wiederverwenden, aber die praktische Umsetzung
von „Software-Reuse“ sei eine äußerst
komplexe und schwierige Angelegenheit.
„Wir brauchen neue Paradigmen, um der
Komplexität der Software Herr zu werden. Wir glauben, dass der wichtigste
Aspekt das Software-Architektur-Management ist; das ist ein absolutes Muss,
wenn es um die Wiederverwendung geht.
Die reine Anwendung von Tools löst nämlich nicht die Probleme der Entwickler.“
Außerdem müsse Software als Produkt behandelt werden. „Software ist ein
ausgeprägter Bereich in der Architektur
eines Automobils und nicht nur eine Zutat oder Technologie, welche die Elektronik oder Hardware arbeitsfähig macht.
Das bedeutet, dass wir Software nicht mit
der Denkweise des Elektronik- oder Mechanik-Managements angehen können.
Wir müssen das Management komplexer
Automotive-Software mit Praktiken umsetzen, die in der Software-Industrie zum
Einsatz kommen.“
Auch auf der Toolseite sind Korhonen
zufolge Änderungen im Rahmen des
Software-Entwicklungsprozesses nötig:
„Das tiefe V-Modell ist nicht mehr geeignet, weil es mit sehr langen Iterationsschleifen arbeitet. Es ist dabei nämlich
sehr schwierig, die aktuelle Stufe des Projekts zu kennen. Die Industrie muss vielmehr Software so entwickeln, dass die
Zyklen kurz sind.“ Mit dieser inkrementellen Entwicklung würden Features in
kleinen Häppchen zur Software hinzugefügt, getestet, erneut verändert etc. So
lasse sich das Verhalten viel leichter bestimmen. In der Praxis bedeute das, dass
bei einem derartigen inkrementellen und
iterativen Ansatz jeden Tag eine neue
Built-Version erstellt werde, wodurch
sich ein guter Blick auf den Fortschritt
der Software ergibt.
Software
Der CEO von Elektrobit (EB), Pertti Korhonen, brachte viele aktuelle Brennpunkte im Software-Bereich auf den
Punkt und verabschiedete sich vom
V-Modell; für ihn ist Software mehr als nur
das, was der Hardware Leben einhaucht:
„Die Software muss die Hardware bestimmen und nicht andersherum; die
Software muss von der User-Experience
(etwa: den Erfahrungen, Erlebnissen und
Gefühlen der Anwender) definiert werden“, so Pertti Korhonen. „Wir glauben,
dass die Standardisierung der Software
nicht ausreicht. Es muss Unternehmen
geben, die diese Standards als SoftwareProdukt auf den Markt bringen.“
EB ist der Ansicht, dass schon bald ein
Update der Software (auch jenseits des
Infotainments) genau so selbstverständlich und schnell erfolgen wird wie bei den
PCs. Wenn dann erst einmal die passende
Eine sichere Anlage.
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Es gibt im Auto noch
viel Potenzial zur
Verringerung der
Emissionen und zum
Einsparen von Kraftstoff
Grafik: Infineon Technologies (Dr. Graf)
Dr. Alfons Graf (Infineon): Wenn wir etwa
40 W elektrische Leistung einsparen, dann
sinken die Emissionen um etwa 1 g CO2/km.
Tsutomu Miki (Renesas) sieht vier große
Markttrends hin zu Diversifikation, Bipolarisierung, Konzentration und Globalisierung.
Dr. Martin Rittner (ZVEI/Bosch): Bei Hochtemperaturelektronik alle Beteiligten in die Wertschöpfungskette ECU-PEBB einbeziehen.
Hardware
In Vertretung von Claus Geisler, Senior
Vice President & General Manager der
Business Unit Automotive Power bei Infineon, berichtete Dr. Alfons Graf, Director, Automotive Power Innovations
bei Infineon, über Technologien aus dem
Elektronik-Bereich, mit denen sich Treibstoff sparen lässt. Als generellen Anhaltspunkt und Richtwert erklärte er, dass 1 g
CO2/km etwa 40 W elektrischer Leistung
entsprächen. Gleichzeitig ergebe sich
durch eine Einsparung von 1 g CO2/km
14
ein dem Endkunden vermittelbarer
(Mehr-)Wert von zirka 30 bis 50 Euro.
Daraus folgerte er, dass als ganz grobe
Richtschnur, der Wert eines Neufahrzeugs mit jeder Einsparung von 1 W elektrischer Energie um 1 Euro ansteigt. Als
Analogie führte er an, dass ein Kraftwerk
mit 1 MW bzw. 1 GW Leistung etwa 1 M€
beziehungsweise 1 G€ koste.
Neben Motor, Getriebe und Hybridisierung als großen Themen sprach er
auch Aspekte an, die kleinere Auswirkungen auf den Verbrauch haben: Von
Luftwiderstand, (Roll)Reibung über das
Energie-Management bis zu elektrischen
Einzel-Verbrauchern. Welche Potenziale
sich dabei im Einzelnen ergeben, das sehen Sie in Grafik 1.
Dabei wies er immer wieder auf
Aspekte hin, deren hohes Potenzial uns
oft nicht auf den ersten Blick bewusst
war. So entstehen laut Dr. Graf 40% der
Generatorverluste in den Dioden. „Wenn
wir diese Dioden durch MOSFETs ersetzen, dann lässt sich der Wirkungsgrad um
etwa 10% verbessern“, konstatiert Dr.
Graf. Gleichzeitig ergebe sich so ein beachtliches Downsizing-Potenzial, denn
ein Generator, der bisher 125 A lieferte,
könne durch die Umstellung auf MOSFETs dann 180 A zur Verfügung stellen,
was wiederum Kostenvorteile bietet.
Über die Herausforderungen, die auf
die Halbleiter bei den Automotive-Anwendungen der Zukunft zukommen, referierte Tsutomu Miki, Executive Officer
und General Manager der Automotive
Semiconductor Business Unit bei Renesas Technology. Hr. Miki sieht vier große
Markttrends hin zu Diversifikation, Bipolarisierung, Konzentration und Globalisierung. Die großen Herausforderungen
liegen für ihn dabei in den Bereichen Intelligenz, Multimedia und Datenverbindung (Connectivity), wobei Renesas diesen Herausforderungen mit der i3-Car
Solution begegnen will. So berichtete Hr.
Miki unter anderem über Multicore-Pro-
zessoren des Typs SH-4A, die 4 oder gar 8
CPU-Cores enthalten.
Die Kombination aus Steuerung und
Information bezeichnete er dann als Infor-Mechatronics, wobei dieser Begriff
durchaus auch in Richtung Sensordatenfusion tendiert. Die Verbindung mit der
Außenwelt wird nach Ansicht von Tsutomu Miki per WAVE bzw. WiMAX erfolgen, während innerhalb des Fahrzeugs
Daten per UWB (Ultra Wide Band) im
PAN (Personal Area Network) verschickt
werden.
Die Herangehensweise des ZVEI-Arbeitskreises „Hochtemperaturelektronik“
erläuterte Dr. Martin Rittner von der
ZVEI-Arbeitsgruppe
Hochtemperaturelektronik, der auch Projektleiter bei
Bosch ist, in dem Vortrag „Hochtemperaturelektronik und leistungselektronische
Systeme in Kraftfahrzeuganwendungen“. Da immer mehr Elektronik im
Kraftfahrzeug Temperaturbelastungen
oberhalb von 125 °C ausgesetzt sein wird,
muss sich die Elektronik dieser Herausforderung anpassen. Dies geschehe nicht
nur mit neuen Materialien, Technologien
und Prozessen, sondern auch durch eine
Verbesserung der Konzepte des thermischen Managements.
Wichtig sei es dabei, so Dr. Rittner,
dass einerseits alle Randbedingungen im
komplexen System aus ECU (Electronic
Control Unit, Steuergerät) und PEBB
(Power Electronics Building Block; Leistungselektronik-Baustein) beachtet werden und andererseits sämtliche Beteiligten in die Wertschöpfungskette ECUPEBB einbezogen werden. (av)
infoDIRECT
Link zum ersten Teil des Berichts
über den 12. Fachkongress AUTOMOBILELEKTRONIK
399AELeS08
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TITEL
Exklusiv-Interview mit Robbie McAdam, Vice President der Analog Semiconductor Components
Division & Automotive Segment Executive bei Analog Devices Inc.
Mehr als „nur“ Sensordatenfusion
Der amerikanische Halbleiterhersteller Analog Devices (ADI) hat sich auf die Kombination aus digitaler Signalverarbeitung, analogen (Präzisions-)Schaltkreisen und MEMS-Sensoren spezialisiert, so
dass vor allem das Energie-Management, das Infotainment und Sicherheitssysteme im Fokus der
Automotive-Aktivitäten des Unternehmens stehen. AUTOMOBIL-ELEKTRONIK sprach mit dem Chef
der Automotive-Sparte bei ADI unter anderem über Marktaspekte, die führende Rolle der Europäer
und Anwendungen vom Infotainment bis zur Sensordatenfusion.
AUTOMOBIL-ELEKTRONIK: Welche Bedeutung hat die AutomobilElektronik für Analog Devices?
Das Automotive-Geschäft ist aus mehreren Gründen sehr wichtig für Analog Devices. Während laut IMS Research bei Kraftfahrzeugen mit einem gleich bleibenden Wachstum zu rechnen
ist, erwarten die Marktforscher bei Halbleitern für den Automobil-Bereich in den nächsten fünf Jahren ein Wachstum von
durchschnittlich neun Prozent pro Jahr. Analysten prognostizieren, dass der Elektronikanteil in einem Fahrzeug bis 2010 fast
die Hälfte der Fahrzeugkosten ausmachen wird. Dies macht den
Bereich Automobil-Elektronik zu einer sehr attraktiven Erweiterung des Geschäftsportfolios eines Halbleiterlieferanten, falls
er über den richtigen Mix aus Produkten, Technologien und Erfahrung verfügt. Bei Analog Devices ist dies der Fall.
Obwohl dieses phänomenale Wachstum in der ganzen Welt
teilweise aus behördlichen Vorschriften für Fahrzeuge zur Verringerung des Schadstoffausstoßes und zur Verbesserung der Sicherheit resultiert, glaube ich, dass der wahre Treiber dieses
Wachstums die Veränderungen sind, die Käufer von einem
Fahrzeug erwarten. Vor zehn Jahren gab es einen nur geringen
Bedarf an leistungsfähiger Signalverarbeitung in Fahrzeugen.
Dies hat sich jedoch geändert. Die Verbraucher von heute erwarten, dass sich ihr Fahrzeug optimal an die jeweiligen Fahrverhältnisse anpasst, Informationen über die Wegstrecke liefert
und es ihnen ermöglicht, mit dem Büro sowie der Familie in
Verbindung zu bleiben. Gleichzeitig muss es hochwertige Audio- und Video-Unterhaltung bieten und so sauber und effizient
wie noch nie sein.
Wir sind in einer guten Position, um unseren Kunden zu helfen, ihre Entwicklungsziele zu erreichen. Dabei nutzen wir unsere Stärken, die wir in über 40 Jahren im Bereich Signalverarbeitung aufgebaut haben. Indem wir die in anderen Märkten
gesammelten Erfahrungen nutzen, zeigen wir, wie sich unsere
Produkte effizient nutzen lassen, um Sensor-, Überwachungs-,
Steuerungs- und Verarbeitungsfunktionen für kritische Automotive-Subsysteme exakt und zuverlässig zu realisieren.
Wenn dieses gebündelte Know-how und die zugehörigen
Technologien auf Sicherheits-, Infotainment-, Antriebsstrang-
„Aufgrund seiner intensiven Entwicklungsaktivitäten wird sich Analog Devices bei der Überwachung
zukünftiger Lithium-Ionen-Hybrid-Fahrzeuge eine
Position an vorderster Stelle verschaffen.“ Robbie McAdam
und Body/Chassis-Elektroniksysteme übertragen werden, bei
denen ein zunehmender Bedarf an noch höherer Leistung besteht, können wir unseren Automotive-Kunden helfen, den
von ihnen gewünschten Wettbewerbsvorteil zu erreichen.
Obwohl wir gemäß unserer Firmenpolitik keine Umsatzzahlen in spezifischen Märkten bekannt geben, kann ich sagen, dass
der Automotive-Markt für ADI zu den am schnellsten wachsenden Segmenten zählt und wir in diesem Bereich langfristig aktiv
sein werden.
AUTOMOBIL-ELEKTRONIK: Warum sind die europäischen Hersteller
besonders interessant für ADI?
Europa ist einer der stärksten Treiber für Innovation in der Automotive-Industrie. So war zum Beispiel Saab unter den ersten
16
TITEL
OEMs, die für Airbag-Systeme MEMS-Beschleunigungssensoren statt Kugelschalter einsetzten. Saab war auch der erste Hersteller, der Einchip-Beschleunigungssensoren eingesetzt hat –
und ADI hat diese Chips geliefert. Heute arbeiten wir mit vielen
führenden Systemanbietern und OEMs zusammen, speziell in
Deutschland. Aus der Zusammenarbeit mit diesen Unternehmen resultiert ein großer Teil unseres Gesamtumsatzes im Automotive-Bereich. Viele der führenden Innovationen bei Fahrzeugen werden auch
weiterhin in Europa von einigen der
größten Automobilhersteller und OEMs
entwickelt. Mit dem wachsenden Bedarf
an mehr Elektronik wird ADIs Ansehen
als Anbieter innovativer und leistungsfähiger Signalverarbeitungs-Technologie
heute als Vorteil für kommende Systementwicklungen gesehen. Die Breite und
Tiefe unseres Analog-, Mixed-Signalund Digital-Produktportfolios machen
uns in Kombination mit unserem Engagement für kontinuierliche Verbesserungen und höchste Qualität zu einem interessanten Partner.
Auf einer anderen Ebene hat Analog
Devices auch eine Tradition bei technologischen Innovationen. Diese Kultur findet man auch bei vielen
der Zulieferer und OEMs in Europa. Das passt sehr gut.
AUTOMOBIL-ELEKTRONIK: Auf welche Bereiche des Fahrzeugs konzentriert sich Analog Devices in punkto Anwendungen und Produkte?
Wir konzentrieren uns derzeit auf die Kriterien, die die lineare und
digitale Signalverarbeitung hinsichtlich Genauigkeit und Geschwindigkeit verlangt, um Sicherheits-, Infotainment-, Antriebsstrang- und Body/Chassis-Elektroniksysteme zu entwickeln.
Die MEMS-basierten Beschleunigungs- und Drehratensensoren von ADI werden auch in Zukunft Sicherheitssysteme für
Fahrzeuge revolutionieren. Patentierte iMEMS-Sensoren enthalten winzige mechanische Strukturen sowie Verstärker, Filter
und Schaltungen für den Selbsttest. Diese Sensoren sind
anwendungskritische Bauteile in Airbag-, Rollover-, ESP- und
Navigationssystemen. Analog Devices hat bis heute über 400 Millionen Inertialsensoren verkauft und ist stolz auf seine Zusammenarbeit mit führenden Anbietern von Sicherheitssystemen.
Blackfin- und SHARC-Prozessoren von Analog Devices werden von führenden Herstellern wie Audi eingesetzt, um hochwertige Audio- und Video-Lösungen in Fahrzeuge zu integrieren. Der programmierbare Blackfin-Prozessor bietet eine Architektur, die sich optimal für Anwendungen wie Digitalradio,
Steuerungen für Head-Units und Schnittstellen für den iPod
eignet. Die Floating-Point-Genauigkeit des SHARC-Prozessors
sorgt für die Audio-Qualität von Automotive-Verstärkern.
Hybrid-Fahrzeuge sind ein spannendes Wachstumssegment,
für das Analog Devices über ein großes Angebot an bewährten
Produkten verfügt: von Verstärkern über Wandler bis hin zu den
digitalen Isolatoren der iCoupler-Familie.
Resolver/Digital-Wandler von Analog Devices übernehmen in
Dual-Mode-Hybrid-Fahrzeugen Steuerungsaufgaben beim Umschalten zwischen Elektro- und Verbrennungsmotor. Aufgrund
seiner intensiven Entwicklungsaktivitäten wird sich Analog Devices bei der Überwachung zukünftiger Lithium-Ionen-HybridFahrzeuge eine Position an vorderster Stelle verschaffen.
Um eine bessere Batteriezustandserkennung von Bleiakkumulatoren und ein weiter optimiertes System-Energie-Management
für längere Batterielaufzeiten in Fahrzeugen zu ermöglichen,
kombiniert Analog Devices 16-bit-Wandler mit einem Mikropro-
zessor und speziellen analogen Eingangsstufen für hohe Spannungen und dynamische Stromwerte.
AUTOMOBIL-ELEKTRONIK: Welche Produkte sind besonders interessant für die Automotive-Industrie und warum?
Die Automobil-Industrie ist groß und sehr unterschiedlich ausgerichtet. Alle gerade erwähnten Bereiche, auf die sich Analog
Devices konzentriert, sind in der Praxis eigene Märkte mit eige-
„iMEMS-Beschleunigungs- und
Drehratensensoren von Analog
Devices ermöglichen von allen
verfügbaren MEMS-Bewegungssensoren die genaueste und zuverlässigste Messung von Abstand,
Bewegung und Beschleunigung.“
Robbie McAdam
nen Trends, Entwicklungszielen und Anforderungen an ICs.
Spezifische Beispiele dafür sind etwa das Energie-Management,
das Infotainment und Sicherheitssysteme.
AUTOMOBIL-ELEKTRONIK: Was heißt das konkret für das EnergieManagement?
Für diesen Bereich hat ADI ein Überwachungs-IC für LithiumIonen-Batterien entwickelt, das alle Funktionen zur schnellen
Überwachung und sicheren Steuerung mehrerer Lithium-Ionen-Batterien enthält, wie sie in Hybrid/Elektro-Fahrzeugen
vorhanden sind. Gegenüber IC-Lösungen des Wettbewerbs verfügt das neue Batterie-Überwachungs-IC über ein breites Spektrum an Funktionen. Dazu gehören Spannungs-, Temperatur-,
Alarm- und Cell-Balancing-Funktionen, die alle mit den besten
Spezifikationen in ihrer Klasse kombiniert sind. Das neue Bauteil senkt die Systemkosten, indem es ermöglicht, dass mehrere
Bauteile in Umgebungen mit hohen Spannungen von über
1.000 V bei 4,2-V-Li-Ionen-Zellen ohne den Einsatz mehrerer
Isolatoren zusammenarbeiten können.
AUTOMOBIL-ELEKTRONIK: Und beim Infotainment?
Media-Formate und Kommunikationsstandards unterliegen einem ständigen Wandel. Als Ingenieure der Audi AG Audio-Subsysteme für den Innenraum des A5 entwickelten, benötigten sie
eine außerordentlich hohe Leistungsfähigkeit und Konnektivität, um Funktionen wie Audio-Decoding, DAB-Verarbeitung
und MMI-Steuerung in Infotainment-Systemen für den A5
durchführen zu können. Zusätzlich verlangte Audi Eigenschaften wie Skalierbarkeit, Erweiterbarkeit im Feld und SoftwareFlexibilität für eine Vielzahl von Signalverarbeitungs-, Steuerungs- und Multimedia-Anforderungen.
Audi zog zunächst andere Prozessor-Architekturen in Erwägung. Das Unternehmen stellte dann jedoch fest, dass sich der
Blackfin-Prozessor ideal eignet, da er die Infrastruktur bietet, die
für eine schnelle Entwicklung mit geringen Risiken erforderlich
ist, wobei auch das Ansehen sowie das IP-Portfolio von Analog
Devices zu Audis Entscheidung beitrug.
AUTOMOBIL-ELEKTRONIK: Als drittes Beispiel erwähnten Sie die
Sicherheitssysteme...
Für diesen Bereich hat ADI einen speziellen SatellitenMEMS-Beschleunigungssensor entwickelt, der einen schnelAUTOMOBIL-ELEKTRONIK electronica – Sonderausgabe 2008
17
TITEL
Richtung Kostenreduzierung ab. Diese geht jedoch zu Lasten
der Funktionalität und bietet eine Möglichkeit, den Einsatz von
ADAS-Systemen im Massenmarkt voranzutreiben.
AUTOMOBIL-ELEKTRONIK: Was tut sich in puncto Integration?
Die Tatsache, dass Fahrzeuge mit ständig mehr Funktionen und
Fähigkeiten ausgestattet werden, bietet eine enorme Möglichkeit, die Funktionen verschiedener Systeme und Subsysteme
zu vereinen. Dieser Trend wird auch als „Fusion“ bezeichnet.
So gibt es zum Beispiel bei Fahrerassistenzsystemen RadarTechnologie für adaptive Geschwindigkeitsregelung und kameragestützte Systeme für Einparkhilfen. Die Kombination dieser
Funktionen in ein gemeinsames System erhöht die Leistungsfähigkeit der Einzelfunktionen und schafft die Voraussetzungen
für zusätzliche Fähigkeiten wie Fußgängererkennung, Überwachung von Überholvorgängen, Überwachung des toten Winkels
und so weiter. Die weitere Integration mit Systemen wie GPS
wird Fahrerwarnungen und damit eine Anpassung des Fahrstils
ermöglichen, noch bevor sich die Straßenverhältnisse
verschlechtern.
Noch ein Beispiel: BMW benötigte eine integrierte Lösung
zur Überwachung und Diagnose von Bleibatterien. ADI lieferte
ein Mixed-Signal-IC, das genaue Analogfunktionen und digitale Schaltungen vereint. Das neue integrierte Batteriemonitor-IC
ersetzte teurere und weniger genaue Lösungen, die bisher aus
mehreren diskreten Bauteilen bestanden.
Für integrierte Automotive-Multimediasysteme laufen auf
dem Blackfin-Prozessor von ADI MOST-Netzwerk-Stacks und
-Protokolle, wobei der serielle Bus des Blackfin Anschlussmöglichkeiten an das System bietet. Dies ermöglichte Audi den Einsatz eines einzigen Prozessors für den CD-Player und die Realisierung von MP3-Decodierung, Wiedergabe und Audio-Verarbeitung.
AUTOMOBIL-ELEKTRONIK: Wohin geht der Trend bei der Sensorintegration beziehungsweise der Sensordatenfusion?
In der Zukunft wird das Konzept eines Clusters aus mehreren
Inertialsensoren das Ziel vieler Automotive-OEMs werden. Diese Sensoren senden ihre Informationen jeweils an das System,
das die Informationen gerade benötigt. In einigen Fällen befinden sich bis zu 15 Achsen an
„In der Zukunft wird das Konzept eines Clusters aus
Inertialsensoren, also Beschleunigungs- und
mehreren Inertialsensoren das Ziel vieler AutomotiveDrehratensensoren, im Einsatz. Diese Verbreitung an Inertialsensoren auf MEMS-Basis in
OEMs werden. Diese Sensoren senden ihre InformaFahrzeugen veranlasst Systementwickler, die
tionen jeweils an das System, das die Informationen
derzeitige Stand-Alone-Sensor-Architektur zu
Gunsten eines Clusters mit Inertialsensoren zu
gerade benötigt.“ Robbie McAdam
überdenken. Da es nur sechs mögliche mechanische Freiheitsgrade gibt, ist es offensichtlich, dass viele dieser
ren aktive Sicherheitssysteme wie adaptive GeschwindigkeitsSensoren redundant sind. Diese Situation bestand deshalb, weil
regelung, Warnsysteme beim Verlassen der Fahrspur sowie
bisher jedes System von einem anderen Lieferanten gekauft
Technologien zur Abmilderung der Unfallfolgen wie adaptive
wurde.
Airbags und Sicherheitsgurte. MEMS-Bewegungssensoren werSpäter werden Automobil-Hersteller ein Cluster mit MEMSden auch in Zukunft Fahrzeuge sicherer machen.
Inertialsensoren für eine Reihe anderer Anwendungen im FahrAUTOMOBIL-ELEKTRONIK: Welche Trends sehen Sie in der Autozeug nutzen. Dies wird unser Konzept des Fahrens weiter neu
motive-Industrie – speziell bei Fahrerassistenzsystemen?
definieren. Ganz gleich, wie MEMS-basierte Inertialsensoren in
Das Thema Fahrerassistenzsysteme oder ADAS (Advanced
Fahrzeugen verwendet werden: die Ergebnisse werden stets
Driver Assistance System) umfasst ein großes Spektrum an Siähnlich sein und somit für wesentlich weniger Verkehrstote socherheits- und Komfort-Systemen. Dazu gehören Systeme wie
wie für größeres Fahrvergnügen für alle sorgen.
adaptive Geschwindigkeitsregelung, Kollisionswarnung und/
oder –Verhinderung, intelligente Geschwindigkeitsanpassung,
Das Interview führte Alfred Vollmer, Redakteur der AUTOMOBILdie LDW (Lane Departure Warning) genannte SpurverlassensELEKTRONIK.
warnung und/oder Spurhalteunterstützung, Nachtsicht sowie
die Überwachung des toten Winkels.
Obwohl diese Anwendungen hauptsächlich auf das LuxusinfoDIRECT
Segment abzielten, wo eine große Dynamik hin zu noch mehr
Link zu Analog Devices:
300AELes08
Funktionen vorhanden ist, zeichnet sich eine Entwicklung in
leren und genaueren Einsatz von Airbags ermöglicht. SatellitenSensoren werden in den vorderen und hinteren Stoßstangen
sowie in den Seitenteilen des Fahrzeugs platziert und sind somit
Bestandteile von Airbag-Anwendungen. Wie bei vielen Automotive-Anwendungen waren auch hier die Anforderungen
sehr anwendungsspezifisch.
In diesem Fall benötigten unsere Kunden einen einachsigen
integrierten Satelliten-Sensor, der konfigurierbar ist und sich aus
Kompatibilitätsgründen für verschiedene Automotive-Schnittstellenstandards programmieren lässt. Unser MEMS-SatellitenSensor bietet die höchste Leistungsfähigkeit hinsichtlich Geschwindigkeit und Übersteuerungs-Verhalten. Es ist der einzige
MEMS-Sensor, der diese hohe Leistungsfähigkeit bieten kann.
Wenn man den Airbag als Durchbruch bei passiven Sicherheitssystemen bezeichnet, dann spielt die elektronische Stabilitätskontrolle im Bereich der aktiven Sicherheit eine tiefgreifende Rolle. Enorme Innovation kombiniert mit Signalverarbeitung und Sensoren hilft, dass Unfälle mit Fahrzeugen verhindert werden. iMEMS-Beschleunigungs- und Drehratensensoren von Analog Devices ermöglichen von allen verfügbaren
MEMS-Bewegungssensoren die genaueste und zuverlässigste
Messung von Abstand, Bewegung und Beschleunigung.
AUTOMOBIL-ELEKTRONIK: Welche Bedeutung misst Analog Devices
den MEMS-Sensoren im Auto bei?
Von allen Beispielen für State-of-the-Art-Elektronikbauteile,
die ich genannt habe und die in der Automobilindustrie zum
Einsatz kommen, gehören MEMS-Beschleunigungs- und Drehratensensoren zu den bahnbrechendsten Produkten. Robuste
MEMS-Beschleunigungssensoren sind für Airbag-Systeme unabdingbar. Bei ihrer Markteinführung vor über einem Jahrzehnt konnten die Kosten für Crash-Sensorik halbiert werden.
Heute ermöglichen noch fortschrittlichere MEMS-Drehratensensoren die genaue und zuverlässige Erfassung von Abstand,
Bewegung und Beschleunigung. Sie eignen sich somit für Systeme zur elektronischen Stabilitätskontrolle sowie zur Realisierung von Tunnel-Funktionen für Navigationssysteme. Zu den
richtungsweisenden Anwendungen für MEMS-Sensoren gehö-
18
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2008
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vom 1
Bild: © Andreas Braun – Fotolia.com
TITEL
Sensordaten richtig nutzen
In jüngster Zeit spielen ANALOGE UND DIGITALE SIGNALVERARBEITUNG eine zunehmende
Rolle bei allen Automotive-Systemen: von der Kraftstoffeinspritzung über die Stabilitätskontrolle bis hin zu Audio-Systemen für beeindruckende Klangerlebnisse.
D
er Elektronikanteil eines durchschnittlichen modernen Fahrzeugs macht derzeit fast ein Viertel der Gesamtkosten aus. Vor einem
Jahrzehnt lag dieser Anteil noch bei lediglich 10 Prozent. Analysten prognostizieren, dass der Elektronikanteil eines
Fahrzeugs bis 2010 auf 40 Prozent der
Gesamtkosten steigen wird.
Dieses phänomenale Wachstum resultiert teilweise aus behördlichen Vorschriften für Fahrzeuge zur Verringerung
des Schadstoffausstoßes und zur Verbesserung der Sicherheit. In einem größeren
Umfang jedoch reflektiert dieses Wachstum die veränderten Erwartungen und
Ansprüche der Käufer an ein Fahrzeug.
So soll sich ein Kfz optimal an die jeweiligen Fahrverhältnisse anpassen, Informationen über die Wegstrecke liefern,
mit dem Büro und der Familie in Verbin-
20
sind zur Verbesserung der Genauigkeit
von Überwachungs- und Steuerungssystemen für Fahrzeuge unentbehrlich.
So kombiniert zum Beispiel das Monitorbauteil ADuC703x für Bleibatterien
von Analog Devices leistungsfähige
16-bit-Wandler mit einem Mikroprozessor und einer speziellen analogen
Vom Ultraschall in der Medizin lernen und
Eingangsstufe für
dieses Know-how bei Fahrerassistenzsystehohe
Spannungen. Dieser Baumen der nächsten Generation anwenden
stein ermöglicht
damit einen behat, lassen sich auf fortschrittliche Fahredarfsgerechten Batterieladevorgang sorassistenzsysteme der nächsten Generatiwie ein optimiertes Energie-Manageon anwenden.
ment.
Hierdurch ergeben sich eine längere
Batterielaufzeit und neue LeistungsBatterieüberwachung
merkmale wie Motor-Start/Stop und
Analog-Digital-Wandler mit hoher AufRückgewinnung von Bremsenergie.
lösung und großem Dynamikbereich
dung bleiben und qualitativ hochwertige
Audio- und Video-Unterhaltung liefern –
und das alles so sauber und effizient wie
noch nie.
Die Signalverarbeitungsprobleme, die
Analog Devices (ADI) zum Beispiel bei
medizinischen Ultraschallgeräten gelöst
TITEL
Hybride
Hybrid-Fahrzeuge sind ein weiteres
spannendes Wachstumssegment, in dem
ICs von bei Verstärkern über Wandler bis
hin zu Digital-Isolatoren der iCouplerFamilie benötigt werden. So gibt es jetzt
den ersten Digital-Isolator aus der iCoupler-Familie, der nach AEC-Q100 qualifiziert ist und sich für den AutomotiveTemperaturbereich (-40 bis +125 °C) eignet. Typische Anwendungen des neuen
Bauteils sind Motorsteuerungen und
Batterie-Management-Systeme in Hybrid/Elektro-Fahrzeugen.
In Anwendungen, bei denen ein effizienter Kraftstoffverbrauch sowie eine
hohe Effizienz der elektrischen Leistung
im Vordergrund stehen, beseitigen die
Digital-Isolatoren nicht nur die Einschränkungen von Automotive-Optokopplern, sondern verbrauchen dabei
auch 90% weniger Strom. “ Laut J. D.
Power and Associates werden bis 2010
insgesamt 65 verschiedene Hybrid-Modelle auf dem Markt sein. Alleine in den
USA sind dies fast fünf Prozent des gesamten PKW-Marktes.
Darüber hinaus übernehmen Resolver/Digital-Wandler von ADI in DualMode-Hybrid-Fahrzeugen die sanfte
Steuerung beim Umschalten zwischen
Elektro- und Verbrennungsmotor bzw.
einer Kombination beider Antriebe. Diese Fahrzeuge werden vielen Berufspendlern einen Kraftstoffverbrauch von unter
2,35 l/100 km ermöglichen.
Brennstoffzellen-Antrieben eine immer
größere Bedeutung. Das Fahrzeug der
Zukunft wird ein „Nervensystem“ mit
Halbleitersensoren, Logik und Signalaufbereitung enthalten, welches seine Umgebung bewusster als bisher wahrnimmt
und schneller denkt
als sein Fahrer.
Digitale Signalverarbeitung: Vom HomeDie Fahrer werden
Entertainment-System zum Infotainment
die Führung übernehmen,
jedoch
im Auto
nicht die Steuerung.
Hierfür stehen die Signalverarbeitungsübernehmen im Unterhaltungssystem
technologien zur Verfügung, um die Evoludes neuen A5 sämtliche Audio-Decodiertion bei Mess-, Steuer- und digitalen Verund Verarbeitungsfunktionen, die Verarbeitungsfunktionen zu ermöglichen, auf
arbeitung von Kommunikationsprodie sich die Fahrer verlassen.
tokollen sowie die Steuerung für die grafische Benutzeroberfläche.
Sechsfach-CD-Wechsler sowie ein MultiMedia-Device-Interface für den Anschluss an individuelle Media-Player.
Die gleichen Prozessoren von ADI, die die
digitale Signalverarbeitung in Home-Entertainment-Systemen
ermöglichen,
Die Zukunft
Während die Nachfrage nach wirtschaftlichen Fahrzeugen mit hoher Leistung,
Sicherheit und Zuverlässigkeit ständig
leichtere und intelligentere Lösungen
verlangt, gewinnen Signalverarbeitungstechnologien von ADI in Automobilen
mit herkömmlichen, Hybrid- oder
Robbie McAdam ist Vice President
der Analog Semiconductor Components Division und Automotive Segment Executive bei Analog Devices
infoDIRECT
301AELeS08
Link zu Analog Devices:
MEMS
Auf MEMS (Micro Electro Mechanical
Systems) basierende Beschleunigungsund Drehratensensoren werden mit den
gleichen fotolithografischen Techniken
hergestellt wie ICs; sie setzen die Revolution bei Sicherheitssystemen für Fahrzeuge fort. Patentierte iMEMS-Sensoren
enthalten winzige mechanische Strukturen sowie bewährte Verstärker, Filter und
Selbsttest-Schaltkreise und halbierten bei
ihrer Markteinführung vor fast 20 Jahren
die Kosten von Crash-Sensoren. Heute
sind diese Sensoren anwendungskritische Bauteile in Airbag-, Rollover-, ESPund Navigationssystemen.
50
Standard
Standard SuperTerm
SuperTerm
40
30
20
Infotainment im A5
Vor kurzem hat sich die Audi AG für
Blackfin- und SHARC-Prozessoren von
Analog Devices entschieden und setzt
diese im hochwertigen Unterhaltungssystem für den Innenraum des A5 Coupé
ein. Das Unterhaltungssystem enthält
unter anderem die Digitalradios Audi
Symphony und Concert, eine DAB-Option (Digital Audio Broadcast), einen
10
100
1000
10000
21
BAUELEMENTE
Die hardware-nahe Seite
von Autosar
Autosar ist bei weitem nicht nur für die Software-Firmen ein Thema, sondern auch für
die Hardware-Lieferanten. So muss ein Hersteller von Mikrocontrollern beispielsweise
für die ENTKOPPLUNG DES MIKROCONTROLLERS VON DER SOFTWARE sorgen. Das
ist die Aufgabe des MCAL.
A
utosar (AUTomotive Open System
ARchitecture) ist eine internationale Gemeinschaft von Automobilherstellern, Zulieferern, Halbleiterfirmen sowie Software-Lieferanten. Sie
alle haben das zentrale Ziel, eine modulare Software-Architektur zu definieren,
welche die Software-Applikationen von
der zugrunde liegenden Hardware entkoppelt. Dabei steht die Wiederverwendbarkeit durch die Kapselung der einzelnen Funktionalitäten im Fokus.
BMW, Bosch, Continental, DaimlerChrysler und VW regten 2002 erste Gespräche über gemeinsame Ziele an. 2003 etablierten sie eine formale Partnerschaft und
erweiterten den Kreis der Mitglieder um
weitere namhafte Firmen.
Auch wenn der Beginn der AutosarPartnerschaft durch deutsche Firmen geprägt wurde, liest sich mittlerweile die
Mitgliederliste wie ein Who-is-Who der
globalen Automotive-Branche. Neben
den Automobilherstellern und den klassischen Zulieferern finden sich auch
Halbleiterhersteller,
Software-Häuser
und Dienstleister auf der Liste. Inzwischen umfasst das Autosar-Konsortium
22
137 Partnerfirmen (Stand Frühjahr 2008),
die sich auf vier Bereiche aufteilen: Core
Partners, Premium Members, Associate
Members und Development Members.
Neben den neun Core-Partners gibt es
54 Premium-Mitglieder, die sich gemeinsam in Arbeitsgruppen um die Weiterentwicklung des Standards bemühen und
die Spezifikationen erstellen. Den CorePartnern obliegt außerdem die Verantwortung bei Organisations- und Verwaltungsfragen.
Des Weiteren gibt es derzeit 68 Associate und sechs Development Members,
die sich durch ihre Mitgliedschaft ein
Recht auf den Einsatz von Autosar erworben haben und Zugang zu allen freigegebenen Dokumenten erhalten.
Die wachsende Zahl der Mitglieder
spiegelt die breite Akzeptanz des Standards in der Automotive-Welt wieder
und zeigt zugleich eine der Stärken von
Autosar.
Die Automobil-Branche hat erkannt,
dass ein Umdenken erforderlich ist, um
die dramatisch gestiegene Komplexität
moderner Fahrzeug-Architekturen zu
beherrschen. Diesen Herausforderungen
kann mit der Entwicklung und Standardisierung einer offenen Systemarchitektur in der Automobilindustrie begegnet
werden. Um eine möglichst hohe Akzeptanz zu erreichen, kann die Festlegung
eines weltweiten Standards nicht durch
einzelne Unternehmen erfolgen. Ein Modell ist notwendig, bei dem so viele
Marktteilnehmer wie möglich in die Arbeit einbezogen werden, um so gemeinsam das Ziel eines starken Standards zu
erreichen. Damit alle am Entwicklungsprozess beteiligten Firmen profitieren,
muss jeder Zulieferer seine spezifischen
Vorteile nutzen und einbringen.
Neue Herausforderungen
Dies beginnt beim Halbleiterhersteller,
der durch die Bereitstellung der Treiberschicht passend zu seinem Mikrocontroller eine Basis für die software-unabhängigen Schichten bietet und so eine Entkopplung von der Hardware durch standardisierte Funktionen ermöglicht (Microcontroller Abstraction Layer –
MCAL). Als ursprünglich reine Hardware-Produzenten stellen sich Firmen
wie NEC Electronics damit neuen He-
BAUELEMENTE
Sein Projekt läuft.
Darüber freuen
sich viele
Bild 1: Wiederverwendbarkeitsmodell
Bild 2: Der MCAL von NEC im Autosar-System
Stages – die webbasierte
rausforderungen.
Bei der Entwicklung
des Toolings sind die
Software-Häuser gefragt,
denen dadurch eine besondere Rolle zukommt, denn die
Konfiguration betrifft jede Schicht
des Autosar-Modells.
Die Applikationen selber werden von
den Tier1 entwickelt. Dies geschieht somit im Einklang mit dem fundamentalen
Designkonzept von Autosar: Trennung
zwischen Applikation und Infrastruktur.
Auf diese Weise wird von allen Gliedern der Zuliefererkette Know-how im
jeweiligen Kompetenzbereich eingebracht – ein großer Vorteil für alle Markteilnehmer, den OEM und schließlich
auch für den Endkunden.
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Vor- und Nachteile von Autosar
91058 Erlangen
Autosar bietet Vorteile durch Standardisierung und Modularität, wodurch ein hoher
Wiederverwendungswert
ermöglicht
wird. Eine autosar-konforme Komponente lässt sich ohne zeitaufwendige und kostenintensive Anpassungen auf eine andere
Zielumgebung portieren, was wiederum
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BAUELEMENTE
Neue Herausforderung angenommen
Bild 3: Der Entwicklungsplan
von Autosar bei
NEC
den Entwicklungs- und Testaufwand reduziert. Qualitativ hochwertige Software
ist so wirtschaftlich leichter umzusetzen.
Das durchdachte und ständig verbesserte Modulkonzept von Autosar wird von
Software-Herstellern häufig als Vorteil angegeben. Die einzelnen Komponenten einer Autosar-Umgebung kommunizieren
über den Virtual Function Bus (VFB) miteinander. Diese Kommunikationsschnittstelle ist spezifiziert und kann somit problemfrei genutzt werden. Module fremder
Hersteller können auf diesem Weg gemeinsam zum Einsatz kommen.
Doch ein neuer Standard beinhaltet
auch Nachteile. Die Einführung einer zusätzlichen Abstraktionsebene führt bei unverändertem Funktionsumfang unumgänglich zu einem höheren Bedarf an Rechenleistung und Speicherbedarf. Diese
Erkenntnis ist nicht neu, und es liegt auf
der Hand, dass speziell angepasster Source
Code der standardisierten Software in diesen beiden Punkten immer überlegen ist.
Ob sich dieser Nachteil durch die erhoffte Kosteneinsparung wieder ausgleichen lässt, wird sich in den nächsten Wochen und Monaten zeigen, wenn die ersten Autosar-konform entwickelten Systeme in Serie gehen. Doch die derzeitige Entwicklung auf dem Automotive-Markt
spricht eine eindeutige Sprache für den gemeinsamen Standard. So haben sämtliche
Core-Partner bis spätestens 2010 die Einführung von Autosar-konformen Produkten geplant.
Release 3.0
Autosar ist derzeit ein lebendiger Standard. Die finale Version ist noch nicht erreicht, und Verbesserungen werden weiterhin in den Arbeitsgruppen entwickelt.
Seit Ende 2007 ist der Autosar-Standard in der Version „Release 3.0“ verfügbar, der in drei Teilbereiche unterteilt werden kann:
Basis-Software (BSW) und RTE (Runtime Environment).
24
Methodologie und Templates.
Funktionsschnittstellen auf Anwendungsebene.
Dabei gab es im Vergleich zu der vorhergehenden Version Release 2.1 in den drei
Bereichen folgende Veränderungen und
Verbesserungen:
Bei Basissoftware und RTE bietet Release 3.0 jetzt ein Wakeup der ECU bzw.
ein Startup des Netzwerks, während
gleichzeitig State Manager für die BasisSoftware-Module (Basic Software Module) CAN, Flexray und LIN eingeführt wurden. Parallel dazu wird das generische
Netzwerk-Management
(Generic-NM)
durch ein NM-Gateway ergänzt. Schließlich wurden die BSW-Modelle, die SWSModelle (SWS: Software-Spezifikation)
und die UML-Modelle (UML – UnifiedModeling-Language) verbessert.
Im Teilbereich Methodologie liefert das
Release 3.0 die Spezifikation der Templates
für die Beschreibung von BSW-Modulen,
die Verbesserung des Meta-Modells und
der entsprechenden Templates. Auch die
Abstimmung des System-Templates auf
die Konfigurationsparameter der elektrischen Steuergeräte wurde verbessert.
Desweiteren gab es bei den Funktionsschnittstellen auf Anwendungsebene mit
Release 3.0 Änderungen, zu denen auch
die Harmonisierung eines gemeinsamen
bereichsübergreifenden Master-Tables für
sämtliche Anwendungsbereiche einschließlich der Daten-Strukturen gehört.
Neu sind die klärende Dokumente für die
Automotive-Bereiche Body und Comfort,
Powertrain und Chassis. Auch die XMLSpezifikation
(eXtensible
Mark-upLanguage) ist als standardisierte Funktionsschnittstelle ein Thema des Release
3.0.
Release 4.0 wird Sicherheitsfunktionen
in die Autosar-Architektur einbauen und
Hilfestellung geben, um die Entwicklung
sicherheitsrelevanter Funktionen zu erleichtern. Die Veröffentlichung dieser Version ist für Ende 2008 geplant.
Der Halbleiterhersteller NEC Electronics ist
seit März 2004 Premium Member im Autosar-Konsortium, seitdem in diversen Arbeitsgruppen aktiv und somit an der Weiterentwicklung des Standards beteiligt. Als
Hardware-Hersteller obliegt NEC Electronics nach dem Autosar-Prinzip die Entkopplung des Mikrocontrollers von der
Software durch die Entwicklung eines Mikrocontroller Abstraction Layer (MCAL).
Die hierfür nötige Treiberschicht wird nach
Gesichtspunkten der höchsten Qualitätsstufen implementiert.
Die erste Version eines MCAL wurde im
Februar 2007 für die Fx3-Serie fertig gestellt. Im Sommer 2007 wurde dann das
Portfolio durch den PHO3 (PhoenixFS) erweitert. Sowohl die SPAL-Treiber, als auch
die CAN-, LIN- und später auch die Flexray-Module wurden konform zu Autosar
Release 2.0 entwickelt.
Durch eine enge Kooperation mit den
führenden Software-Häusern wurden
komplette SW-Stack-Lösungen erarbeitet,
die durch passendes Tooling komplettiert
werden. Enge Zusammenarbeit mit
Tier1-Kunden hat dazu beigetragen, dass
die Software kontinuierlich verbessert
werden konnte.
Seit Anfang dieses Jahres sind die
MCAL-Versionen für Fx3 und PHO3 als
Autosar Release 2.1 erhältlich. Beide Versionen sind bzw. werden in die Tool-Umgebungen und den SW-Stack von Vector
und Elektrobit integriert. Die Produktpalette wird ständig erweitert. Neben bereits
umgesetzten Autosar-Lösungen für Rx3
und Cargate M (CAG4-M) stehen auch
Implementierungen nach Autosar R3.0
an, die im Herbst 2008 veröffentlicht werden. Selbstverständlich wird auch die neue
Microcontroller-Familie (Xx4-Generation) mit einem MCAL unterstützt..
NEC Electronics zeigt mit diesen Aktivitäten ein klares Bekenntnis zum AutosarStandard und folgt damit einem deutlichen Trend in der Automobilbranche.
Autosar ist ein Automotive-Standard auf
dem Weg zur Serienreife und wird durch
seine breite Unterstützung eine hohe Akzeptanz finden.
Dipl.-Ing. Christian Renner arbeitet seit 2007 bei NEC Electronics in der Autosar-Gruppe.
infoDIRECT
Link zu NEC:
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BAUELEMENTE
FlexRay und 32 bit für den Body
Der Applikationsbereich der Karosserieelektronik zeichnet sich besonders durch seine Anwendungsbreite aus, denn es gilt, Applikationen von der Türsteuerung bis zur Klimaanlage und von
der Spiegelsteuerung bis zur Sitzsteuerung abzudecken. Mit der R32C-Serie gibt es jetzt eine
spezielle MIKROCONTROLLER-PLATTFORM FÜR KAROSSERIE-ANWENDUNGEN.
D
er Automobilmarkt für Karosserieelektronik (Body-Elektronik)
hat sich in den letzten Jahren von
Einzelprojekten hin zu Entwicklungen
auf Basis von Mikrocontroller-Plattformen verändert. Durch die hohen Fixkosten für die Entwicklung von Softwaretreibern, die Beherrschung der Entwicklungswerkzeuge und der Hardware ist es
nötig, diese so breit wie möglich auf mehrere Projekte zu verteilen. Gleichzeitig
beinhaltet der Begriff MCU-Plattform
nicht mehr nur Hardware, sondern auch
Software. Vereinfacht ausgedrückt muss
eine MCU-Plattform heute nicht nur eine
pinkompatible Speicher- und PeripherieSkalierung unterstützen, sondern auch
AUTOSAR-Treiber zur Verfügung stellen
und mehrere Betriebssysteme unterstützen. Zusätzlich muss die Plattform für diverse Automobilhersteller-Listen zertifiziert sein.
Unter diesen Voraussetzungen entwickelte Renesas die R32C-Serie für die
Karosserieelektronik als derzeit die leistungsstärkste Weiterentwicklung der
M16C-Familie. Die R32C-Serie erweitert
26
diese Familie durch ihre R32C/100-CPU
mit einer ausgewachsenen 32-bit CISCArchitektur.
Im Markt der 32-bit Mikrocontroller
konkurriert die CISC-Architektur mit der
RISC-Architektur, und es existieren eine
Menge Mythen zum Thema CISC/RISCArchitektur. Bei manchen Programmierern steht RISC für eine schnelle, kostengünstige und CISC für Programmspeicher sparende, dafür aber langsamere Architektur. Entspricht dies wirklich den
Tatsachen?
Um eine gewünschte Funktion zu realisieren, müssen immer die notwendigen
Befehle in einer bestimmten Zeit abgearbeitet werden. Ob dies nun wie bei
RISC in vielen kurzen CPU-Zyklen und
dementsprechend vielen Speicherzugriffen oder wie bei CISC mit wenigen Speicherzugriffen, dafür aber längeren CPUZyklen (Mikrocode der CPU) erledigt
wird, ist für die Performance erst einmal
unerheblich.
Ein Systemvorteil durch die CPU-Architektur ist jedoch bei der Berücksichtigung des Programmspeichers zu erken-
nen. Der Programmspeicherbedarf und
damit die Anzahl der Speicherzugriffe
sind bei einer CISC-Architektur geringer
als bei einer RISC-Architektur. Als Faustregel kommt eine CISC-MCU für die gleiche Funktionalität mit bis zu 30% weniger Programmspeicher aus als eine RISCMCU mit ähnlicher Performance. Die
R32C-Serie zielt auf das ApplikationsSegment mit bis zu 55 DMIPS (Dhrystone
2.1 MIPS).
Simulation
Viele Entwicklungen der Automobilelektronik beginnen heute mit grafischen Simulationsprogrammen. In dieser PC-basierten Umgebung kommen genaue
Gleitkommazahlen zum Einsatz. Dafür
sind in der R32C-Serie Gleitkomma-Beschleuniger (FPU) in Hardware implementiert. Bisher wurde aus Kostengründen für Karosserieelektronik-MCUs keine FPU integriert. So haben viele Entwickler die prinzipiell bessere Gleitkommarechnung ihrer Entwicklungsmodelle
auf PC-Basis wieder mühsam in eine
Ganzzahlrechnung portiert. Dies kostete
BAUELEMENTE
Zeit und stellte im Entwicklungsprozess
eine Fehlerquelle dar.
Die FPU ermöglicht eine viel genauere
und auch schnellere Berechnung als eine
Ganzzahlberechnung in Software, da eine FPU mehrere Rechenschritte parallel
verarbeitet, die eine CPU nur sequentiell
abarbeiten kann.
Zusätzlich zur Definition der Leistungsfähigkeit spielt der anvisierte
Stromverbrauch eine große Rolle bei der
Design-Entscheidung. Oft wird der
Stromverbrauch in der Einheit mA/MHz
angegeben. Dies ist sinnvoll, wenn der
Steuergeräte-Entwickler die optimale
CPU-Performance für die gewünschte
Funktionalität einstellen will. Dieser Parameter eignet sich jedoch nicht als Vergleichskriterium zwischen verschiedenen MCUs.
Hier ist eine Angabe des Stromverbrauchs bezüglich der Rechenperformance in mW/DMIPS schon sinnvoller.
Der Stromverbrauch der CPU R32C/100
liegt unter 2 mW/DMIPS – das ist mehr
als bei aktuellen 8-bit Familien aber auch
deutlich weniger als bei den meisten
32-bit Familien für den Versorgungsspannungs-Bereich bis zu 5,5 V.
Renesas gelang es, den Versorgungsspannungsbereich unter allen Betriebszuständen von maximal 5,5 V bis herunter auf 3,0 V zu spezifizieren. Besonders
die untere Grenze ist wichtig, da viele
Automobilhersteller eine Störung der
MCU-Versorgungsspannung, z. B. durch
den Anlasser-Einschaltstrom, bis 3,0 V
hinunter spezifizieren.
Auch die obere Grenze von 5,5 V fordert ihren Tribut. Ein eng spezifiziertes
3,3-V-Produkt könnte deutlich Strom
sparender entwickelt werden, aber die
Automobilwelt ist auch heute noch weitestgehend eine 5-V-Welt und eine zusätzliche
3,3-V-Spannungsversorgung
wird allein schon aus Kostengründen
vermieden.
Line-Up
Das Line-Up der R32C-Serie umfasst
über 140 verschiedene Produkte. Sie unterstützt die Automobil-Temperaturbereiche –40 °C bis 85 °C, 105 °C und 125
°C. Bis zu 4 CAN-, 8 LIN-Kanäle und 42
Eingänge zur A/D-Wandlung stehen zur
Verfügung.
Alle Produkte der R32C-Serie sind
nicht nur vollständig untereinander pinkompatibel sondern auch noch weitestgehend zu den Produkten der anderen
Serien aus der M16C-Familie. Die Spannungsversorgung, die Quarzbeschaltung
und viele A/D-Kanäle liegen bei gleichen
Gehäusen an identischen Positionen.
Speicherarchitektur der 32C-Serie
Peripherie: Flash
Die Qualität einer Flashtechnologie kann
man an der Spezifikation der EEPROMEmulation erkennen. Hierbei wird die
Funktion eines externen EEPROMs mit
Hilfe internen Programmspeichers emuliert. Externe EEPROMS sind aber in einer völlig anderen Speichertechnologie
gefertigt. Diese ist zwar nicht so schnell
wie MCU-Flashspeicher, erlaubt aber
Millionen von Schreib- und Lösch-Zyklen einer Speicherstelle. Interner MCUFlash erreicht dies niemals.
Die Anwender sehen sich dadurch gezwungen, trickreiche Algorithmen einzusetzen, um die geringere Anzahl an
Schreib- und Löschzyklen zu kompensieren. So kann man Speicherstellen, die
häufig aktualisiert werden müssen (z. B.
Kilometerstand), zunächst nur im flüchtigen RAM aktualisieren und nur jede
zehnte Aktualisierung im Flash speichern. Wenn es aber vor dem Schreiben
zu einem Stromausfall kommt, gehen bis
zu 10 Aktualisierungen verloren. Die
R32C-Serie bietet 4 oder 8 kByte EEPROM-Emulationsspeicher an, wobei eine Speicherstelle physikalisch bis zu
100.000 Schreib/Lese-Zyklen übersteht.
Die dabei spezifizierten Datenerhaltungszeiten sind in dieser MCU-Klasse einzigartig.
ist, findet man dies im Markt häufiger bei
großen High-End-MCUs jenseits von 1
MByte Programmspeicher und einer
CPU-Leistung von mehr als 100 DMIPS;
bei dementsprechend großen Siliziumflächen fällt es kostentechnisch nicht mehr
so ins Gewicht. In einem realen FlexRayNetzwerk eines Automobils sind aber
nicht nur solche High-End-MCUs vorgesehen. Speziell für diese Anwendungen rüstete Renesas die R32C-Serie in
den Gruppen R32C/13x mit einer dualen
FlexRay-Schnittstelle aus.
Support
Die R32C-Serie wird durch Softwarepakete wie AUTOSAR unterstützt. Um
den Einstieg für die Entwickler so einfach
wie möglich zu machen, stehen gleich
drei Renesas-Starterkits zur Verfügung.
In Zusammenarbeit mit etablierten Herstellern existieren für die R32C-Serie
weitere Tools, wie z. B. Compiler, Debugger und Entwicklungsumgebungen für
FlexRay.
Michael Grabowski ist Marketing Engineer
Body Safety bei Renesas Technology Europe
GmbH
infoDIRECT
Link zu Renesas:
311AELeS08
FlexRay
FlexRay ist auf dem
Weg, die Netzwerkanforderungen im
Auto jenseits von
CAN zu übernehmen. Es ermöglicht
durch seinen statischen Slot-Anteil
eine sicherere Datenübertragung als
CAN und arbeitet
mit der zehnfachen
Übertragungsgeschwindigkeit.
Da ein FlexRay
Peripherieelement
allerdings sehr groß
Unbenannt-2 1
27
09.10.2008 14:12:19 Uhr
BAUELEMENTE
Displays ohne Übergewicht
Mit dem MB88F332 hat Fujitsu den ersten Grafikchip mit integrierter APIX-Schnittstelle auf den Markt gebracht: als SINGLE-CHIP-LÖSUNG FÜR DISPLAYSYSTEME im
Fahrzeug. Von der kompakten QVGA-Einstiegsvariante mit selbstgenerierter Grafik
bis zum luxuriösen 3D-Display aus dem abgesetzten Steuergerät ist dabei alles mit
einem einzigen Chip möglich.
Z
u Beginn der Display-Ära in den
späten 90er Jahren des letzten
Jahrhunderts war eine hochauflösende Anzeige im Fahrzeug noch etwas
exotisch und entweder Teil einer sehr
teuren Sonderausstattung oder lediglich
der Oberklasse vorbehalten. Heute findet
man Displays im Auto in verschiedenen
Auflösungen und Ausstattungsvarianten. Die Fahrzeughersteller suchen daher heute nach möglichst schlanken Architekturen, denn das teuere Extra von
gestern soll idealerweise eine Standardausstattung von morgen sein...
Displaysysteme von morgen
Hierfür müssen vor allem Kosten auf Systemebene eingespart werden. Ein Blick
auf die klassischen Architekturen der
letzten Jahre zeigt, dass immer mehr Architekturen auf dem Vormarsch sind, die
eine abgesetzte Displayeinheit zur (meist
räumlich getrennt verbauten) grafik-ge-
nerierenden Steuereinheit vorweisen.
Diese Architektur bietet zahlreiche Vorteile, bei denen der vorhandene Bauraum für eine kombinierte Einheit (Display + Prozessor) meist knapp bemessen
ist. Dazu kommen die Kabelwege für die
vielschichtige Vernetzung dieser Systeme
und die Stromversorgung. Schließlich
spielt auch der Aufwand bzw. die Kosten
zur Integration in Fahrzeugnetzwerke
(z.B. CAN) eine Rolle.
Die Aufgabe besteht darin, eine solche
abgesetzte Anordnung mit minimalem
Aufwand bezüglich der Bauweise und
den Schnittstellen realisieren zu können.
Wichtig sind hierbei eine möglichst geringe Anzahl von Bauelementen, ein
kompakter Bauraum, ein geringer
Stromverbrauch, standardisierte Interfaces, das Vermeidennnötiger zu überwachender Prozessoren sowie die Verwendbarkeit für möglichst viele Displaytypen und Skalierungsvarianten.
Fujitsu Microelectronics bietet jetzt eine
Lösung an, die genau diese Kriterien erfüllt. Mit dem Grafikcontroller
MB88F332 ist es erstmals gelungen, eine Einchiplösung zu
realisieren, die alle erforderlichen Funktionen
für eine abgesetzte Displayeinheit im Fahrzeug umsetzt.
Schnittstellen
Um alle Funktionen in einem einzigen
Bauelement
zu realisieren,
wurde
zunächst darauf
geachtet, dass
möglichst keine externen
Komponenten
wie Speicher,
Watchdogs, Interface-Chips
etc.
notwendig
28
sind. Dann wurde darauf geachtet, alle
verfügbaren Schnittstellen direkt zu integrieren:
Der MB88F332 verwendet dazu auf
der Eingangs-Schnittstelle (Verbindung
vom grafik-generierenden Steuergerät)
das APIX-Interface der Firma Inova, welches sich mehr und mehr als Standard im
Automobilbereich durchsetzt. Dieses Interface zeichnet sich dadurch aus, dass es
einen 1Gbit/s-Pixellink (bitserielles Interfaces) mit Clockrecovery-Funktion als
Haup-Datentlink der Bilddaten bereitstellt. Zusätzlich bietet das APIX-Interface
noch Seitenbandkanäle zur bidirektionalen Übertragung von seriellen Steuersignalen an, die ein wesentliches Einsparpotential als CAN-Knoten-Entfall bieten.
Im MB88F332 ist die APIX-IP direkt integriert (übrigens der erste Grafikchip mit
APIX im Markt überhaupt), wobei kein
externer LVDS-Chip mehr nötig ist.
Die Ausgangsschnittstelle des MB88
F332 zum Display wurde daraufhin optimiert, dass sich möglich viele verschiedene TFT-Typen direkt und ohne externe
Gluelogic betreiben lassen. Mit einem integrierten programmierbaren TimingController können alle Signale zur Ansteuerung für Displays mit Auflösungen
von 320 x 160 bis etwa 1280 x 480 Pixel
generiert werden.
Farbwerte lassen sich mit der integrierten Gamma-Korrektur und der Dithering-Unit entsprechend den Parametern und der Farbauflösung der verwendeten Displays panelspezifisch für den
Weissabgleich optimieren. Ausser RSDSsind auch herkömmliche RGB-Ausgänge
sowie die zugehörigen Sync-Signale direkt am MB88F332 verfügbar.
Nebenjobs
Auch die Umgebungshelligskeitswerte
am Display müssen erfasst werden, um
die Hintergrundbeleuchtung dynamisch nachzuregeln. Dieser Aufgabe erfordert zunächst das Vorhandensein
entsprechender Sensor-Schnittstellen
wie A/D-Wandlern zur Erfassung der
BAUELEMENTE
Bild 1: Blockschaltbild des
MB88F332
Helligkeit über ein lichtempfindliches
Bauelement. Ausgangsseitig müssen
weitere Interfaces wie zum Beispiel
mehrere PWM-Kanäle zur Verfügung
stehen, da üblicherweise gleich mehrere Backlight-Stränge angesteuert werden müssen.
Typischerweise würde an dieser Stelle
nun ein Mikrocontroller auf dem Display-Board zum Einsatz kommen, der
diese Schnittstellen bietet und über einen
programmierbaren (Flash-)Speicher verfügt. Hier aber kommen oftmals bei den
Fahrzeugherstellern bedenken auf, denn
diese „Intelligenz“ muss nach den neusten Richtlinien überwacht werden können. Noch kritischer wird es, wenn der
Mikrocontroller eine eigene CANSchnittstelle mitbringt und soweit Teil
des Netzwerkverbunds wird.
Die reine Single-Chip-Lösung muss
somit im Idealfall ohne Prozessor auskommen und trotzdem die beschriebenen Zusatzaufgaben neben der Displayanzeige ermöglichen. Wie aber kann das
funktionieren ?
Eine elegante Methode, solche Aufgaben ohne Prozessor zu erledigen, bietet
der bereits erwähnte „Sideband-Channel“ der APIX-Schnittstelle. Dieser Seitenbandkanal ermöglicht eine unabhängige Übertragung von beliebigen seriellen
und bidirektionalen Daten mit bis zu 18
Mbit/s neben dem Hauptdatenstrom des
Displays. Da oftmals beide Datenströme
(Pixel- und Daten) wie in diesem Beispiel
benötigt werden, wurde der Seitenbandkanal zur Ansteuerung der OnchipFunktionen (also auch der Interfaces) im
MB88F332 mitgenutzt. Dadurch kann
der Chip auf dem Display-Board alle erforderlichen Signale messen und steuern,
die eigentliche Verarbeitung erfolgt aber
– ferngesteuert durch den APIX-Seitenbankanal – auf der Steuergerät: Prozes-
sor, CAN-Knoten oder Zusatzkomponenten sind nicht (mehr) nötig.
Video und Grafik
Oftmals ist für sehr einfache Zentraldisplays gar keine hochauflösende Grafikgenerierung nötig, wie man es beispielsweise für eine Navigations-Kartendarstellung brauchen würde. Die Anwendungen bestehen im unteren Segment
häufig aus Text, Bitmaps und einfachen Animationen. Trotzdem soll
die Grafik natürlich ansprechend
aussehen und sich nahtlos an die
höherwertigen Varianten anschließen.
Der MB88F332 bietet dazu eine
eigene Grafik-Generierung an, die
alternativ zum (über den APIXHauptlink empfangenen) Videolink
arbeitet. Sogar eine Kombination
aus empfangenen Videodaten und
generierter Grafik ist möglich. Dazu
bietet der Displaycontroller mehrere
Layer an, die exklusiv für die jeweiligen Grafiken reserviert sind und
natürlich verblendet werden können.
Im MB88F332 versorgt im Bedarfsfall eine integrierte Sprite-Engine das Display mit Grafiken. Sprites sind vordefinierte Bitmaps, Symbole oder Fonts, die im integrierten
Flash-ROM abgelegt sein können.
Bis zu 512 Sprites werden in Auflösungen von 4 x 4 bis 512 x 512 Pixeln mit verschiedenen indirekten
und direkten Farbformaten von
1/2/4/8/16/24 bpp unterstützt. Die
Sprites können einfach überlagert
oder auch mit 4– beziehungsweise
8-bit-Alphawerten für Ein-und
Ausblendeffekte verblendet werden. Die Sprite-Engine bedient aber
auch einfache Animationen wie Be-
wegung, Blinkeffekte oder Bildwechsel.
Kommandos, die als Sequenzen verpackt
in den integrierten Speicher vorgeladen
und von dort nach Bedarf automatisch
ausgeführt werden können, steuern derartige Abläufe.
Die Bildverarbeitung der Sprite-Engine arbeitet nach dem Linebuffer-Pinzip.
Dies bringt einen deutlichen Kostenvorteil, da kein teurer externer Grafik-Speicher (z. B. SDRAM) mehr nötig ist. Die
Grafiken werden hierbei aus dem internen RAM und Flash-Speicher geladen
oder über den Video-Link des integrierten APIX-Interfaces eingespeist. Die
Steuerung der Sprite-Engine erfolgt über
den APIX-Seitenbandkanal, ist aber auch
per SPI möglich.
Markus Mierse ist als Director
Graphics Solutions bei Fujitsu
Microelectronics Europe (FME)
im Graphics Competence Center
(GCC) des Unternehmens in
Neuried bei München tätig.
infoDIRECT
Link zu Fujitsu:
314AELeS08
29
BAUELEMENTE
Aktive Protektoren sind besser
V
erschiedene elektrische und elektromagnetische Störungen, die im
Fahrzeug entstehen oder von außerhalb kommen, können der AutoElektronik gefährlich werden, indem sie
die Betriebsqualität von Steuergeräten
beeinflussen, Fehlfunktionen verursachen oder gar elektronische Bauteile zerstören. Die heftigsten Störeinflüsse – große positive und negative Überspannungen bzw. Transienten – werden entweder
durch die Fahrzeugelektronik selbst erzeugt, oder durch Bedienungsfehler von
außen aufgebracht.
Überspannungen im Fahrzeug
Elektrische Störungen und Hochfrequenzeffekte können sogar bei normalem Fahrzeugbetrieb auftreten und sich
durch Leitung sowie kapazitive oder induktive Kopplung über den Kabelbaum
auf die einzelnen Steuergeräte fortpflanzen. Störquellen sind das Zündsystem,
die Lichtmaschine, das Schalten elektrischer Lasten, das Prellen von Schaltern,
und Loaddump-Effekte – z. B. durch
Überspannungspulse, die beim Abschalten der Versorgungsspannung von laufenden Gleichstrommotoren entstehen.
Fremdstart, Kaltstart und Verpolung
Eine weitere Zerstörungsgefahr für
Steuergeräte ist die „Doppelte Batterie-
30
spannung“, die auftritt, wenn beim
Fremdstarten eines Fahrzeuges mit normaler 12-V-Bordspannung mittels Starthilfekabel ein zweites Fahrzeug mit einem 24-V-Bordnetzsystem (z. B. ein Abschleppwagen oder Truck) angeschlossen wird.
Das Anlassen eines Fahrzeuges bei
kalten Wetter mit schwacher Batterie
und zähflüssigem Motorenöl, erfordert
vom Anlasser ein erhöhtes Drehmoment, was wiederum der Autobatterie
einen erhöhten Strom abverlangt. Diese
Stromlast kann einen kurzen Einbruch
der Batteriespannung von nominal 12 V
auf unter 5 V verursachen, für mehrere
Millisekunden dauern und die Bordelektronik vorübergehend zum Stocken
bringen.
Eine zusätzliche Gefährdung für die
Bordelektronik ist die Spannungs-Verpolung, die beispielsweise bei fehlerhafter
Montage der Batterie in der Autowerkstatt auftreten kann (z. B. –14 V).
Überspannungsschutz
Alle die zuvor genannten Anomalien machen einen Schutz der Steuergeräteelektronik unbedingt notwendig. Eine Analyse zeigt, dass der Loaddump-Puls der
energiereichste Transient unter den Störpulsen ist. Um ECUs vor Zerstörung
durch diesen Puls zu schützen, kommen
Bild: © cosi – Fotolia.com
Die meisten elektronischen Steuergeräte
im Fahrzeug müssen vor Überspannung,
Verpolung der Batterie sowie gegen positive und negative Transienten geschützt
werden. Der Einsatz aktiver Schutzelemente bietet hierbei wesentliche Vorteile in punkto Verlustleistung, Optimierung
der Betriebsspannungsgrenzen, Bauteilekosten und
Senkung des Ruhestroms.
AUTOMOBIL-ELEKTRONIK beschreibt die VORTEILE VON AKTIVEN
SCHUTZELEMENTEN im Vergleich zu
herkömmlichen Lösungen.
üblicherweise zwei unterschiedliche Methoden zum Einsatz:
Zentraler Loaddump-Schutz für alle
Module an der Lichtmaschine
Einzelner Loaddump-Schutz verteilt
auf alle ECUs.
Zum Schutz vor lokal erzeugten Pulsen
mit niedrigem Energieinhalt wie z. B.
kurzen positiven und negativen Transienten oder zum Schutz vor Verpolung
ist sekundärer Schutz notwendig. Dieser
wird üblicherweise mit Kondensatoren,
Verpolschutz-Dioden oder Reihenwiderständen realisiert, die um eine Suppressor-Diode oder einen Varistor auf der
Steuergeräte-Platine ergänzt werden.
Diskreter Überspannungsschutz
Beim diskreten Überspannungsschutz
übernehmen Suppressor-Dioden bzw.
Varistoren diese Aufgabe. So dienen Avalanche-Dioden (auch TVS-Dioden genannt; sie ähneln den Zenerdioden) als
Klemmbausteine, um Spannungen zu
unterdrücken, die höher als Ihre Durchbruchspannung sind.
Varistoren wiederum sind spannungsabhängige Widerstände (VDRs) und damit symmetrische nichtlineare Widerstandselemente, deren Widerstand oberhalb einer gewissen Spannung abrupt abnimmt. Da sie positive und negative
Spannungen in gleicher Weise klemmen,
BAUELEMENTE
ist ihr Verhalten mit antiparallel geschalteten Zenerdioden vergleichbar. Bei kleiner Bauform und geringen Kosten können sie hohe Ströme und viel Energie
aufnehmen, aber sie neigen zu hohen
Leckströmen, und ihre Standzeit bzw.
Genauigkeit nimmt mit der Anzahl der
angelegten Überspannungsimpulse bedeutend ab.
Bei dem Schaltungsbeispiel in Bild 1
fällt über der Diode D2 eine Spannung
>0,7 V ab. Dies kann sich in zweifacher
Weise nachteilig für das Steuergeräte-Design auswirken: Zum einen sorgt der
Spannungsabfall für zusätzliche Verlustleistung und zum anderen wird der Betrieb der ECU bei niedrigen Spannungen
komplizierter.
Bei Hochstrom-Anwendungen wie
z. B. einem Antiblockiersystem kann der
Betriebsstrom leicht 10 A überschreiten.
Ein Abfall der Vorwärtsspannung von
z. B. 1 V über der Diode D2 verursacht eine Verlustleistung von 10 W. Bei den üblicherweise benutzten Platinen ist es fast
unmöglich, diese Verlustleistung abzuführen. Der Einsatz von Einzel- oder
Doppel-Schottky-Dioden kann die Lösung dieses Problems vereinfachen.
Nimmt man hier bei gleichem Strom einen Abfall der Vorwärtsspannung von
0,5 V an, dann beträgt die Verlustleistung
der Diode 5 W. Dieser Wert ist immer
noch hoch und zwingt den Entwickler,
einen großen Kühlkörper zu nutzen.
Dies ist nur eines von vielen Beispielen aus dem Automotive-Bereich, die in
der Langversion dieses Beitrags ausführlich erörtert werden und die Grenzen der
diskreten Schutzbeschaltung aufzeigen.
Aktive Protektoren
Unter Berücksichtigung der oben genannten Eigenschaften von diskreten
Überspannungs-Schutzschaltungen kann
der Einsatz von aktiven Protektoren in
vielerlei Hinsicht Vorteile bieten. In Applikationen, die geringen Ruhestrom, Betrieb bei niedriger Betriebsspannung
(Kaltstart), Verpol-, Überspannungsschutz und hohen Wirkungsgrad erfordern, ist ein aktiver Protektor wie der
Max16013–16014 eine gute Alternative
zu herkömmlichen Lösungen.
Das Funktionsprinzip ist einfach: Die
Bausteine messen kontinuierlich die
Spannung auf der Versorgungsleitung
und isolieren die nachgelagerte Schaltung von Überspannungen, indem sie
zwei externe p-FET-Schalter steuern. Im
Normalbetrieb sind diese zwischen 5,5 V
und der mit Hilfe eines WiderstandsSpannungsteilers eingestellten Überspannungs-Abschaltschwelle voll lei-
U RB
D2
U Tr
C low E
D1
U Clamp
Load
UL
Einfacher Überspannungsschutz, der mit
einem Filterkondensator, einer TransientenSuppressor-Diode D1 und einer in Serie geschalteten Diode D2 realisiert wurde. Die Diode D2 schützt die nachgelagerte Schaltung
vor Verpolung der Batterie sowie vor
negativen Transienten.
schaltet bei negativen Spannungen ab.
Mit dem EN-Eingang kann der externe
FET P2 ausgeschaltet und somit die nachgelagerte Schaltung komplett von der
Versorgungsleitung getrennt werden.
Auf diese Weise kann der Ruhestrom eines Steuergerätes auf ein Minimum (<20
μA typ.) reduziert werden, während die
Schaltung weiterhin gegen Verpolung
geschützt bleibt.
Vorteile im Vergleich zu
konventionellen Schaltungen
tend. Häufig wird diese auf einen Wert
zwischen 20 V und 28 V eingestellt.
Der Baustein kann auf zwei Betriebsmodi eingestellt werden. Im Switch-OffModus arbeitet P2 als einfacher Schalter,
der bei Überschreiten der eingestellten
Abschaltschwelle öffnet und somit die
nachgelagerte Schaltung von der Überspannung trennt. Wird die Abschaltschwelle unterschritten, so wird der Kontakt wieder geschlossen.
Limiter-Modus
Im Limiter-Modus agiert P2 als ein einstellbarer Spannungsbegrenzer, der bei
Überhöhung der Eingangsspannung die
Ausgangsspannung auf die eingestellte
Spannung herunterregelt. Steigt die Ausgangsspannung über diese Schwelle,
dann schaltet P2 ab. Sinkt die Ausgangsspannung daraufhin wieder unter die
eingestellte Überspannungsschwelle, so
wird der p-Kanal-MOSFET P2 wieder
eingeschaltet. Dieser Vorgang wiederholt
sich, so lange sich die Ausgangsspannung
beim Einschalten von P2 über die eingestellte Abschaltschwelle bewegt.
Das IC arbeitet im sogenannten geschalteten Linearmodus und hält die
Ausgangsspannung innerhalb eines
5%-Toleranzfensters konstant. Dies erlaubt der nachgelagerten Schaltung,
wahrend des Überspannungs-Ereignisses
kontinuierlich zu arbeiten.
Latch-Off-Modus
Der Max16014 hingegen arbeitet im
Latch-Off-Modus, in dem der Baustein
bei auftretender Überspannung auf der
Eingangs- oder der Ausgangsseite den
MOSFET P2 abschaltet und so lange ausgeschaltet bleibt, bis die Eingangsspannung oder der Enable-Pin (EN) getoggelt
(hin- und hergeschaltet) werden.
Der Verpolschutz-FET (P1, optional)
ersetzt eine serielle Diode. Er schaltet im
Vorwärtsbetrieb ein, um den Abfall der
Vorwärtsspannung zu minimieren, und
Aktive Überspannungsprotektoren bieten mehrere Vorteile: Beim Einsatz eines
passiven Transienten-Suppressors (TVSDiode oder Varistor) muss dieser eine
Durchbruchspannung aufweisen, die höher als die Fremdstartspannung ist (oft
>26 V). Während eines Loaddumps kann
die nachgelagerte Schaltung auf Grund
der U/I-Charakteristik des TVS-Elements
trotzdem einer viel höhere Spannung
ausgesetzt sein (z. B. 45 V). Dies erfordert
eine entsprechende Bauteileauswahl.
Ein aktiver Transienten-Protektor
hingegen begrenzt die Ausgangsspannung auf das eingestellte Spannungsniveau (z. B. 26 V) und hat keine ansteigende U/I-Charakteristik. Somit können
für die nachgelagerte Schaltung kostengünstigere Bausteine mit geringerer
Spannungsfestigkeit verwendet werden.
Im Gegensatz zu gewöhnlichen Überspannungs-Suppressoren, die vor dem
Überhitzen für kurze Zeit nur wenige
Joule aushalten können, schützen die
aktiven
Protektoren
des
Typs
Max16013/14 vor konstanten Überspannungen.
Zusammenfassung
Der Einsatz von aktiven Protektoren ist in
vielerlei Hinsicht ein Gewinn, da diese
Bausteine bedeutende Vorteile in puncto
Verlustleistung, Ausgangsleistung (Performance), Ruhestrom, Betrieb bei niedrigen Spannungen (Kaltstart) und letztendlich Kostenersparnis bei den nachfolgenden Schaltung bieten.
Eine detaillierte Erörterung dieses
Problemkreises finden Sie in der dreizehnseitigen Langversion dieses Beitrags,
die Sie bequem per infoDIRECT herunterladen können.
Robert Regensburger arbeitet als “Automotive
Specialist, Automotive Product Definitions“
bei Maxim Integrated Products in Deutschland
infoDIRECT
Link zur Langversion dieses Beitrags
und zu Maxim:
317AELeS08
31
BAUELEMENTE
Radar für die Mittel- und
Kompaktklasse
SiGe-Transceiver bieten den Systemherstellern jetzt bei 76 bis 77 GHz neue Möglichkeiten im Long-Range-Bereich bis 250 m sowie Potenzial für den Short-RangeBereich bis 81 GHz. KLEINERE GÜNSTIGERE RADARSENSOREN werden helfen,
Fahrerassistenzsysteme in mittleren Fahrzeugklassen anzubieten. Bereits 2009
sollen die ersten Radar-Transceiver auf SiGe-Basis auf den Markt kommen.
Ü
ber die Hochgeschwindigkeitsvariante eines Silizium-Prozesses
mit Transitfrequenzen jenseits
von 200 GHz öffnet sich die Tür zu komplexen Schaltungen, welche die wesentlichen Baugruppen wie Oszillator, Verstärker und Mischer sowie deren Testlogik auf einem Chip integrieren.
Durch Einsatz innovativer Radarchips
und Verzicht auf teure Spezialhalbleiter
lässt sich Funktionalität eines Sensorsystems im Automobil deutlich erhöhen,
während die Systemkosten erheblich
senken. Damit könnte das Radarsensorsystem bald zur Standardausstattung
auch der Mittel- und Kompaktklasse gehören.
Die Abstimmung von Prozesstechnologie und Designexpertise war die
Grundlage für hochintegrierte Sendeund Empfangsbausteine für den weltweit
vereinheitlichten 77-GHz-Radar-Sensormarkt. Muster eines solchen hoch integrierten Front-End-Chips stehen den
Systemherstellern zur Verfügung.
her teuren 77-GHz-Sensoren der aktuellen zweiten Generation in mehrfacher
Hinsicht zu optimieren und damit massentauglich zu machen. Als besonderer
Vorteil ist im Falle des Halbleiterprozesses
B7HF200 von Infineon Technologies die
Automotive-Qualifikation nach AECQ100 zu nennen – und zwar über den
vollen Temperaturbereich von –40 °C bis
125 °C (Bild 1).
Systemintegration
Seitdem die Möglichkeit besteht, einen
77-GHz-HF-Transceiver auf Basis eines
Hochgeschwindigkeits-SiGe-Fertigungsprozesses auf einem Chip zu integrieren,
rutschen die wichtigsten Funktionsblöcke auf ein Stück Halbleiter zu einem kompletten RASIC
(Radar System
Silizium mit Doping: SiGe
Durch einen speziellen Prozessschritt
im
Silizium-Germanium-Prozess
verdoppelt sich die Transitfrequenz
auf 200 GHz, wodurch der
77-GHz-Schaltungsbereich
auch für Silizium geeignet
ist, so dass hierfür keine
teuren GaAs-Halbleiter
mehr zum Einsatz
kommen
müssen.
Dadurch
sehen
Systementwickler wie Chiphersteller
großes Potential,
die bis-
32
IC) zusammen (Bild 2). Für den Einsatz
mit einer PLL gibt es darüber hinaus auch
den notwendigen Referenzoszillator
(hier RON7701). So sinken der Platzbedarf und die Komplexität für den HFAufbau auf ein Minimum. Außerdem
sind komplexe Teststrukturen eingebaut,
damit die Schaltung als „Known-gooddie“ beim Kunden aufgebaut werden
kann, was weder bei 77 GHz noch im
„klassischen“ GaAs-Aufbau üblich ist.
Beispiele sind Ausgangsleistungs-Detektoren, Temperatursensoren und Teilerschaltungen, wie sie auch im hoch integrierten
Radar-Transceiver-Baustein
RXN7740 von Infineon zu finden sind.
Von der höheren Zuverlässigkeit profitieren Entwickler wie
Nutzer, und da ein
teurer HF-Produktionstest nicht notwendig ist, sinken
die Kosten.
Je nach Systemkomplexität
ist eventuell eine
Aufteilung auf
mehrere Chips
notwendig. Eine
sinnvolle Partitionierung besteht dann in
separaten Sende- und Empfangsbausteinen,
ohne
dabei
aber
auf die integrierte Testbarkeit zu
verzichten. Zwingend erforderlich
ist dabei, dass der Entwickler die (LO-Signale (Local Oscillator) zwischen den
Chips besonders sorgfältig ausführt, da
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BAUELEMENTE
bausituationen der volle AutomotiveTemperaturbereich abdecken.
Ein Chip, aber viele
Applikationen
1
2
3
4
Bild 1: SiGe-basiertes Single-Chip-Radarfrontend: Vorderseite mit Transceiver (oben), Rückseite
mit Signalverarbeitung (unten) im Long-Range-Radar Radar-Sensor LRR3 der Robert Bosch
GmbH
Bild 2: Kombination des Frontend-Chips RXN7740 und des Referenzoszillators RON7701 mit PLL
zum Gesamtsystem
Bild 3: Schnitt durch das HF-PCB mit Cavity
Bild 4: Kombination zweier Sendekanäle vom RXN7740 zur Steigerung der Ausgangsleistung
diese über das PCB-Substrat und nicht
mehr nur auf dem Chip verteilt werden.
Am Ende entsteht immer ein Frontend-Aufbau, bei dem lediglich wenige
HF-Signale mit den Antennen verbunden werden müssen. Diese Übergänge
werden gezielt auf die maximale Performance optimiert, während die restlichen
(niederfrequenteren) Steuersignale wie
z. B. Teilerausgänge und Steuerpins wesentlich unkritischer in der Applikation
sind.
Hardware-Applikation
„SiGe ist nicht GaAs“ – und das nicht nur
wegen seiner anderen Halbleitereigenschaften, sondern auch bei der mechanischen, thermischen, elektrischen und
schaltungstechnischen Applikation. „Einen GaAs-Schaltungsentwurf kann und
sollte man nicht als Grundlage für ein
hochperformantes SiGe-Design nehmen“, so die Aussage von einem der frühen SiGe-Anwender.
Ein wichtiger Punkt betrifft das Wärmemanagement: Die Verlustleistung eines SiGe-Systems ist zwar geringer als die
Summe der bisherigen Einzel-Komponenten einer GaAs-Implementierung,
34
da verlustbehaftete Übergänge entfallen.
Doch kein Licht ohne Schatten: Die Verlustwärme von ungefähr 3 W entsteht
nun konzentriert auf einer wesentlich
kleineren Fläche von unter 10 mm2, von
Die OEMs möchten mit möglichst wenig
Radarsensor-Typen auskommen und diese über die Applikations-Software hinweg „personalisieren“, denn man kann
sich in Zukunft nicht für jede Applikation
(z. B. Collision Mitigation, Adaptive Cruise Control etc.) eine eigene spezielle
Hardware bauen. Auf Ebene der Systemhersteller ist die Sachlage ähnlich: Nicht
jedes Radar-Frontend soll einen anderen
Chip verwenden, selbst wenn die Spezifikation bzw. Antennenkonfiguration variiert.
Attraktiver ist es, denselben Chip-Typ
durch unterschiedliche Applikation und
Ausbaustufen (Anzahl der Antennen,
Leistungsfähigkeit des DSP, Kaskadierung etc.) skalieren und anpassen zu
können Dies ist heute schon applikativ
machbar und wird weiter an Bedeutung
gewinnen (Bild 4). Sowohl monostatische Ansätze (mit kombinierten Sende-/
Empfangsantennen) als auch bistatische
Konzepte (mit separaten Sende- und
Empfangsantennen) können so unterstützt werden. Der Halbleiterlieferant
kann zuverlässige getestete „Standard“-Komponenten beitragen, die bis
auf die Antenne alle kritischen Funktionsblöcke der Hochfrequenzschaltung
bereitstellen.
Trends und Zukunft
Die heutigen ersten RASICs sind erst der
Anfang dessen, was sich mit SiGe machen lässt. Mit
dem Ziel, in Zu„SiGe ist nicht GaAs“ – auch bei der
kunft universelle
mechanischen, thermischen, elektrischen
Bausteine auf dem
offenen Markt anund schaltungstechnischen Applikation.
zubieten,
bleibt
viel Raum für die
Kreativität der Systementwickler. Die
der sie abgeführt werden muss. Das erforFunktion solcher Bausteine der nächsten
dert ein sorgfältiges Design einer LeiterGeneration wird dann über Skalierbarplatine, oft mit Aussparung (Cavity), die
keit der Kanalzahl (Antennenzahl) von
z. B. über integrierte Kupferflächen oder
einfachen Systemen für den mittleren
spezielle Wärmeleiter diese VerlustleisEntfernungsbereich (30 m bis 100 m,
tung – vorzugsweise an eine Metallbasis –
Mid-Range-Radar/MRR) bis hin zu hoch
abführen muss (Bild 3).
performanten Langstreckensystemen (50
Positiv trägt der Umstand bei, dass Silim bis 250 m, LRR) reichen. Spezielle
zium ein sehr guter Wärmeleiter ist und
Low-Cost-MRR-Systeme sind in letzter
sich die im Chip produzierte Wärme diZeit durch die Diskussionen um EUrekt von der Rückseite ableiten lässt. Da
NCAP-Bewertungskriterien für Aktive
SiGe-Schaltungen bis zu sehr hohen
Sicherheit sowie NHTSA in den USA verTemperaturen
zuverlässig
arbeiten,
mehrt Gegenstand neuer maßgeschneireicht es, dafür zu sorgen, dass die Chipderter Entwicklungskonzepte.
rückseite die Betriebstemperatur von bis
Einen anderen Ansatz, der zumeist
zu +125 °C möglichst nicht überschreitet.
von höherwertigen LRR-Systemen komDamit lässt sich auch in kritischen Ein-
BAUELEMENTE
mend das gleiche Ziel verfolgt, gibt es mit
dynamisch umkonfigurierbaren Sensoren, die ihre Strahlcharakteristik je nach
Applikation und Bedarf zwischen Langund Mittelbereich umschalten können.
Die neuen Multi-Mode-Radare decken
dabei heute schon maximale Entfernungen ab 0,5 m bis 250 m und je nach Entfernung
Öffnungswinkel
zwischen
12 und 30 Grad ab.
Eine weitere technische Möglichkeit,
dies zu erreichen, ist die Einführung
schaltbarer Strukturen auf den Chips, um
damit die Sende- und Empfangskanäle
während des Betriebs ändern zu können.
Das ist nicht trivial, da bei diesen Frequenzen die Signale auch ungefragt von
Leitung zu Leitung springen und sich das
An-, Ab- sowie Umschalten von Strukturen nicht wie bei niederfrequenten Produkten realisieren lässt. Weiterhin wird
die Verlustleistung weiter sinken: Durch
Verringerung der Versorgungsspannung
auf beispeilsweise 3,3 V oder weniger
lässt sich das Wärmemanagement vereinfachen.
Auch beim Packaging gibt es Potential:
Wer heute Radar-Chips bezieht, be-
Dies ist allerdings eine Eigenschaft, die
nicht SiGe-spezifisch ist; vielmehr teilen
sich hier alle HF-Lösungen ein gemeinsames Schicksal. Geforscht wird um so intensiver – übrigens
auch in Richtung
Derzeit wird in Richtung „Antenna-on-chip“ einer integrierten
„Antenna-onfür Einfachstsysteme geforscht.
chip“ für Einfachstsysteme. Ist
kommt Bare-Dies, also die ungehäusten
ein Package entwickelt, sollen sich die
dünn-geschliffen und gesägten SiliziumZusatzkosten durch das einfachere HandChips, die dann per Pick&Place vom
lung und eine Standard-Aufbautechnik
Blue-Tape auf die Leiterplatte geklebt
kompensieren.
und anschließend mittels Golddraht an
die Umwelt angeschlossen werden. ProDipl. Ing. (TH) Wolfgang Lehbrink ist Problematisch sind dort heute vor allem die
dukt-Marketing-Manager für Radarsensoren
Längen der Bonddrähte sowie die Überin Automobilanwendungen bei Infineon
gangsverluste der HF-Kontakte, denn
Technologies
jeder Übergang kostet HF-Leistung, die
zuvor so mühevoll auf dem Chip erzeugt
wurde beziehungsweise von der EmpinfoDIRECT www.all-electronics.de
fangsantenne auf den Chip gelangen
Link zu Infineon:
313AELeS08
soll.
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Europa
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+/- 1,0 MM
+++
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+
+
+
+++
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BAUELEMENTE
Fortschritte bei Keramik
Die anhaltende Nachfrage nach immer mehr Performance treibt die Weiterentwicklung von
AUTOMOTIVE-BAUELEMENTEN AUF BASIS VON KERAMIKWERKSTOFFEN voran. AUTOMOBILELEKTRONIK gibt einen Über- und Ausblick.
D
ass
Automotive-Applikationen
für Halbleiterhersteller und die
Produzenten anderer elektronischer Komponenten einen ständig expandierenden Markt darstellen, ist kein
Geheimnis. Wenn in den letzten Jahren
über diese Absatzchance gesprochen
wurde, ging es meist um die Integration
von Information und Unterhaltung – die
so genannten Infotainment-Applikationen, die beispielsweise in Form von Navigationsgeräten und anderen Audio/Video-Kombination angeboten werden.
Gleichzeitig hat jedoch auch der Elektronik-Gehalt des Antriebsstrangs zugenommen. Jedes durchschnittliche Auto
ist heute voller Mikroprozessoren, die
mit elektronischen Sensoren, Aktoren
36
und Messwertaufnehmern verbunden
sind und viele verschiedene Aufgaben
von der Bemessung der eingespritzten
Kraftstoffmenge bis zur Klimaautomatik
übernehmen.
Im Gegensatz zur Welle von Infotainment-Geräten und anderen Aftermarket-Produkten gelten für sämtliche elektronischen Bauteile, die für wichtige
Funktionen im Fahrzeuginnern oder im
Antriebsstrang zum Einsatz kommen, die
gleichen rigorosen Standards, die auch
für andere Automotive-Komponenten
gelten.
Dies setzt ein erhebliches Engagement
seitens der Zulieferer voraus. Wegen der
hohen Ströme und Spannungen beim
Verbrennungsprozess sowie infolge der
elektromagnetischen Interferenzen, die
in konventionellen Fahrzeugen sowie in
künftigen Autos mit Hybridantrieb vorkommen, stellt ein Kraftfahrzeug eine
höchst anspruchsvolle Einsatzumgebung
für elektrische Systeme dar.
Dennoch ist und bleibt der Automotive-Markt nur einer von vielen Märkten,
in denen Elektronik und Halbleiter zum
Einsatz kommen. Ebenso wie in den anderen Märkten erwarten die Kunden regelmäßige Verbesserungen der Performance und des Preisniveaus. Komponenten für diese widrigen Umgebungsbedingungen müssen deshalb einerseits strengen Standards gerecht werden und andererseits die gleichen Kostensenkungen und Feature-Verbesserun-
BAUELEMENTE
Aufbau eines LTCC-Moduls von Murata
gen bieten, die es auch in anderen Bereichen gibt.
Vom Infotainment-Segment unterscheiden sich diese Applikationen auch
dadurch, dass die ausgefeilten Lösungen
nicht auf die Oberklasse beschränkt sind,
denn elektronische Systeme sind inzwischen wesentliche Bestandteile aller Modelle der Automobilhersteller. Von der
allgegenwärtigen ECU im Antriebsstrang
bis zu den Komfort und Sicherheitsfunktionen im Fahrgastraum wird auf der
Komponenten-Ebene über die gesamte
Produktpalette hinweg der gleiche Entwicklungsstand vorausgesetzt. Viele
Märkte werden von diesen Entwicklun-
gen sowie von den Veränderungen profitieren, die es in der Produktion von keramischen Bauelementen und Baugruppen gegeben hat. Die Verbesserungen bei
den Methoden und Werkstoffen zur Herstellung keramischer Bauteile geben den
Halbleiterherstellern die Möglichkeit,
den Anforderungen des AutomotiveMarkts gerecht zu werden, woraus freilich auch andere Märkte ihren Nutzen
ziehen.
Keramik-Anwendungen im Auto
Man findet keramische Bauelemente inzwischen überall im Kraftfahrzeug.
Klopfsensoren für den Motor sind hier
ebenso anzuführen wie Ultraschall-Sensoren für Einparkhilfen und Mikrowellen-Filter im Navigationssystem. Es gibt
noch viele weitere Beispiele dafür, wie
keramische Komponenten die Leistungsfähigkeit von Kraftfahrzeugen verbessern. Die gegenwärtigen Entwicklungsvorhaben sind zahlreich und decken eine
Vielzahl von Anwendungen ab.
Dass beispielsweise monolithische
Mehrschicht-Kondensatoren inzwischen
die Automotive-Applikationen dominieren, ist größtenteils der Entwicklung auf
dem Materialsektor zu verdanken. Am
weitesten verbreitet ist X7R, aus dem etwa 80% der im Automotive-Bereich ver-
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37
BAUELEMENTE
wendeten
Mehrschicht-Keramikkondensatoren hergestellt werden, während
die übrigen 20 % auf COG-Kondensatoren entfallen.
Beide Arten kommen in Filter-Applikationen zum Einsatz, während X7R außerdem in großem Umfang Kopplungs
und Entkopplungszwecken dient. COGKondensatoren wiederum werden kommen auf Grund ihrer hohen Stabilität in
eng tolerierten Abstimm und TimingSchaltungen sowie zur Temperaturkompensation zum Einsatz.
Auslenkung um bis zu 40 μm zur Folge
haben – genug für die exakte Bemessung
des Kraftstoff-Luft-Gemischs. In Benzinmotoren erzielte man mit dieser Technik
bei unverändertem Kraftstoffverbrauch
eine 20prozentige Leistungssteigerung.
Piezo-Aktor
zur Kraftstoff-Einspritzung
Keramik im Getriebe
Keramik-Kondensatoren stellen einen
interessanten Kompromiss zwischen
Größe, Kapazität, Stabilität und Durchbruchspannung dar – durchweg Größen,
bei denen es sich um Parameter des Dielektrikums handelt. Das verwendete
Keramikmaterial entscheidet über die Dielektrizitätskonstante, die sich wiederum
auf andere erwähnte Parameter auswirkt. Durch neue Entwicklungen auf
dem Gebiet der Keramikwerkstoffe haben die Dielektrizitätskonstanten sowie
die für eine bestimmte Kondensatorgröße erreichbaren Kapazitäten drastisch
zugenommen. Kondensatoren lassen
sich deshalb mit weniger Schichten und
folglich mit geringerer Dicke herstellen.
Dank dieser Entwicklungen bei den
Werkstoffen steigen auch die Kapazitäten
der Keramik-Kondensatoren. Die Verfügbarkeit von Versionen mit einer Kapazität von 47 μF bedeutet, dass anstelle
von Aluminium oder Tantal-Elkos jetzt
unpolarisierte Keramik-Kondensatoren
zum Einsatz kommen können, was die
Bestückung erleichtert. Nach Einschätzung von Murata wird es außerdem bald
Keramik-Kondensatoren mit bis zu
100 μF geben, denen schon in naher Zukunft noch höhere Kapazitätswerte folgen werden.
Resonatoren
Ein weiteres Beispiel für Gebiete, auf denen im Automotive-Bereich andere
Technologien von Keramik-Komponenten verdrängt werden, sind Resonatoren.
Kommen Keramik-Resonatoren an Stelle von Quarzen zum Einsatz, dann lassen
sich Platz, Kosten und Energie einsparen.
Dies ist teils der herausragenden Stabilität dieser Bauteile zu verdanken, denn
diese macht sie zu idealen Kandidaten für
CAN-Bus-Applikationen. Dieses Kommunikations-Protokoll ist überaus jitterempfindlich. Wie Untersuchungen ergeben haben, weisen Keramik-Resonatoren nur eine geringfügige oder gar keine
Jitter-Zunahme gegenüber Quarz-Reso-
38
Alle Grafiken: Murata
Höhere Kapazitäten bis über 100 μF
natoren auf und können problemlos die
in CAN-Applikationen maximal zulässige
Frequenz-Toleranz von ±1,5 bis ±0,3%
einhalten.
Die ungefähr 50-prozentige Platzersparnis im Vergleich zu einem QuarzResonator kann sich angesichts der großen Verbreitung dieser Bauelemente zu
einer erheblichen Einsparung an Platz
und Kosten aufsummieren. Schließlich
enthält ein typisches Auto bis zu 70
ECUs, die bis zu 35 Resonatoren benötigen. Zunehmend Verbreitung finden diese Bauelemente auch in schlüssellosen
Zugangssystemen, wo sie dank ihrer kürzeren Anlaufzeit gegenüber Quarz-Oszillatoren zur Senkung des Energieverbrauchs beitragen.
Piezo-Einspritzung
Keramik-Bausteine dienen allerdings
nicht nur zur Reduzierung des Kostenaufwands, des Stromverbrauchs oder des
Platzbedarfs. Die besonderen Eigenschaften dieses Bauelemente ergeben im Automotive-Bereich vielmehr auch signifikante Verbesserungen der Performance
und der Anwenderfreundlichkeit. Dies
hat noch deutlichere Ersparnisse zur Folge, was die Auswirkungen auf unsere
Umwelt betrifft.
Kraftstoff-Einspritzsysteme auf der
Basis von Piezo-Aktoren sind einfacher
sowie effizienter und senken den Kraftstoffverbrauch laut jüngsten Studien um
bis zu 15%. Ursache hierfür ist die durch
die Piezo-Einspritzdüsen erzielte präzisere Regelung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum. Das Anlegen einer
Gleichspannung zwischen 100 und 200 V
an einen 300-mm-Piezo-Aktor kann eine
Dieses Beispiel ist relativ leicht zu verstehen, wenn man die Eigenschaften von
Keramikwerkstoffen und den Piezo-Effekt kennt. Es zeigt außerdem die Belastbarkeit der Keramik und ihre Eignung für
noch widrigere Einsatzbedingungen beispielsweise direkt im Getriebe.
Hier war es mit Hilfe der LTCC-Technologie (Low Temperature Co-Fired Ceramic) möglich, passive und aktive Bauelemente in Module für Betriebstemperaturen von mehr als 150 °C einzubauen. Diese Module können auf Grund ihrer Eigenschaften einerseits extremen
Temperaturen widerstehen, doch andererseits haben sie dank ihrer geringeren
Abmessungen auch entscheidende elektrische Vorteile. Mit nur 5% der Größe
entsprechender Leiterplatten zeichnen
sich diese Module durch deutlich niedrigere Streukapazitäten und induktivitäten aus, was dieser Technik in leistungsfähigen Hf-Applikationen zu gleicher Popularität verhilft.
EMV und Kommunikation
Dies ist nur eines von vielen Beispielen
dafür, wie das Eingehen auf die Anforderungen der Kunden aus dem Automotive-Sektor auch der übrigen Industrie zugute kommt, wobei im Fahrzeug noch
gravierendere EMI-Problemen existieren. EMI-Filter, eine weitere typische Applikation für Keramik-Komponenten,
stellen hier eine ausgezeichnete Lösung
dar. An Verbreitung gewinnen in Automobilen außerdem Mikrowellen-Filter
auf Keramikbasis für die drahtlose Kommunikation. Die Entwicklung passiver
Bauelemente im allgemeinen sowie von
Keramik-Bauteilen im besonderen wird
durch die gleichen Nachfragetendenzen
auf dem Markt vorangetrieben. Dank ihrer besonderen Eigenschaften und der
fortlaufenden Verbesserungen bei den
Werkstoffen dürften keramische Bauelemente mit der Zeit eine immer wichtigere Rolle im Automotive-Markt und der
gesamte Elektronikindustrie spielen.
Reinhard Sperlich ist Sales und Marketing
Manager bei Murata in Nürnberg
infoDIRECT
Link zu Murata:
312AELeS08
BAUELEMENTE
Integration von
Fahrerassistenzsystemen
Radarsysteme benötigen eine Kombination aus A/D-Wandler,
CPU, DSP und Mikrocontroller, die zwar eine hohe Verarbeitungsleistung aufweisen muss, aber aus Preisgründen auch möglichst
hoch integriert sein muss. DIGITALE SIGNALCONTROLLER (DSCS)
sind in solchen Anwendungen eine hochintegrierte Alternative.
Ä
hnlich wie beim Antiblockiersystem vor mehr als 20 Jahren müssen die Herausforderungen von
Fahrerassistenzsystemen erst gelöst werden, damit ein System auch für die automobile Unterklasse erschwinglich wird
und somit größere Stückzahlen möglich
werden. Entwickler von Fahrerassistenzsystemen müssen sich vor allem den Herausforderungen in punkto Leistung und
Systemintegration stellen. Zur Lösung
dieser Probleme liefert Texas Instruments
einige ICs, die von Video- bis hin zu Radarsystemen reichen.
System auf Radarbasis
Bei einem Radarsystem, das im 24-GHzBereich arbeitet, befindet sich ein großer
Teil der IP in der Radartechnik selbst sowie im zugehörigen Frontend des Sensors. Dieser Teil überträgt die Signale mit
den Informationen zur Objekterkennung. Zur Decodierung dieser Informationen ist ein geeignetes intelligentes System erforderlich, das für die Situationsanalyse und die Nachführung der Objekterkennung zuständig ist und die Kommunikation mit den übrigen Komponenten der Fahrzeugelektronik abwickelt.
Vereinfacht dargestellt funktioniert
der Signalfluss der gesamten Regelung
wie folgt: Die Elektronik-Einheit muss
die Frontend-Signale der Radaranlage
messen, diese mit Hilfe eines A/D-Wandlers (ADC) wandeln und anschließend
die Informationen zur Objekterkennung
per Signalverarbeitung extrahieren.
Hierbei werden mathematische Algorithmen wie z. B. Fast-Fourier-Transformation (FFT) und hoch entwickelte Filter
eingesetzt. Hierfür ist eine CPU mit digitaler Signalverarbeitung (DSP) und einer
Architektur erforderlich, die für derartige
Operationen geeignet ist.
Nach dem Decodieren der vom Radar
übertragenen Informationen sendet die
Elektronik-Einheit über den D/A-Wand-
ler (DAC) Rückmeldungen an das RadarFrontend und wickelt die Kommunikation mit der Fahrzeugelektronik ab. Dabei
werden entsprechende Warnungen an
den Fahrer weitergeleitet. Beispielsweise
wird eine blinkende Leuchte aktiviert,
wenn sich ein Fahrzeug im toten Winkel
befindet. Letzteres ist normalerweise die
Aufgabe eines Mikrocontrollers, der solche Funktionsabläufe steuert.
Dieser Prozess umfasst ein Erkennungssystem mit einer großen Datenverarbeitungskapazität für schnelle Rückmeldungen und ist ununterbrochen aktiv, während sich das Fahrzeug bewegt.
Außer dieser IC-Kombination (ADC +
DSP-CPU + Mikrocontroller) muss ein
großer nichtflüchtiger Speicher vorgesehen werden, um das Programm und die
Parameter zu speichern, die in den Decodier-Algorithmen benötigt werden. Sofern technisch realisierbar, wird dieses aus
mehreren Chips bestehende System bei
einem Einsatz in großem Maßstab mit hoher Wahrscheinlichkeit die Anforderungen an die Systemkosten nicht erfüllen.
Probleme
Ein derartiges System weist mehrere Probleme auf. So ist eine Positionierung der
Radarerkennungseinheit zur TotwinkelErkennung im hinteren Stoßfänger des
Fahrzeugs mit erheblichen Platzeinschränkungen auf der Leiterplatte verbunden, so dass die gesamte Funktionalität in einem einzigen IC integriert werden muss.
Die Anordnung eines externen HighSpeed-ADCs stellt ein Problem an sich
dar, da eine kostspielige Trennung der
Leiterbahnen auf dem Board sowie teure
mehrlagige Leiterplatten erforderlich
werden. Kompromisse bei den Leitungen
des ADCs in einer derart störungsbehafteten Umgebung würden zu einer geringeren realen Genauigkeit und somit zu
einer niedrigeren Qualität der Objekt-
Beispiel für einen fließkommafähigen DSC
erkennung führen, wodurch sich die beabsichtigte Sicherheitswirkung des Radarsystems verschlechtern würde. Die
Wahl eines ADCs mit hoher Auflösung
würde zwar den technischen Nachteil, jedoch keinesfalls die Systemkosten kompensieren.
Ebenfalls zu berücksichtigen sind zwei
weitere Schlüsselfaktoren: die Leistungsfähigkeit und die Bandbreite des Systems. Die ADC-Messungen müssen nicht
nur genau sein, sondern auch schnell genug durchgeführt werden, so dass normalerweise mindestens ein Durchsatz
von mehreren MSample/s mit einer Auflösung von 10 bis 12 bit erforderlich ist.
Zur Decodierung der Radarsignale muss
die Signalverarbeitung einschließlich der
anderen Systemaufgaben eine Rechenleistung im Bereich von mindestens 100
bis 150 MIPS liefern.
Digitale Signalcontroller (DSCs), die
einen extrem schnellen ADC, DSP-Funktionalitäten, Kommunikation mit Peripheriegeräten sowie großen Flash- und
RAM-Speicher auf dem Chip integrieren,
sind hier eine sehr effektive Lösung.
Details hierzu erfahren Sie in der
Langversion des Beitrags ganz einfach
per info DIRECT.
Olivier Monnier ist Business Development Manager in der C2000 DSP Controller Product Line bei Texas Instruments
infoDIRECT
Link zur Langversion und zu
Texas Instruments:
336AELeS08
39
BAUELEMENTE
Das Drehmoment „hören“
Mit Oberflächenwellen-Sensoren (SAW-SENSOREN) lassen sich auch in automobiler Umgebung diverse Größen messen, wobei das Spektrum von Druck und
Temperatur über Ölqualität bis zum Drehmoment reicht.
A
tionen. Dieser aufstrebende Markt birgt
durchaus das Potenzial, die Nachfrage auf
dem Telekommunikationssektor über
mehrere Anwendungsgebiete hinweg zu
erreichen oder gar zu übertreffen. Einsatzmöglichkeiten finden sich beispielsweise in der Automobiltechnik (Reifendruck und Ölzustands-Überwachung) sowie in industriellen und kommerziellen
Applikationen (Temperaturgeber; Chemikalien und Gassensoren).
Dank ausgereifter Fertigungsverfahren
können Akustikwellen-Sensoren zu
wettbewerbsfähigen Preisen angeboten
werden. Sie sind dank fortschrittlicher
Gehäusetechniken außerdem robust und
zeichnen sich auf Grund ihrer Konstruktionsprinzipien durch hohe Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit aus. Abgerundet
wird ihr attraktives Eigenschaftsprofil
durch ihren niedrigen Stromverbrauch
und die Tatsache, dass sie passiv und
drahtlos abgefragt werden können und
somit selbst keine Stromversorgung benötigen. Zu den Anwendungsgebieten, in
denen Akustikwellen-Sensoren besondere Bedeutung haben, gehören die industriellen Temperatur, Drehmoment und
Drucksensoren.
Die Technik
Die Funktionsweise von AkustikwellenSensoren beruht auf der Erzeugung einer
akustischen Welle (Schallwelle) auf einem piezoelektrischen Material, an das eine Spannung angelegt wird. Die Akustikwelle pflanzt sich durch das Material oder
an seiner Oberfläche entlang fort, wobei
jegliche Veränderung entlang des Ausbreitungswegs Einfluss auf die Geschwin-
Bild: © screenexa – Fotolia.com
uf Grund ihrer hohen Leistungsfähigkeit, ihren kleinen Abmessungen und ihrer hohen Reproduzierbarkeit haben Akustikwellen-Produkte in den vergangenen 50 Jahren eine
wichtige Rolle in Consumer und Kommunikationssystemen
gespielt.
Den
stückzahlmäßig größten Anteil hat hier
die Telekommunikationsindustrie, in der
die Akustikwellen-Technik in Filtern für
Mobiltelefone und Basisstationen zum
Einsatz kommt. Bei den dabei verwendeten Produkten handelt es sich meist um
SAW-Bausteine (Surface Acoustic Wave,
Oberflächenwelle, OFW). Diese ‚Oberflächen-Akustikwellen-Bausteine‘ fungieren als Bandpass im HF und ZF-Teil der
Transceiver-Elektronik.
Überaus gut geeignet ist die Akustikwellen-Technik auch für Sensor-Applika-
40
BAUELEMENTE
Bild 1: Ansicht eines kommerziell angebotenen drahtlosen Temperatursensors
digkeit und/oder die Amplitude der Welle
hat. Änderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit lassen sich durch Messen
der Frequenz oder Phaseneigenschaften
des Sensors erfassen und anschließend
zur gemessenen physikalischen Größe in
Beziehung setzen.
Ausgehend von einer Rayleigh-SAWVerzögerungsleitung (Bild 2), pflanzt sich
die Welle entlang der Oberfläche des Substrats fort. Die SAW ist deshalb ein überaus empfindlicher Sensor für mechanische Eigenschaften wie Druck oder
Zugspannungen, die in das SAW-Substrat
gekoppelt werden, gleich ob diese durch
das Gehäuse ausgeübt werden oder auf einer Membran entstehen, auf welcher der
SAW-Wandler angebracht ist. RayleighSAW-Bausteine lassen sich überdies mit
speziell geschnittenen piezoelektrischen
Substraten kombinieren, um eine sehr lineare Beziehung zwischen SAW-Frequenz und Temperatur zu erzielen. Auf
diese Weise lässt sich ein besonders hoch
auflösender Temperatursensor herstellen.
Akustikwellen-Technologie für drahtlose Applikationen
Zusätzlich können SAW-Sensoren ohne
Leitungsverbindung oder Batterie arbeiten, da die Verbindung zum Transceiver
bzw. zur Leseeinheit ausschließlich über
ein Hochfrequenz-Signal erfolgt. Möglich
ist dies wegen der äußerst niedrigen Eingangssignalpegel und der hohen elektrischen Effizienz dieser Bauteile.
Bild 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau
eines drahtlosen Sensor bzw. Identifikationssystems. Die von einem HF-Transceiver ausgestrahlte elektromagnetische
Welle wird von der Antenne des SAWSensors aufgefangen. Die IDTs sind mit
der Antenne verbunden und erzeugen
aus dem empfangenen Signal eine Akustikwelle, die sich auf dem Sensor fortpflanzt und zu der oben beschriebenen
Funktionsweise führt. Je nach Konstruktion des Bausteins (z. B. können als Reflektoren dienende Metallstrukturen vorhanden sein) übernehmen die IDTs gegebenenfalls auch die Rückübertragung an
den Empfänger. Das empfangene Signal
wird anschließend verstärkt und im HfModul in ein Basisbandsignal verwandelt,
das von einem Signalprozessor analysiert
werden kann. Aufgrund der verwendeten
im Gigahertz-Bereich liegenden Frequenzen sind SAW-Sensoren gut gegen elektromagnetische Störungen geschützt, wie
sie in der Nähe industrieller Anlagen (z. B.
Motoren oder Hochspannungsleitungen)
häufig auftreten.
Kommerziell
angeboten
wird
beispielsweise ein
SAW-Temperatursensor, der als ein
mit 433,78 MHz
schwingender
One-Port-SAWResonator mit linearer FrequenzTemperaturKennlinie
konstruiert ist. Mit einem Temperaturkoeffizienten der
Frequenz
von
16,2 ppm/°C (etwa
7.028 Hz/°C) kann
der Baustein bei
Temperaturen von 0 bis 120 °C zum Einsatz kommen. Die Güte im unbelasteten
Zustand beträgt 8.000. Der Sensor ist verlustarm (maximal 2,5 dB) und für ein
50-Ohm-System konzipiert. Im Verbund
mit einer Antenne und einer Abfrageeinheit bietet der Sensorchip beste Voraussetzungen für zahlreiche Anwendungen, in
denen Temperaturen drahtlos erfasst werden müssen.
Die drahtlosen Sensoren arbeiten für
den definierten Betriebstemperaturbereich im ISM-Band (433,92 MHz). Sie
sind dafür ausgelegt, auf drahtlosem Weg
umgehend Druck, Drehmoment und
Temperaturmesswerte für echtzeitfähige
In-Line-Embedded-Systeme zur Verfügung zu stellen, die nach hoher Auflösung sowie herausragender Stabilität
und Genauigkeit verlangen. Ein Merkmal
der SAW-Temperatursensoren ist ihre besonders hohe Stabilität, die die Spezifikationen der DIN IEC 68 T2–27 (Stoßbelastung) erfüllt. Auch die Vibrationsfestigkeit
gemäß DIN IEC 68 T2–6 wird überprüft.
Die Temperaturstabilitäts-Eigenschaften
werden durch DIN IEC 68 Part 2 – 14 Test
N gewährleistet.
Drehmoment-Sensoren im Auto
Mit der Verfügbarkeit eines drahtlosen
Drehmoment-Sensors ergibt sich eine
klar vorgezeichnete Möglichkeit, der in
der Industrie bestehenden Tendenz zur
Verbesserung von Antriebsstrang und
Lenksystemen durch direkte Drehmomentmessung zu folgen. Ausschlaggebend für diesen Trend sind das Streben
nach mehr Schaltqualität, geringerem
Kraftstoffverbrauch, niedrigerem Gewicht, Einhaltung der Abgasgrenzwerte
und Verbesserung der Fahrzeugsicherheit. Bei der Verbesserung von ‚Chassis
Electronic Power Assist Systems‘ (CEPAS)
geht es dagegen um höhere Steifigkeit,
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41
BAUELEMENTE
Alle Grafiken/Bilder: SenGenuity
Möglichkeit zur Senkung der Systemkomplexität durch Verzicht auf ein keilriemengetriebenes Nebenaggregat am
Motor und den Wegfall mehrerer Hochdruck-Hydraulikschläuche zwischen
der an den Motor angeflanschten Hydraulikpumpe und dem am Chassis
montierten Lenkgetriebe.
Ein auf kapazitiver Kopplung beruhender,
SAW-basierter Drehmomentsensor, in
dem mechanische Spannungen durch
Frequenzänderungen in den Resonatoren
erfasst werden, sorgt auf diesem Markt für
Vorteile – beispielsweise in Bezug auf
Platzbedarf, Kosten, Genauigkeit und Stabilität.
Bild 2: Funktionsprinzip eines Rayleigh Oberflächenakustikwellen-Sensors
Bild 3: Prinzipieller Aufbau eines drahtlosen Temperatursensors
weniger Systemkomplexität sowie Kostensenkungen durch die Senkung der Anzahl
mechanischer Bauteile an einer Welle.
Bei genauerer Betrachtung sämtlicher
potenzieller Applikationen für Drehmomentsensoren lässt sich die folgende Gliederung ausmachen:
Elektronische Getriebesteuerung:
Drehmoment-Erfassung an Antriebs
und Abtriebswellen und Baugruppen
Antriebsstrang-Steuerung für Hybridfahrzeuge
Möglichkeit zum Erzielen sanfterer
Gangwechsel und höherer Fahrzeugleistung sowie eines geringeren Kraftstoffverbrauchs durch die Echtzeit-Erfassung des tatsächlichen Drehmoments. Die elektronische Getriebesteuerung hätte stets die nötigen Informationen zur Aktualisierung der Getriebe-Algorithmen, um schnelle und/
oder sanfte Gangwechsel zu erzielen.
Elektronische Antriebsstrang-Steuerung:
Drehmoment-Management-Systeme
42
(für Fahrzeuge mit Vierrad und Allradantrieb) als Verbesserung gegenüber
passiven elektromechanischen oder hydraulischen Verfahren.
Potenzial zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit, Stabilität und Sicherheit
von Fahrzeugen.
Motormanagement:
Direkte Messung des Motordrehmoments (an der Kurbelwelle oder in
Komponenten des Antriebsstrangs).
Potenzial zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit und der Kraftstoff-Effizienz des Fahrzeugs durch Anbringung
von Sensoren an einem Flexplate, das
die Kurbelwelle mit dem Drehmomentwandler eines mit automatischem Getriebe ausgestatteten Fahrzeugs verbindet, um die Einflüsse externer mechanischer Kräfte zu minimieren.
Lenkdrehmoment-Management:
Messung des Lenksäulen-Drehmoments.
CEPAS-Applikationen (Chassis Electronic Power Assist Systems).
Drucksensoren
Im Bereich der Drucksensoren schließlich
bietet der drahtlose SAW-Sensor eine
praktikable Möglichkeit zur Installation
von Messwertaufnehmern, die portabel
sind und ohne Batterie und Kabelverbindung auskommen. Die Funktion des Sensors beruht auf verschiedenen Gehäuseeigenschaften, die den externen Druck in
eine mechanische Kraft umwandeln. Diese wiederum wirkt auf den Halbleiterchip,
auf dem sich der Resonator befindet. Die
Biegung des Chips mit dem Druck-Resonator bewirkt, dass sich die SAW-Ausgangsfrequenz proportional zum ausgeübten Druck verändert.
Ohne Schwierigkeiten lässt sich auf
demselben Chip ein Temperatur-Resonator anbringen, um eine Temperaturkompensation der Druckinformation zu ermöglichen. Drahtlose Drucksensoren dieser Art wurden bereits für ReifendruckÜberwachungssysteme getestet, und man
untersucht außerdem Konzepte für industrielle Applikationen. Angesichts der
vielfältigen Industriezweige (Halbleiter,
Medizin, Sanitär, Prozesstechnik) lassen
sich für jede Anwendung bestimmte Performance-Eigenschaften ausmachen (z.
B. Empfindlichkeit, Genauigkeit, Messbereich, Kosten, Stabilität und Konfigurations-Logistik), die sich mit SAW-Sensoren
realisieren lassen. Auf diese Weise können
die Endanwender den individuellen Prozess und Qualitätskontroll-Anforderungen gerecht werden.
Kerem Durdag ist Director of Sales
& Marketing bei SenGenuity
infoDIRECT
Link zu Eurocomp/SenGenuity: 315AELeS08
BAUELEMENTE
160 x kleiner und 100 x leichter
Die SSD genannten Massenspeicher auf Flash-Basis können als ERSATZ FÜR FESTPLATTEN im Auto
dienen. SSDs arbeiten ohne bewegliche Teile und erfüllen die Randbedingungen für den Einsatz im
Fahrzeug-Infotainment.
E
rinnern Sie sich noch an die Zeit, als
die CD-Wechsler fürs Auto als neueste technische Errungenschaft aufkamen? Scheint eine Ewigkeit her zu
sein. Heutige Infotainment-Systeme fürs
Auto sind komplexe Subsysteme mit unterschiedlichsten Funktionen von der
MP3-Wiedergabe über die GPS-Navigation und die Spracherkennung bis hin zu
Freisprechfunktionen, DVD-Wiedergabe
und Internet-Zugang.
Die zunehmende Multimedia-Fähigkeit der Car-Infotainment-Systeme erhöht die Bedeutung der eingebauten
Massenspeicher. Auf die gespeicherten
Musik und Videodateien muss schnell
zugegriffen werden können, das umfangreiche Kartenmaterial des Navigationssystems muss sich rasch durchsuchen
und anzeigen lassen, und die Audiodateien für die Spracherkennung müssen so-
fort synthetisiert und abgespeichert werden können.
In den meisten Car-Infotainment-Systemen dienen heute robust konstruierte
Festplatten-Laufwerke
(Hard
Disk
Drives, HDDs) als Speichermedium. Diese HDDs bieten meist zwischen 40 und 50
GByte Speicherkapazität und können als
bestens etablierte und bewährte Lösungen zahlreiche Vorteile vorweisen. Kosteneffektiv sind sie ebenfalls. Wenn eine
Applikation keine Probleme mit den langen Positionier und Rotationslatenzen
von HDDs hat, weil die meisten Lesezugriffe ohnehin sequenzieller Natur
sind, lassen sich mit HDDs große Datenmengen zügig streamen.
In den modernen, immer komplexer
werdenden Car-Infotainment-Systemen
allerdings treten andere Faktoren in den
Vordergrund. Die große Speicherkapazi-
tät der HDDs ist hier nicht einmal gefragt,
denn meist werden nur 4 bis 8 GByte benötigt. Wesentlich wichtiger sind dagegen eine hohe Beständigkeit gegen Stöße, Vibrationen, Temperaturextreme und
Feuchtigkeit.
Diesen Trends wird eine neue Generation industrietauglicher und kompakter
„Solid-State Drives“ (SSDs) gerecht. Es
handelt sich hier um „Laufwerke ohne
bewegliche Teile“, die in zwei Ausführungen erhältlich sind.
Integrierte NAND-Module wie die
NANDrive-Produktlinie von Silicon Storage Technologies (SST) kombinieren innerhalb eines Gehäuses einen ATA-Controller mit Flash-Speicher. Das System erkennt den Baustein beim Booten über
das ATA oder IDE-Interface ganz regulär
als Systemlaufwerk. Die bei HDDs unvermeidliche Positionierzeit von durch-
43
BAUELEMENTE
schnittlich 13 ms entfällt, und es wird auf
Dauer ein Schreib und Lese-Durchsatz
von 30 MByte/s erreicht – und zwar über
den gesamten industriellen Temperaturbereich mit einer Speicherkapazität von
derzeit bis zu 8 GByte.
Während eine 40-GByte-Festplatte in
Standardgröße Abmessungen von 70 x
100 x 9,5 mm3 aufweist, beansprucht ein
in einem BGA untergebrachtes NANDri3
ve von SST lediglich 12 x 24 x 1,4 mm
bei 0,8 g Masse.
Höhere Datenintegrität
Datenintegrität und Dauerhaltbarkeit
(Endurance) sind bei MassenspeicherSubsystemen äußerst wichtig, und so besitzen kompakte SSDs zahlreiche Features, die in dieser Hinsicht Verbesserungen
bringen. Die bei NAND-Flash-Bausteinen
gelegentlich auftretenden zufälligen Lesefehler etwa werden in SSDs durch eingebaute ECC-Schaltungen (Error Checking and Correction) beseitigt. NANDrives von SST etwa besitzen eine 8-bitECC-Engine.
Eine weitere Herausforderung ist das
‚Bad Block Management‘. Defekte Blöcke machen NAND-Flash-Speicher nicht
unbrauchbar, denn sie werden – für die
Anwendung vollkommen transparent –
erkannt, markiert und aus dem Speicherbereich ‚ausgeblendet‘.
Die Schreib-Endurance ist ein weiterer Faktor, der die Verwendung kompakter SSDs im Kfz-Bereich ausschließen
könnte. Je komplexer die Architektur ist
und je kleiner die Zellen eines FlashSpeichers sind, um so früher versagen die
Bausteine nach einer gewissen Zahl von
Lösch und Schreibzyklen ihren Dienst.
Während Single-Level-Cell-Chips (SLC)
100.000 Zyklen verkraften, sind es bei
der komplexeren Multi-Level-Cell-Architektur (MLC) typisch nur 10.000 Zyklen.
Diesem Risiko tragen die Hersteller
kompakter SSDs teils dadurch Rechnung,
dass sie für Automotive-SSDs nur die
SLC-Architektur verwenden. Außerdem
wird die SSD-Firmware mit ‚Wear-Leveling‘-Funktionen ausgestattet. Diese führen Buch darüber, wie oft die SpeicherBlöcke oder Seiten genutzt werden, und
weisen den Controller dementsprechend
an, die Nutzung gleichmäßig auf die physikalischen Sektoren der Speicherbausteine zu verteilen. Damit soll erreicht
werden, dass möglichst alle Sektoren
gleichzeitig ihre Dauerhaltbarkeitsgrenze
erreichen und der Baustein nicht durch
das Versagen von wenigen, besonders
häufig genutzten Bereichen unbrauchbar
wird.
44
Blockschaltbild eines NANDrives
Solid-State-Drives als Ersatz für Festplatten im Auto
Diskrete oder integrierte SSDs?
Autohersteller, die in kompakten SSDs
eine attraktivere Lösung sehen als in einem HDD, müssen sich entscheiden, entweder eine integrierte, plug-and-play-fähige Lösung zu wählen oder mit ATAFlash-Controllern ein eigenes diskretes
SSD zu bauen.
Diese Entscheidung wird von vielen
Faktoren beeinflusst: Bei einer diskreten
Lösung bezieht der Automobilhersteller
bzw. der Subsystem-Anbieter den Controller und die NAND-Flash-ICs von verschiedenen Herstellern. Jedes System
stützt sich dabei auf einen eingebauten
Flash-Dateisystem-Block zum Managen
des Handshake-Mechanismus’ zwischen
Host und Flash-Speicher.
Der Vorteil dieser Alternative besteht
darin, dass auf unterschiedliche Zulieferer zurückgegriffen kann und somit mehr
Flexibilität besteht, wenn Flash-Speicher
knapp werden sollt. Die Verwaltung des
Lagerbestands wird jedoch komplexer,
und es kann zu Kompatibilitätsproblemen zwischen Controller und Speicher
kommen, wenn sich die NAND-FlashTechnik weiterentwickelt und neue Anbieter hinzukommen. Summa summarim vereinfachen integrierte Lösungen
die Logistik sowie den Designprozess und
erhöhen die Zuverlässigkeit.
Yuping Chung ist Business Director bei Silicon
Storage Technology (SST)
infoDIRECT
Link zu SST:
316AELeS08
BAUELEMENTE
Zwei Chips sind besser als einer
Auf den ersten Blick scheinen monolithisch integrierte Halbleiter stets die optimale Lösung zu
sein. Warum beim Einsatz im ANTRIEBSSTRANG mit seinen widrigen Umgebungsbedingungen eine hybride Variante oftmals besser ist, das erklärt AUTOMOBIL-ELEKTRONIK in diesem
Beitrag über „FUNCTIONAL-POWER“-Lösungen.
D
ie Herausforderungen an die Entwicklung einer elektronischen
Schaltung, die im Automobil zum
Einsatz kommt, sind gut dokumentiert.
Leistungshalbleiter, die in PowertrainSteuerungen im Automobil eingesetzt
werden, müssen in der rauen physikalischen Umgebung bestehen. Die Automobilhersteller benötigen heute deshalb
meist vollständig getestete Systeme wie
Motoren oder Getriebe. Dies bedeutet,
dass die elektronischen Steuereinheiten
(ECUs Electronic Control Unit) an oder
nahe am lieferbaren getesteten System
montiert sein müssen, wobei die Belastung für diese Leistungshalbleiter in der
realen Umgebung Temperaturen von 150
°C und mehr erreichen kann.
Für einen Halbleiter ist die maximale
Sperrschicht-Temperatur Tjmax der bestimmende Faktor, da die Fähigkeit, Gatter-Schwellwertspannungen blockieren
zu können sowie andere wichtige Charakteristika alle mit diesem Faktor zusammenhängen. Grund für die meisten
Ausfälle ist das Überschreiten von Tjmax.
Bedenkt man, dass in vielen AutomobilApplikationen der Leistungsbaustein im
Energieaufnahme-Modus arbeitet, was
in anderen Leistungsdesigns nur selten
vorkommt, wird klar, dass das Verständnis der thermischen Grenzen des Leistungshalbleiters und das exakte thermische Management absolut notwendig
sind. Nur so wird sichergestellt, dass diese
Designs auch über die langen Zeitspannen, die für den Automobilmarkt erforderlich sind, die notwendige Zuverlässigkeit aufweisen.
Der FDMS2380 verwendet intern unterschiedliche Chips, um das thermische
Management des Bausteins zu optimieren. Der Leistungs-Chip wird speziell
ausgewählt und ins Gehäuse gepackt, um
bei der entsprechenden Umgebungstemperatur zuverlässig in der Anwendung zu
arbeiten. Zusätzlicher Schutz vor thermischer Überlastung bietet ein interner
Temperaturfühler. Übersteigt die Sperrschicht-Temperatur den maximal zulässigen Wert, so schaltet der Baustein ab; die
Ausgangs-Ansteuerschaltung wird automatisch ausgeschaltet und die Rückführungs- und Entmagnetisierungsschaltung wird in den Rückführ-Modus gezwungen, um die Energie der Lastspule
zu entladen.
Die elektrische Umgebung von Automobil-Applikationen unterscheidet sich
ebenfalls deutlich von den Umgebungen
der meisten anderen StromversorgungsSysteme.
Der Entwickler muss den zuverlässigen Betrieb der Schaltung in dieser Umgebung mit unerwünschten Störgrößen
gewährleisten. Die Spannungsspitzen in
der Stromversorgung eines Automobils
reichen von den gefährlichen Spannungsspitzen hoher Energie, die vom
Lichtmaschinen/Reglersystem generiert
werden, bis hin zum „Rauschen“ mit geringer Energie, das vom Zündsystem und
anderen Verbrauchern erzeugt wird.
Der FDMS2380 besitzt viele eingebaute Funktionen wie Schutzschaltungen
für Überstrom und Überspannung und
arbeitet mit einer Versorgungsspannung
zwischen 6 V und 26 V. Während Fehlerzuständen sind der Ausgang aus- und der
Rückführungspfad eingeschaltet, um die
induktive Energie abzuleiten.
„Functional-Power“- Lösung
Ein Multi-Chip-Modul zur Optimierung
der „Functional-Power“-Technologie ist
in der Automobilumgebung von Vorteil
und liefert die bestmöglichen Ergebnisse.
Während monolithische Lösungen ihre
Grenzen in den Basisanforderungen der
Leistungs- und Analogschaltungen praktisch in jeder Leistungsversorgungsapplikation erreichen, bietet ein Multi-ChipModul mehrere Vorteile.
Dazu gehören der Einsatz eines Schalters mit geringstem Leistungsverlust bei
vorgegebener Fläche, die Verwendung
der neusten, vorteilhaftesten Technologien diskreter Leistungshalbleiter, eine
verbesserte Isolierung zwischen den Leistungs- und den empfindlichen analogen
Funktionsblöcken, eine verbesserte Modularität des Designs, da man mit einem
Ansteuer-Chip verschiedene diskrete
Leistungsbausteine steuert, die Möglichkeit, sämtliche Arten von diskreter Leistungselektronik mit analogen Hochleistungssteuerungs-Funktionsblöcken zu
kombinieren sowie eine verbesserte Optimierung der Schaltfunktion für den
On-Widerstand und von Schaltverlusten.
Ein Functional-Power-Baustein ist in
erster Linie ein Leistungshalbleiter. Er hat
verglichen mit anderen Halbleiterbausteinen normalerweise nur begrenzte
Ein Multi-Chip-Modul im PQFNGehäuse optimiert die Stromversorgung und deren Ansteuerung
in Automobilanwendungen
45
BAUELEMENTE
Datenverarbeitungsfähigkeiten. Deshalb
ist es wichtig, die „Functional Power“ aus
der Leistungsperspektive zu erreichen.
Mischung von Prozess-Technologien
Bei Functional-Power-Systemen ist es
notwendig, sowohl Leistung als auch Daten zu verarbeiten. In manchen Fällen ist
die Datenverarbeitung so komplex, dass
es kostengünstiger ist, für die intelligenten Funktionen einen Halbleiterprozess
zu verwenden, der für die Signalverarbeitung optimiert ist und einen vollkommen anderen Halbleiterprozess, für
die Leistungsfunktionen des Bausteins zu
benutzen, der für diese Aufgabe optimiert ist. Um dieses zweifache Ziel zu erreichen, könnten die beiden Chips z. B. in
zwei verschiedene Gehäuse gepackt werden, aber zwei separate Gehäuse benötigen mehr Leiterplattenfläche.
Der Bedarf an kompakterer Elektronik
erfordert deshalb die Integration der separaten, optimierten Halbleiter-Chips in
einem einzigen kleinen Gehäuse. Diese
kompakten Bausteine müssen auch noch
die Leistung handhaben können, die
Chips miteinander verbinden. Außerdem
müssen sie bei möglichst guter Isolation
zwischen Chip und Substrat Signalverbindungen bieten sowie physikalischer
Robustheit und umweltverträglich sein.
Der FDMS2380 von Fairchild ist ein
gutes Beispiel für eine derartige Integration (Bild 3). Bei diesem Baustein handelt
es sich um einen intelligenten ZweifachLow-Side-Treiber mit eingebauten Rückführungs- und Entmagnetisierschaltungen, der speziell dafür ausgelegt ist, induktive Lasten zu treiben, während die
Eingänge CMOS-kompatibel sind. Der
Diagnoseausgang des Bausteins liefert eine Anzeige bei offener Last und im Entmagnetisierungs-Modus.
Eingebaute
Überstrom-, Überspannungs- und Übertemperaturschaltungen schützen den
Baustein. Im Falle von Überstrom oder
Übertemperatur arbeitet dieser Baustein
für induktive Lasten automatisch im freilaufenden Rückführungs-Modus.
Mit
der
Multi-Chip-FunctionalPower-Technologie wird eine exzellente
elektrische Isolierung zwischen dem
Leistungselektronik- und SteuerungsChip erzielt. Der thermische Einfluss der
Leistungselektronik auf den Ansteuerchip wird vermindert, wodurch sich die
Robustheit und Zuverlässigkeit in rauer
Umgebung. Bei einer Multi-Chip-SmartPower-Technologie ist es sinnvoll, die effizientesten Leistungselektronikhalbleiter für die Smart-Power-Funktionen zu
verwenden, die die jeweilige Leiterplattenfläche erlaubt. Dabei können MOSFETs mit geringstem RDS(on) zum Einsatz
kommen, um möglichst niedrige Leistungsverluste zu erzielen.
Flexibilität eingebaut
Fast alle Elektronik-Designs für Automobile sind irgendwie kundenspezifisch,
wobei die Systementwickler jedoch unter
dem ständigen Druck stehen, die für ein
Design nötige Zeitspanne zu verkürzen.
Traditionelle monolithische „SmartPower“-Technologien haben komplizierte
Fertigungsverfahren, die den Zeitaufwand und die Flexibilität bei der Entwicklung neuer Systeme erhöhen bzw.
verringern. Da bei einer monolithisch
integrierten Lösung sowohl die Leistungselektronik als auch die Signalverarbeitung in der selben Prozesstechnologie gefertigt werden, sind iterative
Entwicklungen teuer und langsam.
Mit einer Multi-Chip-SmartpowerTechnologie kann die Entwicklung des
Leistungselektronik- und Signalverarbeitungs-Chips parallel erfolgen. Dies ermöglicht eine schnellere Entwicklung
neuer Produkte, die auf die Kundenapplikation hin optimiert sind.
Diese Darstellung
zeigt einen von zwei
identischen Kanälen
des Power-Bausteins
Leistungsfähigkeit
Produkte mit geringerem RDS(on) sind nötig, um die Verlustleistung zu vermindern. Ein niedriger RDS(on) bedeutet weniger Spannungsabfall im Schalter, um bei
einem vorgegebenen Strom zu messen.
Jegliches Rauschen in der Messmethode
erschwert akkurate Messungen. Das Absenken des Rauschens sowie das exakte
Fühlen der Lastbedingungen sind wichtige Voraussetzungen bei der Entwicklung
von Elektronikmodulen für Automobile.
Multi-Chip-Smartpower-Bausteine
erlauben genauere Messungen von kleinen Spannungsabfällen und geringen
Strömen. Mit der Multi-Chip-Smartpower-Technologie wird eine exzellente
Isolierung zwischen dem Leistungs- und
dem Ansteuer-Chip erreicht. Diese Isolierung verbessert die Robustheit und Zuverlässigkeit des Produkts besonders in
rauen Umgebungsbedingungen. Künftige Produkte, die auf der FDMS2380Technologie basieren, können den Vorteil
der kontinuierlichen Verbesserung des
Leistungsverbrauchs der MOSFET-Technik nutzen.
Zusammenfassung
Halbleiter für den Leistungsstrang im Auto müssen in einer der härtesten physikalischen und elektrischen Umgebungen
arbeiten, die in Großserien gefertigt werden. Hierfür sind Produkte notwendig,
die weniger Verlustleistung, höhere
Flexibilität und die Fähigkeit besitzen,
sowohl kleine Signale als auch hohe Leistungen zu verarbeiten. Diese Lösungen
müssen zudem auch noch preisgünstig
sein. Durch den kombinierten Einsatz
von innovativer Gehäusetechnik und
unterschiedlichen Halbleiter-Fertigungsprozessen, die für spezifische Funktionen
wie das Verarbeiten der Leistung oder
von Signalen entwickelt sind, ermöglichen neue Lösungen preisgünstigere,
effizientere und zuverlässigere Powertrain-Systeme.
Der FDMS2380 vereint Leistungshalbleiter,
BiCMOS-Steuerelektronik
sowie entsprechende Gehäusetechnik
für Leistungshalbleiter und stellt so eine
komplexe „Functional-Power“-Lösung
dar, die höhere Leistung bei geringeren
Verlusten zur Verfügung stellt, um damit
die Herausforderungen bei Automobilelektronik-Entwicklungen zu meistern.
Gary Wagner arbeitet bei Fairchild
Semiconductor
infoDIRECT www.all-electronics.de
Link zu Fairchild:
46
337AELeS08
BAUELEMENTE
Alle Grafiken: Freescale
Bild 1: Bei StackedDies sind befinden sich
mehrere Chips übereinander
in einem Gehäuse – beispielsweise
ein HARMEMS-Sensor swoeie ein Chip zur
Sensor-Auswertung und Kommunikation
Sensoren für die
passive Sicherheit
Der Markttrend geht klar zur Synthese von passiven und aktiven Sicherheitssystemen. Bestimmte
MEMS-SENSOR- UND GEHÄUSE-KONZEPTE ermöglichen es, die Systeme zu akzeptablen Preisen zu
fertigen, um so letztendlich den Weg zu Mehrachsenkomponenten mit mehreren verschiedenen
Sensorelementen zu ebnen, die unterschiedliche g-Bereiche abdecken können.
E
ines der gebräuchlichsten Verfahren zur Erfassung von Beschleunigungen besteht darin, die Auslenkung einer beweglichen seismischen
Masse durch die Messung von Kapazitätsänderungen zu bestimmen. Alle von
Freescale angebotenen Beschleunigungs-sensoren basieren auf einer Multichip-Architektur, die aus einem in einer
Oberflächen-Mikromachining-Technologie hergestellten kapazitiven Sensorelement und einem ASIC für die Signalaufbereitung (Wandlung, Verstärkung
und Filterung) besteht.
Trennt man das MEMS-Element vom
Steuer-IC und packt dann zwei Chips in
ein Plastikgehäuse, so ergeben sich dadurch signifikante Vorteile, denn so können Technologien genutzt werden, die
sich in punkto Prozessverfahren und Entwicklungszyklen nicht gerade „freundlich“ zueinander verhalten. Die meisten
Produktionsstückzahlen basieren heutzutage auf einem Sensorelement aus Polysilizium mit 3 μm Höhe und einem
konventionellen 1,2-μm-CMOS-ASIC.
In sicherheitsrelevanten Projekten ist
es äußerst wichtig, dass der Beschleunigungssensor kurze Reaktionszeiten auf-
weist. Die Entscheidung, die Airbags auszulösen, muss in Windeseile fallen, und
daher muss der Beschleunigungssensor
praktisch verzögerungsfrei reagieren.
Durch die Nutzung eines Messaufnehmerkonzepts, das anstatt zu schwingen,
rasch in einem stabilen Zustand verharrt,
lassen sich die Reaktionszeiten des Bausteins verbessern.
Darüber hinaus reagiert ein Beschleunigungssensor per Definition äußerst
sensitiv auf Beschleunigungen aller Art.
Der Airbag-Algorithmus aber darf bei der
Auswertung der vom Sensor übermittelten Daten nur auf die für einen Unfall typische Crash-Signatur reagieren. Deshalb
werden parasitäre Hochfrequenzanteile
im Ausgangssignal mit Hilfe eines elektronischen Tiefpasses (400 Hz) unterdrückt. Ein Sensor, der störende Beschleunigungskomponenten mit hoher
Frequenz direkt am Sensorelement eliminieren kann, ist hier deutlich im Vorteil.
Um die oben beschriebenen Leistungsdaten weiter zu verbessern, hat man eine
neue Aufnehmertechnologie mit dickerer Strukturlage entwickelt (Bild 2), das
eine Reaktion mit überkritischer mecha-
nischer Dämpfung ermöglicht – und zwar
bei verbessertem Störabstand und höherer Immunität gegen prozess- und betriebsbedingte Reibungseffekte.
ASIC und Gehäusetechnologie
Weitere Verbesserungen ergeben sich
durch neuartige Steuer-ICs und Gehäusetechnologien. Durch die Logikdichte von
etwa 25.000 Gatter/mm2 können komplexe State-Machines oder DSPs integriert
werden, deren Parameter sich entsprechend abstimmen lassen. Auch die für die
Bild 2: Bei HARMEMS (High Aspect Ratio
MEMS) ist die Höhe der beweglichen Struktur
sehr viel größer als deren Breite und die verbleibenden Zwischenräume; es geht dabei
um das Verhältnis zwischen Luftspalt und
Ätztiefe.
47
BAUELEMENTE
Kommunikation (Manchester- oder DSIbasierte Protokolle) benötigten physikalischen Verbindungen zwischen Sensoren
und Haupt-ECU lassen sich damit integrieren.
Daneben stellt die Gehäusetechnologie
für die MEMS-Struktur einen kritischen
Faktor dar, denn sie beeinflusst letztlich
direkt die Eigenschaften des Produkts
(mechanische Beanspruchung, Stoßübertragung usw.) sowie dessen Zuverlässigkeit und Kosten.
Für die heute in Produktion befindliche
Bausteingeneration werden die Chips nebeneinander montiert. Neue Beschleunigungssensoren aber könnten von einer
Anordnung profitieren, bei der die Chips
übereinander angeordnet werden ('Stacked-Die'-Konzept, Bild 1). Die Vorteile
einer solchen Konfiguration liegen im insgesamt kleineren Volumen des Gehäuses
(6 x 6 x 1,98 mm3) sowie kürzeren Laufzeiten in der Fertigung, da weniger Prozessschritte benötigt werden.
Neue Produkte
Auf solchen Technologien basierende Beschleunigungssensoren befinden sich bereits in der Entwicklung. Damit lässt sich
das ganze Produktspektrum für den Einsatz in Airbags abdecken: Von Trägheitssensoren mit ein oder zwei Achsen für die
Haupt-ECU bis hin zu voll integrierten,
dezentral angeordneten Sensoren (Satelliten) für die Erkennung eines Seitenaufpralls.
Beispielsweise wurden im Rahmen der
MMA62xxEG-Familie für einen neuen
Zweifach-XY-Sensor für das AirbagHauptsteuergerät ein HARMEMS-Sensorelement und ein ASIC in einem Plastikgehäuse kombiniert. Eine voll digitale Signalaufbereitung wird mit Hilfe eines
16-bit-Sigma-Delta-Wandlers als Schnittstelle zwischen dem Sensorelement und
dem DSP-Block realisiert.
Dank der zur Verfügung stehenden Rechenleistung können neue Funktionen
wie Programmierbarkeit und eine Selbstdiagnosefunktion hinzugefügt werden,
die während des Betriebs periodisch aktiviert werden kann. Das überkritisch gedämpfte Sensorelement gewährleistet
während eines Aufpralls ein Maximum an
Immunität gegen hochfrequente Signalanteile, und im ASIC realisierte Funktionen zur Messbereichsbegrenzung sorgen
für ein lineares Verhalten sowie die Vermeidung einer Übersteuerung. Neben
dem Analogausgang (3,3 V bzw. 5 V) steht
darüber hinaus auch eine SPI-Schnittstelle zur Verfügung.
Integrierte Einachsen-Satelliten-Sensoren (überkritisch gedämpfte 100-g- und
250-g- X- bzw. Z-Sensorelemente) sind
ein weiteres Beispiel für den Entwicklungsfortschritt. Zusammen mit physikalischen Schnittstellen für die entsprechenden Protokolle (sowohl DSI/DBUS als
auch künftig PSI5) kommen hier ASICBlöcke zum Einsatz, um die Kommunikation zwischen dem Sensor und dem eigentlichen Airbag-Modul (MMA82xxEG
für die DSI-Familie) zu ermöglichen.
DSI/DBUS hat sich als produktionsreife
Lösung bewährt, die mit einem funktionsreichen, flexiblen und fehlertoleranten
Protokoll aufwartet. PSI5 ist ein neuer offener Standard, der aus den heute eingesetzten synchronen Protokollen mit Manchester-Codierung weiterentwickelt wurde. Er wird 2010 in Produktion gehen.
In Zukunft werden dann auch Mehrachsenkomponenten mit mehreren verschiedenen Sensorelementen benötigt,
die unterschiedliche g-Bereiche abdecken
können.
Matthieu Reze arbeitet im Automotive Sensors Marketing bei der
Freescale Halbleiter Deutschland
GmbH
infoDIRECT
327AELeS08
Link zu Freescale:
Mikromechanischer Kombisensor zur Fahrdynamikregelung
SensorDynamics stellt mit dem SD755 „den
ersten mikromechanischen Kombisensor
für den Automobilbereich vor, der Drehraten- und Beschleunigungssensor in einem
Gehäuse integriert“. Beide Sensoren senden über eine gemeinsame SPI-Schnittstelle ein einheitliches Signal.
Das Unternehmen setzt damit den Trend zu
integrierten Sensoren um, die eine durchgehende Ausfallsicherheit auf Ebene des
Sensorchips wie auf Modulebene garantieren und nach AEC-Q100 qualifiziert sind. Die
Reduktion der Bauteilanzahl führt außerdem zu weniger Materialkosten. Der SD755
ist ideal geeignet für Anwendungen der
Fahrdynamikregelung der Automobilindustrie, bei der die tatsächliche Drehung des
Fahrzeugs mit dem Lenkeinschlagwinkel
verglichen und bei einer Abweichung durch
ein gezieltes Abbremsen einzelner Räder
ein Schleudern verhindert wird.
Aufgrund der hohen Ausfallsicherheit eignet sich der SD755 für alle sicherheitsrelevanten Anwendungen im Fahrzeug und in
der Industrie. Neben dem Schaltkreis für die
Messung selbst ist eine spezielle Überwachung für die beiden Sensorelemente so-
48
wie die analogen und digitalen Blöcke integriert, die sofort Alarm schlägt, sobald ein
Parameter nicht mehr in genau definierten
Grenzen liegt. Um die durchgängige Ausfallsicherheit zu garantieren, werden insgesamt mehr als 40 Parameter überwacht. Ein
Ausfall des Kombisensors wird dem übergeordneten Mikrocontroller per fest verdrahteter Leitung sowie zusätzlich per SPISchnittstelle gemeldet. Die SPI-Schnittstelle ermöglicht ferner eine detaillierte Diagnose, welcher Sensor aus welchem Grund
ausgefallen ist. Weiter ist es möglich, dass
der SD755 per SPI einen Ausfall des Mikrocontrollers überwacht und gegebenenfalls
für die Abschaltung des gesamten Moduls
sorgt. Der mikromechanische Drehratensensor erreicht auf Grund dieses Designs
SIL-Level 2 auf der Komponentenebene und
auf Systemebene SIL Level 3.
Durch den weiten Arbeitstemperaturbereich von –40 bis +125 Grad Celsius ist der
SD755 sowohl im Passagierraum als auch im
Motorraum eines Fahrzeugs einsetzbar. Der
Drehratensensor im SD755 verfügt über
zwei kalibrierte Messbereiche von +/-100
°/s und +/-300 °/s. Bei Bedarf sind beliebige
Messbereiche zwischen +/-10 °/s FS und
+/-50 0°/s FS realisierbar. Die Messwerte
beider Bereiche stehen am SPI-Interface simultan zur Verfügung. Der Beschleunigungssensor hat zwei kalibrierte simultane
Messbereiche von +/-2 g und +/-5 g. Hier
sind Messbereiche zwischen +/-1,5 g FS und
+/-50 g FS realisierbar Die Erholzeit nach einem Schock von 50 g beträgt 5 ms.
infoDIRECT
Link zu SensorDynamics:
373AELeS08
NEUE PRODUKTE
Anzeigen, Erstellen und Editieren von FIBEX-Dateien
Mit dem FIBEX Explorer pro bietet Vector Informatik einen Editor für das Field Bus Exchange Format (FIBEX) an. Damit erhalten
FlexRay-Entwickler ein schnelles sowie detailliertes Verständnis der Daten und ihrer
Zusammenhänge. Spezifische Kenntnisse
des XML-basierten Dateiformats werden
nicht benötigt. Auch das gezielte Erweitern
bestehender FIBEX-Dateien um zusätzliche
Entwicklungs-Frames oder Parameteränderungen für Systemtests sind damit realisierbar. Das Werkzeug arbeitet direkt auf dem FIBEX-Datenmodell und ermöglicht das – wie
im Standard geforderte – verlustfreie Bearbeiten der Daten. Zudem profitieren die Anwender davon, dass der Editor OEM-spezifische Erweiterungen der ASAM-standardisierten FIBEX-Versionen visualisiert.
Der Editor bietet FlexRay-Entwicklern je nach
Vorhaben diverse Ansichtsfenster: So lassen
sich zum Beispiel Sendeund Empfangsbeziehungen
von Frames oder Signalen
darstellen und deren Eigenschaften direkt bearbeiten.
Wird ein Frame selektiert,
zeigt eine entsprechende
Ansicht den Sender, den
Empfänger oder schedulespezifische Informationen.
Die Schedules selbst werden
grafisch angezeigt, wobei
Ansichts- und Filteroptionen
hier Schedule-Analysen erleichtern. Auch das Editieren der FlexRay-Parameter von Clustern oder Steuergeräten ist
möglich. Alle Daten lassen sich zusätzlich als
aufbereitete XML-Rohdaten darstellen. Der
Anwender navigiert mit Hyperlinks über die
XML-Referenzen und wird dabei auf wichtige
herstellerspezifische Informationen hingewiesen.
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Link zu Vector Informatik: 361AELeS08
Keramikchipkondensatoren ohne MicroCracks
Keramikchipkondensatoren können auf
Grund Ihres spröden Keramikmaterials
durch mechanische oder thermische Belastung brechen. Das „Tükische“ bei diesen Micro-Cracks ist, dass dieser Fehler oftmals
nicht beim Endtest festgestellt werden
kann, sondern ein Ausfall erst sehr viel später auftritt, wenn mit der Zeit Feuchtigkeit
eindringt, die den Keramikchipkondensator
niederohmig macht, so dass es zum Kurzschluss kommen kann.
HolyStone hat zur Steigerung der Biegefestigkeit eine neue Anschlussterminierung
entwickelt, bei der unter den Anschlusselektroden eine zusätzliche flexible, Polymersil-
berlage eingebracht wird, die mechanischen Stress aufnehmen und absorbieren
kann. In Belastungstests zeigen die von RM
Components lieferbaren Bauelemente eine
deutlich verbesserte Biegefestigkeit, die
den Biegetest nach IEC600682–21 mit 5 mm
bis 7 mm überstehen, während der Standard bei 1 bis 2 mm liegt. Die flexible Polymerlage hilft nicht nur bei mechanischer
sondern auch bei thermischer Belastung, so
dass die SuperTermelektrode von Holystone
selbst nach 3.000 Zyklen keinerlei Ausfälle
zeigt. Holystone hat im asiatischen Markt
bereits mehr als 5 Milliarden Stück produziert. Die Norm TS16949 sowie die
AECQ200 sollen im kommenden Jahr bestätigt sein.
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Link zu RM Components:
363AELeS08
PXI-Modul ermöglicht JTAG/Boundary-Scan und dynamischen Funktionstest
Göpel electronic stellt mit PXI 5396-x eine
neue Serie von JTAG-Digital-I/O-Modulen
auf Basis des PXI–Bus vor. Die PXI5396-x bieten 96 individuell konfigurierbare Single-Ended-Kanäle und unterstützen sowohl den
strukturellen JTAG/Boundary-Scan-Test als
auch dynamische I/O-Operationen bis 100
MHz zur Ausführung von Funktionstests.
Es handelt sich hierbei um 1-Slot-Module
mit 3U, die sich durch die Tiefe des On-Board-Speichers von 72 MByte (PXI 5396) und
144 MByte (PXI 5396-XM) unterscheiden. Alle Module bieten 96 als Input, Output oder
Tri-State konfigurierbare Single-Ended-Kanäle, die auch simultanes Treiben und Messen sowie Echtzeitvergleich erlauben.
Während die Signale im JTAG-Mode vollsynchron zu Testbusoperationen verarbeitet
werden, ermöglicht der dynamische
I/O-Mode funktionale Testung mit frei programmierbaren Taktfrequenzen im Bereich
500 Hz bis zu 100 MHz. Dadurch können zunächst strukturelle Boundary-Scan-Tests
und anschließend Funktionstests mit dem
gleichen Gerät ausgeführt werden.
Zur Kopplung der Module mit kommerziellen Interface Test Adaptern (ITA) stehen
Standard-Kits z. B. für Virginia Panel Corporation optional zur Verfügung.
Auf der Softwareseite werden die PXI
5396-x durch die Integrierte JTAG Boundary
Scan Entwicklungsumgebung SYSTEM CASCON ab Version 4.4.1 vollständig unterstützt, wodurch der Anwender von zeitintensiven manuellen Aufbereitungen der
Projektdaten befreit wird. Die Ansteuerung
des Moduls selbst erfolgt über das standardisierte Vektorinterface HYSCAN, welches
das simultane Handling von seriellen und parallelen Vektoren ermöglicht. Nach
der Testausführung erfolgt im Fehlerfall
eine Fehlerdiagnose auf Pin- und Netzlevel.
infoDIRECT
Link zu Göpel:
364AELeS08
49
NEUE PRODUKTE
Batterie-Monitor für Hybridfahrzeuge
Kleben im Auto
Mit dem LTC6802 stellt Linear Technology
ein Batterie-Überwachungs-IC vor, das bis
zu 12 individuelle Batteriezellen überwachen kann, wobei mehrere dieser ICs ohne Optokoppler oder Isolatoren hintereinander geschaltet werden können. Dabei
lässt sich jede einzelne Lithium-Ionen-Zelle
binnen 13 ms individuell messen und überwachen selbst wenn die Gesamtspannung
des Batteriestapels übe 1000 V liegt. Der
Gesamt-Messfehler liegt dabei +85 °C im
Temperaturbereich von –40 bis unter 0,25%.
Jede Zelle wird außerdem auf Unter- und
Überspannung hin überwacht und mit einem zugeordneten MOSFET-Schalter lassen
sich überladene Zellen entladen. Der
LTC6802 kommuniziert über eine serielle
Lichthärtende bzw. UV-härtende Klebstoffe
von Delo kommen im Auto bevorzugt zur
Bauteilfixierung auf Leiterplatten, für das
Vergießen von Relais und für die Spulendrahtfixierung zum Einsatz. Ihre große Stärke
ist die Schnelligkeit und durch die direkte
Voraktivierbarkeit sogar die Verklebung
undurchstrahlbarer Fügeteile. Die Delo-Katiobond-Produkte härten binnen Sekunden
unter UV- oder sichtbarem Licht aus und
lassen sich gut in schnelle Inline-Prozesse
integrieren. Darüber hinaus hat Delo neue
Vergussmassen speziell für den Hochzuverlässigkeitsbereich entwickelt, wo elektronische Bauteile unter extremen Belastungen
stehen, beispielsweise bei Sensoren. Ein
Sensor zur Ölzustandsüberwachung in der
Ölwanne muss vor den Verhältnissen an der
Messstelle wie Temperatur, Druck und
aggressive Medien geschützt werden.
Säureanhydridvernetzende
Epoxidharze
wie Delo-Monopox GE720 widerstehen
hohen Temperaturen und aggressiven Medien: In umfangreichen Belastungstests erwiesen sich die mit Delo-Monopox GE720
vergossenen Sensoren nach Angaben von
Delo als „zuverlässig dicht“.
1-MHz-Schnittstelle und enthält Temperatursensor-Eingänge, Universal-I/O-Leitungen
sowie eine Präzisions-Spannungsreferenz.
infoDIRECT
Link zu Linear Technology: 370AELeS08
Exakte Zeit(versatz)messung von 1 μs bis 100 s
Das CNT-Scan-MiniModul von CSM bietet
nun zusätzlich die Möglichkeit, zeitlichen
Versatz zwischen Signalen benachbarter Kanäle zu messen. Der Messbereich umfasst –
wie bei der Periodenmessung – Werte zwischen 1 μs und 100 s. Eine wählbare Flanke eines Eingangs markiert den Beginn der Messung; eine wählbare Flanke des benachbar-
ten Eingangs zeigt das Ende der Messung an.
Damit lassen sich exakte Zeiten ausmessen,
um beispielsweise die Einspritzzeitpunkte in
einem Benchmark-Fahrzeug zu ermitteln.
infoDIRECT
377AELeS08
Link zu CSM:
infoDIRECT
Link zu DELO:
362AELeS08
Mini-GPS-Module
Mit der neuen Modul-Familie GN84, GH84
und GT84 GPS bietet Furuno eine komplette
32-Kanal-GPS-Lösung inklusive Mikrokontroller, ROM/RAM Speicher, TCXO und SAW
Filter auf kleiner Fläche an, wobei das GN84E
mit 11,35 x 16 x 1,9 mm3 das kleinste Modul ist.
Je nach Typ gibt es die von Hy-Line lieferbaren Module bereits eine integrierte Antenne, automatische Antennen-Umschaltung
von intern auf extern oder aber 1-PPS-Ausgang für Timing-Applikationen. Während die
Empfindlichkeit –160 dBm beträgt, liegt die
TTFF (Time to first fix) beim Hot-Start bei 2 s.
Alle Module von –30 bis +85 °C spezifiziert.
infoDIRECT
1-V-Boost-Treiber für
Power-LEDs
367AELeS08
Link zu Hy-Line:
Magnetisches Encoder-IC
Der magnetische Drehwinkelgeber AS5145
von austriamicrosystems ermöglicht die
Messung des Absolutwinkels mit einer Auflösung von 0,0879 Grad. Das 12-bit-EncoderIC, das speziell für Automobilanwendungen
entwickelt wurde, stellt die digitalen Winkelinformationen von 4096 verschiedenen
Positionen innerhalb einer vollen Drehung
über eine serielle Schnittstelle oder als
PWM-Signal zur Verfügung. Darüber hinaus
kann ein inkrementeller Quadratur-Ausgangsmodus mit einem verbesserten Interpolationsalgorithmus aktiviert und mit einer Auflösung von 10 bis 12 bit permanent
programmiert werden. Neben den Standardfunktionen der Encoder-Produktfami-
50
lie (benutzerdefinierbare Null-Position-Programmierung, Chip-ID und Diagnosefunktionen für die korrekte Positionierung des
Magnets) bietet der AS5145 eine spezielle
Funktion zur Synchronisierung externer
Elektronik mit dem Baustein sowie einen digitalen Sinus/Cosinus-Ausgangsmodus. Bei
Aktivierung dieses Modus werden die digitalen 16-bit-Sinus- und -Cosinus-Daten beider Kanäle abgeschaltet, so dass extern eine
exakte Berechnung durchgeführt werden
kann.
Auf der electronica zeigt Prema erstmals
den Boost-Treiber PR4404, der aus nur einer
Batteriezelle bis zu 150 mA und aus zwei
Batteriezellen mehr als 300 mA für bis zu
drei Power-LEDs zur Verfügung stellen
kann. Ein Hold-Eingang dient zur Einstellung der LED-Helligkeit per PWM-Signal, zur
Realisierung einer Blinkfunktion oder zum
Schalten der LED über einen Mikrocontroller.
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Link zu austriamicrosystems:
365AELeS08
Link zu Prema:
369AELeS08
NEUE PRODUKTE
Mikrocontroller-Serie für Sicherheitsanwendungen im Auto
Infineon Technologies hat die neue Mikrocontroller-Serie XC2300A für den Einsatz in
Sicherheitsanwendungen wie Airbag und
EPS im Auto entwickelt. In Ergänzung zur
2007 vorgestellten XC2300-Familie bieten
sie erweiterte Sicherheitsmerkmale und
helfen, einen fehlerfreien Betrieb des elektronischen Steuergerätes zu unterstützen,
indem sie unerwünschtes Systemverhalten
anzeigen oder gar vermeiden. Der Einsatz
der XC2300A-Produkte erleichtert es Systemherstellern, die höchste Sicherheitsstufe ASIL D gemäß dem neuen Automobilstandard ISO 26262 (CD) zu erreichen.
So verfügen die XC2300A-MCUs über eine
erweitere Memory Protection Unit (MPU),
die spezifizierte Speicherbereiche gegen
unberechtigtes Auslesen, Überschreiben
oder sonstige Befehlszugriffe sichern hilft.
Um die Systemsicherheit weiter zu erhöhen, bietet Infineon einen Hardware-ECC
(Error Correction Code) für Daten und Befehle in allen Speichern. Zudem können die
A/D-Wandler defekte Verbindungen zwischen dem Mikrocontroller und dem Sensor
aufspüren.
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375AELeS08
Link zu Infineon:
Dual-Core-Prozessor für Navigationsgeräte etc.
Renesas hat unter der Bezeichung SH7786 einen neuen Dual-Core-Prozessor für hoch
leistungsfähige Multimedia-Geräte, wie z. B.
Auto-Navigationssysteme vorgestellt. Der
Baustein erreicht bis zu 1.920 MIPS (960 MIPS
x 2 bei einem Betrieb mit 533 MHz) und eine
Bandbreite für Datentransfers von 4,27 GByte/s. Dieser neue 65-nm-Prozessor unterstützt DDR3-SDRAM mit einer Betriebsspannung von 1,5 V. Als Entwicklungsumgebung
für den SH7786 ist eine angepasste Version
des On-Chip-Debugging-Emulators E10A-USB
mit Multi-Core-Support erhältlich. Der neue
SH7786 wird umfassend unterstützt vom
Echtzeit-Betriebssystem QNX Neutrino und
der Development-Suite QNX Momentics.
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Link zu Renesas:
TTTech Automotive bringt eine neue Version von TTXConnexion auf den Markt: Es
fungiert als Gateway zwischen FlexRayund CAN-Netzwerken und bietet Funktionen zur Datenmanipulation, zur Datenanalyse und -aufzeichnung im Testlabor
und in der Fahrzeugerprobung. Die neue
Version von TTXConnexion bietet konfigurierbare integrierte Abschlusswiderstände
für alle am Gerät vorhandenen FlexRayund CAN-Busse, welche sich über die Folientastatur zu oder wegschalten lassen.
Damit ist ein zusätzlicher externer Busabschluss nicht mehr notwendig. Im Rahmen des optimierten Trigger-Konzepts
werden die konfigurierten Trigger direkt
im Konfigurationstool angezeigt. Dies erleichtert es dem Anwender, das gewünschte Verhalten einzustellen.
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Link zu TTTech:
371AELeS08
374AELeS08
Konfigurationssoftware für
Mikrocontroller
Transceiver für LIN 2.0/2.1 beziehungsweise SAE-J 2602
Mit den Typen MCP2021 und MCP2022
(MCP202X) stellt Microchip zwei neue
Transceiver für die LIN/SAE-J2602-Spezifikation vor. Sie erfüllen die Anforderungen
nach LIN/J2602 für Drittanbieter sowie
OEMs, sind AEC-Q100-zertifizeirt und entsprechen den strengen Ansprüchen für Hersteller von Kfz-Elektronik weltweit. Die
Transceiver besitzen eigene Spannungsregler und sind konform mit den LINBus-2.0/2.1– und SAE-J2602-Standards als
auch mit den Vorgängerstandards LIN 1.X.
Die MCP202X-Transceiver sind mit integrierten Spannungsregler und arbeiten mit
niedriger Störstrahlung, so dass auf eine gesonderte externe Abschirmung verzichtet
werden kann, was auch für störempfindliche Systeme von besonderer Bedeutung ist.
Mit ihrer Stromaufnahme von 115 μA im Betrieb und 16 μA in Bereitschaft eignen sich
die neuen Transceiver auch für Anwendungen, die bei ausgeschalteter Zündung arbei-
Gateway-Werkzeug für CAN
und FlexRay
ten. Für den Einstieg stehen dem Entwickler
drei Entwicklungswerkzeuge zur Verfügung: das Demo-Board PICDEM CAN-LIN
3 (DM163015), die Tochterplatine ECAN/LIN
PICtail Plus (AC164130) und der LIN Serial
Analyser (APGDT001).
Mit Applilet2 hat NEC Electronics Europe eine neue Baustein-Konfigurationssoftware
angekündigt, bei der über eine grafische Benutzerschnittstelle zur Konfigurierung
sämtlicher Leistungsmerkmale und Peripherieeinheiten der von NEC verfügbaren
Mikrocontroller dient. Das kostenlose Software-Tool ermöglicht es, über einfache Dialogfenster und Menüs in wenigen Minuten
den Code für die Peripherietreiber und das
Steuerprogramm zu entwickeln. Applilet2
gibt es für die jüngste Generation der 78K0
8-bit-Mikrocontroller, für die 78K0R 16-bitMikrocontroller und für die V850 Serie.
Komplette Beispielprojekte stehen mit Applilet2 zur Verfügung, wenn es in Verbindung mit einer Zielsystemkarte von NEC
Electronics eingesetzt wird.
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Link zu Microchip:
376AELeS08
Link zu NEC:
379AELeS08
51
SIMULATION + TEST
Offboard, aber
ODX-konform
Der EINSATZ STANDARDBASIERTER MCD-KOMPONENTEN in der Technikschicht der Software-Architektur einer Offboard-Applikation vereinfacht die Entwicklung und erlaubt die Konzentration auf
individuelle fachliche Abläufe. Die konsequente Trennung zwischen Fachlichkeit und Technik sowie
die Kapselung der generischen MCD-Schnittstelle führen zu einem System, das sehr flexibel in Bezug auf Änderungen in der Fachlichkeit und daher einfach wartbar ist, zumal im Rahmen von MCD
auch die Verarbeitung der ODX-Daten definiert ist.
I
m ASAM-Standardisierungskonsortium arbeiten Automobilhersteller, Zulieferer und Toolhersteller bei der Spezifikation der MCD-Standards (Measurement, Calibration, Diagnosis) zusammen, um Datenmodelle (MCD-2D) und
Systemschnittstellen (MCD-3D) plattformunabhängig und wettbewerbsneutral zu definieren.
Der ODX-Standard (Open Diagnostic
Data Exchange MCD-2D, ISO 22901–1)
spezifiziert ein Datenmodell für Diagnosedaten. Es beschreibt die Kommunikationseigenschaften von Steuergeräten und
dient damit zur Spezifikation der Offboard-Diagnoseschnittstelle von Steuergeräten im Fahrzeug. Das standardisierte
Datenformat erleichtert die Zusammenarbeit zwischen Autoherstellern und Zulieferern genauso wie herstellerübergreifende Entwicklungspartnerschaften. Zusätzlich kann ODX das einheitliche Daten-Backbone sein, auf dem DiagnoseInformationen aus der Entwicklung in
52
die Produktion und den Service weitergeleitet und dort wieder verwendet werden.
Der MCD-3D Standard (ISO 22900–3)
definiert, wie die ODX-Daten standardkonform verarbeitet werden und bietet
Basisfunktionen zur Durchführung von
Diagnose und Fahrzeugprogrammierung. Mehrere Produkthersteller bieten
bereits D-Server an, die MCD-3D als APISchnittstelle implementieren. Beim Design einer Offboard-Applikation, wie sie
in der Produktion am Band oder in Service-Werkstätten eingesetzt wird, sind
ODX-Daten und D-Server an definierten
Stellen in die Architektur einzubetten,
um die Vorteile der Standards voll auszuschöpfen.
Trennung in A- und T-Architektur
Zentrales Prinzip einer Qualitäts-Software-Architektur (Quasar) ist die Trennung von Fachlichkeit und Technik. Die
Fachlichkeit wird in der Anwendungs-
architektur (A-Architektur) abgebildet.
Die Komponenten der A-Architektur
enthalten individuelle, fachliche Abläufe
wie zum Beispiel für Diagnose, Fahrzeugprogrammierung, Variantencodierung
und Software-Freischaltung.
Da diese Abläufe die Grundlage für die
Wettbewerbsdifferenzierung bilden, entziehen sie sich einer Standardisierung.
Der ODX-Standard bietet daher nur
Strukturierungselemente für die fachlichen Abläufe an, die als ODX-Jobs bezeichnet werden.
Aspekte der Fahrzeugkommunikation
hingegen gehören zur Technikarchitektur (T-Architektur). Die T-Komponenten
kapseln die Protokollverarbeitung, die
Einbindung von Hardware-InterfaceTreiber und die Verarbeitung der ODXDaten. Im Gegensatz zu den A-Komponenten eignen sich die T-Komponenten sehr gut zur Standardisierung. Ein
D-Server bildet den Kern der T-Architektur einer Offboard-Applikation und er-
SIMULATION + TEST
leichtert dem Entwickler die technisch
komplexe Kommunikation mit dem
Fahrzeug. Dies spart Entwicklungskosten
und erlaubt die Fokussierung auf die
fachlichen Abläufe.
Strukturierung des Anwendungskerns
Eine Offboard-Applikation kommuniziert mit Steuergeräten über DiagnoseServices. Diese sind im KWP2000– oder
UDS-Protokoll definiert und werden
steuergerätespezifisch in den ODX-Daten
konfiguriert. Ein ODX-Job enthält einen
einzelnen Ablauf, bei dem mehrmals mit
Steuergeräten kommuniziert wird. Die
Implementierungssprache für Jobs ist Java.
Die Interfaces von Diagnose-Services
und Jobs mit ihren Ein- und Ausgabeparametern sind vollständig im objektorientierten Datenmodell des ODX-Standards beschrieben. Diagnose-Services
und Jobs können über die MCD3D-Schnittstelle mit identischen Methoden aufgerufen werden. Dadurch ergibt
sich die Gefahr, echte Steuergerätefunktionalität (T) und fachliche Strukturierungselemente (A) zu vermischen. Zur
konsequenten Einhaltung der A/T-Trennung ist es entscheidend, den Anwendungskern ausschließlich gegen die JobInterfaces zu implementieren, wohingegen der Zugriff auf Diagnoseservices
strikt innerhalb von Jobs erfolgen muss.
Im Anwendungsdesign erfolgt die Abbildung von fachlichen Abläufen auf
ODX-Jobs. Allgemein gilt, dass ein Ablauf
zuerst in logische, in sich abgeschlossene
Schritte untergliedert werden muss. Für
jeden Schritt wird ein entsprechender
Job erstellt. Der Anwendungskern enthält die Ablaufsteuerung, die die Jobs in
der korrekten Reihenfolge aufruft und
die Ergebnisse weiterverarbeitet.
Flexible A-Architektur durch Job-Wrapper
Ein Anwendungsentwickler kann gemäß Bild 1 über das Interface „ReadTimingJob“ einen ODX-Job zum Auslesen
von Timing-Werten ausführen und auf
die Ausgabeparameter zugreifen, ohne
mit der MCD-3D-Schnittstelle in Berührung zu kommen. Zusätzlich wird außerhalb der Klasse kein Wissen über konkrete String-Schlüssel und ODX-Typen benötigt. Des Weiteren lässt sich der Anwendungskern bereits in einer frühen
Entwicklungsphase mit Hilfe einer Dummy-Implementierung der Job-Wrapper
ohne D-Server und ODX-Daten testen.
ODX-Daten und Jobs sind nicht Teil
des Anwendungskerns, sondern sie stellen den Datenstand der Steuergeräte eines Fahrzeugs dar, mit dem die OffboardApplikation arbeitet. Im ODX-Standard
ist die Struktur eines speziellen komprimierten Archivs mit Inhaltsverzeichnis
(Packed ODX = PDX) definiert, in dem die
Daten zusammengefasst werden können.
Für die Job-Wrapper der Transformationsschicht gilt, dass die Implementierungen zusammen mit den ODX-Daten in
dasselbe Archiv gepackt werden; die Interfaces im Anwendungskern (Bild 2).
Flexibilität der Architektur
Lose Kopplung
Die Jobs sind an den Anwendungskern
lose über die MCD-3D-Schnittstelle gekoppelt, die sehr generisch gehalten ist.
Um etwa die Rückgabewerte eines Jobs
auszulesen, muss der Anwendungsentwickler die konkrete Parameterstruktur
aus den ODX-Daten kennen und ein vertieftes Verständnis der MCD-3D-Schnittstelle besitzen.
Um diese Hürde zu überwinden, ist eine Transformationsschicht erforderlich,
die die generischen Objekte des MCDDatenmodells auf die Objekte des individuellen, fachlichen Datenmodells abbildet. Die technische Umsetzung erfolgt
mit Hilfe von Job-Wrappern, bei denen
Interface und Implementierung strikt getrennt sind.
Solange die Implementierung der JobWrapper kompatibel zum Interface ist,
kann der Datenstand flexibel ausgetauscht werden. Ist eine Anpassung eines fachlichen Ablaufs notwendig, weil
ein Steuergerät in der Nachbereitungsphase ein zusätzliches Reset-Kommando
benötigt, so kann der Entwickler einfach
den zugehörigen Job anpassen.
ODX erlaubt es, Jobs steuergerätespezifisch zu überladen. Steuergerät A kann
dadurch eine andere Nachbereitungsphase als Steuergerät B zugewiesen werden, ohne dass der Anwendungskern davon betroffen ist. Auch von Änderungen
innerhalb der ODX-Daten, die keinen
Einfluss auf das nach außen sichtbare Interface haben, bleibt der Anwendungskern unbeeinflusst. Im Beispiel kann bei
Änderung des Typs oder des Schlüssels
der Reset-Zeit die Implementierung des
Job-Wrappers angepasst und als neuer
Datenstand verteilt werden.
Die Transformationsschicht bietet
auch bei Interface-Änderungen Vorteile.
Der D-Server kann die Typkorrektheit
der Parameter der Job-Aufrufe nur zur
Laufzeit bei der Auswertung der ODXDaten prüfen. Inkompatibilitäten werden hier somit zu spät aufgedeckt. Passt
hingegen die Implementierung der
Transformationsschicht nicht mehr zum
Interface, so können herkömmliche
Compiler den Fehler bereits zur Entwicklungszeit feststellen.
Transformationsschicht
Die manuelle Implementierung der
Transformationsschicht ist aufwändig.
Des Weiteren sind manuelle Anpassungen nötig, sobald sich die ODX-Daten ändern. Vor allem in frühen Phasen der
Fahrzeug-Entwicklung ist es nur mit hohem Aufwand möglich, Job-Wrapper
und ODX-Daten synchron zu halten.
Dieser Aufwand reduziert sich stark,
wenn die Transformationsschicht automatisch generiert und aktualisiert wird.
Hierzu definieren ODX-Datenentwickler und Anwendungsentwickler in
Zusammenarbeit eine abstrakte Zuordnung zwischen den Datenobjekten in
ODX und Java, wie sie beispielhaft in Abbildung 3 gezeigt ist. Der ODX-Anteil
stellt dabei eine zusätzliche Sicht auf die
ODX-Daten dar, die automatisch abgeleitet werden kann. Aus der vollständigen
Zuordnungsliste kann ein Generator
dann Interfaces und Implementierung
der Job-Wrapper erzeugen.
Das Format der Zuordnung und der
Generator eignen sich sehr gut zur Standardisierung. Der Generator kann genau
wie der D-Server als externes Produkt in
den Entwicklungsprozess einer Offboard-Applikation eingebunden werden.
Die beschriebene Architektur erweitert konsequent den Standardisierungsgedanken, indem sie eine standardisierbare, höherstufige Anbindung zwischen
fachlichen und technischen Komponenten über die generischen Grundelemente
ODX und MCD-3D anbietet.
Dr. Reinhard Hallermayer ist IT-Projektleiter
im Umfeld Elektrik/Elektronik bei der BMW
Group.
Christian Müller arbeitet als Softwareingenieur bei der SD&M AG.
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Link zu sd&m:
333AELeS08
53
SIMULATION + TEST
Wechsel von CAN zu FlexRay
AUTOMOBIL-ELEKTRONIK beschreibt, wie ein vorhandenes CAN-basiertes System vermessen,
modelliert und simuliert wird. Im Modell wird die geplante Änderung auf FlexRay vorgenommen
und so frühzeitig verfügbar gemacht. Das ZUSAMMENSPIEL DER ECHTZEITSYSTEME (Steuergerät
asynchron zum FlexRay) wird IM ECHTZEITSIMULATOR dargestellt. Mittels Sensitivitätsanalysen
können die kritischen Systemzustände ermittelt werden.
S
teuergeräte mit CAN-Bus-Kommunikation sind Standard geworden. Mit ständig steigender Funktionalität und Variantenanzahl bietet die
Steuergeräte-Entwicklung
durchaus
noch Herausforderungen. Insbesondere
die Performance des Gesamtsystems sowie die Bus- und CPU-Last lassen sich
nur schwer bis ins letzte Detail durchplanen.
Werkzeuge, die sowohl in einer frühen Architekturphase als auch spät,
wenn es langsam knapp wird, die schnelle Analyse von Design-Varianten erlauben, sind rar. Mit Hilfe der Echtzeitmodellierung können die dynamischen Abläufe in den Steuergeräten beschrieben
und in der Echtzeitsimulation effektiv
analysiert werden. Auch eine Umstellung von CAN auf FlexRay lässt sich mit
der Echtzeitsimulation deutlich besser
beherrschen.
Für die Ausgangssituation soll als Beispiel ein Serienprojekt dienen, bei dem
die B-Muster-Phase bereits abgeschlossen ist. Da mehrere neu entwickelte Soft-
Priorität
TaskName
Zeit
= Task ist aktiv
ISR1
hoch
0.5ms
2.0ms
nieder
10ms
TaskAktivierung
TraceStartpunkt
Task-Ausführungszeit
oder Netto-Laufzeit
TraceEndpunkt
Die schematische Darstellung eines Task-Gefüges verdeutlicht, wie Tasks niedriger Priorität
blockiert und verdrängt werden, so dass die Brutto-Ausführungszeit wesentlich länger als die
reine Rechenzeit ist.
Zuerst messen
Den Anfang macht eine Aufzeichnung
wesentlicher Ereignisse im Ablauf der
Software als Trace (Messspur) im Speicher
des Steuergeräts. Durch Einfügen entsprechender Befehle im Source-Code werden
die Start- und Endzeitpunkte der Ausführung von Tasks und ISR (Interrupt Service
Routinen) ermitLeider ist diese
Was zu einer Verdrängung oder einer Unter- telt.
Methode nicht bebrechung geführt hat, lässt sich erst durch
einflussungsfrei, da
zusätzliche Befehle
Kenntnis der Task-Zustände erkennen
mehr Rechenzeit
beanspruchen. Zuware-Anteile von Projektpartnern zugedem ist der Speicher des Steuergeräts beliefert wurden, war das Echtzeitverhalten
schränkt, so dass nur ein kurzer Zeitausschwer gemeinsam zu definieren und
schnitt einer Betriebssituation erfasst
später einzuhalten.
wird.
Das System ist im Verlauf der EntwickMit der Kenntnis der Perioden und
lung über die gesetzten Grenzen hinaus
Prioritäten der Tasks und ISR können aus
gewachsen. Es zeigt neben einer zu hoden im Trace enthaltenen Brutto-Laufhen CPU-Last auch unerklärliche Effekte
zeiten die Netto-Laufzeiten ermittelt
in den Messspuren sowie Probleme mit
werden (Tasks niederer Priorität werden
dem Jitter einiger Funktionen. Nun gilt
von ISR und höher Tasks höherer Priories, in kurzer Zeit Verständnis für das dytät unterbrochen und benötigen damit
namische Systemverhalten zu gewinnen,
scheinbar länger). Je nachdem, welche
um Optimierungspotenziale zu finden
Betriebssituationen erfasst werden und
sowie die Bedingungen zu identifizieren,
welche Ereignisse der aufgezeichnete
die zu Worst-Case-Situationen führen.
Zeitausschnitt enthält, stellen die Netto-
54
= Task ist blockiert
Laufzeiten eine recht gute Auflistung der
dynamischen Ausführungszeiten des
Source-Codes dar.
Doch was hilft das beste Zahlenwerk,
wenn daraus kein Gesamtbild der Abläufe deutlich wird? Im Trace sieht man
zunächst nur, wann eine Task vom Scheduler auf der CPU zur Ausführung ausgewählt wurde. Was zu einer Verdrängung
oder einer Unterbrechung geführt hat,
lässt sich erst durch Kenntnis der TaskZustände
erkennen.
Durch
den
begrenzten Speicher des Steuergeräts,
werden im demzufolge nur kurzen Trace
keine langfristigen Effekte sichtbar, wie
sie durch Drift der verschiedenen Uhren
im System entstehen.
Echtzeitmodellierung
Man muss längst keine Lanze mehr für
Simulation brechen. Das bessere Verständnis komplexer Zusammenhänge
durch Simulationsmodelle ist in vielen
Bereichen der Naturwissenschaften und
Ingenieursdisziplinen längst bewiesen.
Bildet man das System durch ein Simulationsmodell nach, so sind innerhalb kurzer Zeit detaillierte Analysen über lange
Zeiträume möglich. Im Simulator kann
das System beliebig lange Simulations-
SIMULATION + TEST
läufe durchführen und verschiedene Stimulationsszenarien durchlaufen.
Grundvoraussetzung dafür ist jedoch,
dass das Modell möglichst viel Information über das System korrekt darstellt und
die dynamischen Abläufe sowie die kausalen Zusammenhänge (Ablaufreihenfolgen, Reaktion auf bestimmte Stimuli
etc.) mit simuliert werden. Durch Import
der OIL-Files (OSEK-Beschreibung der
Prioritäten der Tasks) und die Modellierung in C ist die Erstellung eines aussagekräftigen Simulationsmodells in wenigen
Manntagen möglich.
Das Echtzeitmodell beschreibt die einzelnen Tasks und ISR mit ihren Ausführungszeiten auf einer abstrakten Ebene,
die es erlaubt das Scheduling leicht nachzuvollziehen. Der Simulator stößt die zeitund ereignisgesteuerten Vorgänge gemäß
dem Scheduling des Betriebssystems an
und stellt sie in aussagekräftigen Diagrammen und Statistiken dar. Ein Vergleich der
gemessenen und simulierten Traces gibt
dem Entwickler ein Maß, wie gut das Modell mit der Realität übereinstimmt.
Effektive Analyse und Optimierung
Mit diesem Hilfsmittel können die Ingenieure effektiv an die Lösung der Probleme des weit fortgeschrittenen Projekts
gehen. Zunächst wird das System in diversen Betriebszuständen simuliert sowie die Auswirkung auf das Timing einzelner Tasks und der CPU-Last beobachtet. Durch gezieltes Variieren der Stimuli
und Ausführungszeiten wird eine Sensitivitätsanalyse möglich. Sofern in den
Traces auch Messpunkte innerhalb der
Tasks erfasst wurden, lässt sich sogar untersuchen, wie sich eine Verschiebung
von Funktionsblöcken in andere Tasks
auf das Zeitverhalten auswirken würde.
In unserem Beispiel diente das beschriebene Vorgehen dazu, diejenigen
Ray-taugliche
Software-Architektur
schnell zu ermitteln. Da der Großteil der
Applikation unverändert bleiben soll,
können deren Ausführungszeiten im
Echtzeitmodell der FlexRay-Variante
ebenso wiederverwendet werden. Das
neu geplante Zeitraster muss aber die festen Zyklen des FlexRay berücksichtigen,
um Interferenzen eines asynchronen Timings zu vermeiden. Die veränderte BusKommunikation bildet der Simulator mit
den vorhandenen Modellen der FlexRay-ControlBeim Wechsel von CAN auf FlexRay
ler ab. Der Simulator bewird eine systematische Überprüfung
rücksichtigt deren Aufstart- und Synchronisatider Software-Architektur notwendig
onsmechanismen wie zuhilfemaßnahmen geführt haben, so hat
vor schon die Konfiguration und das
die Echtzeitsimulation doch das SystemScheduling des CAN-Busses.
verständnis erhöht und das Vertrauen
Im Simulationsmodell der geplanten
des OEM in das System trotz der hohen
FlexRay-Version des Steuergeräts kann
CPU-Last verbessert.
der Systemarchitekt in kurzen Iterationszyklen das optimale Timing und Task-Gefüge ermitteln. Verschiedene SynchroniVon CAN zu FlexRay
sationsmöglichkeiten lassen sich im TaskIn der nächsten Variante soll das gleiche
Modell schnell hinzufügen und in der
System hauptsächlich mittels FlexRay im
Echtzeitsimulation analysieren. Dabei
Fahrzeug angebunden sein. Die erste naibehält der Architekt die Performance des
ve Erwartung könnte nun sein, dass mit
Gesamtsystems im Auge und kann frühdiesem Echtzeitbus und der deutlich hözeitig das Echtzeitverhalten überprüfen.
heren Datendurchsatzrate auch die SysSchon in der ersten Implementierung des
tem-Performance leichter erreichen lässt.
FlexRay-Systems wird ein so gutes ZeitAllerdings setzt sich im Markt auch hier
verhalten erreicht, dass eine Iterationszunehmend die Erkenntnis durch, dass
schleife in der Entwicklung eingespart
der CAN-Bus nicht „einfach so“ durch
werden kann.
FlexRay ersetzt werden kann.
Der Wechsel von CAN- auf FlexRayKommunikation ist ein Wechsel von einer ereignis- zu einer zeitgesteuerten Architektur, wodurch die Entwickler die
Dipl.-Ing. Tapio Kramer ist verAnregung des Echtzeitsystems grundantwortlich für das technische
legend umstellen müssen. Dadurch wird
Marketing bei Inchron
eine systematische Überprüfung der Software-Architektur notwendig.
infoDIRECT www.all-electronics.de
Das bekannte Zeitverhalten der CANLink zu Inchron:
331AELeS08
Variante liefert die Daten, um eine FlexProgrammteile zu identifizieren, in denen eine Optimierung des Source-Codes
signifikante Vorteile für die System-Performance erwarten ließen. Aus der Sensitivitätsanalyse wurde deutlich, welche
Interrupt-Rate und -Phasenlage (Interrupts vom CAN-Bus und von Sensoren
rotierender Mechanik) zu Interferenzen
mit den Zyklen der zeitgesteuerten Tasks
führten. Wenn auch nicht alle Erkenntnisse automatisch zu erfolgreichen Ab-
Measurement in Motion
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14.10.2008 16:52:48 Uhr
MANAGEMENT
Wer zieht an welchem Strang?
Für Entwicklungsdienstleister (EDL) hat die Zusammenarbeit mit OEM und Zulieferern
viele Facetten: von der preisorientierten Standarddienstleistung bis zur partnerschaftlichen
Begleitung spezialisierter Innovationsprozesse. Wer dabei dauerhafte Synergien anstrebt,
kann künftig echte Marktvorteile gewinnen. AUTOMOBIL-ELEKTRONIK gibt Einblicke in
die ROLLE DES EDLS IN DER ZUSAMMENARBEIT MIT OEM UND ZULIEFERER.
B
etrachtet man die Automobilmärkte in Europa, Asien und
Amerika aus dem nüchternen
Blickwinkel des Autofahrers, könnte
man meinen, der Bedarf an neuen Automobilen sei endgültig gedeckt. Nahezu
jeder Mittelklasse-PKW bietet heute alles, um relativ sicher und komfortabel
ans Ziel zu kommen. Wie gesagt: nüchtern betrachtet. Doch tatsächlich liegt
der Reiz des Automobils in der Entwicklung neuer, begeisternder Technologien
– auch in Zukunft.
Mehr denn je werden Neuwagen gebaut und gekauft, bei denen die Komfortund Technologieschraube eine Umdrehung weitergedreht wurde. Ein Autofahrer, der im Jahr 2012 einen Neuwagen erwerben will, erwartet schließlich, „dass
der Fortschritt weiter geht“ – und das, ohne mehr Geld auszugeben, als für das Vorgängermodell; ganz gleich, wie eng Preisspannen und Innovationszyklen sind. Vor
diesem Hintergrund stellt sich die Frage,
wie dieser Innovationsdruck unter allen
Beteiligten im Entwicklungsprozess am
effizientesten bedient werden kann, denn
das Beziehungsgeflecht aus OEM, Zulieferer und EDL kann durchaus als „Schicksalsgemeinschaft“ bezeichnet werden. So
präsentiert sich die Branche heute ganz
anders als noch vor 25 Jahren. Und die
Rolle des EDL bei der Entstehung eines
Automobils ist heute vielfältiger denn je.
Die Situation
In Europa, Asien und der NAFTA gab es
noch 1980 rund 30 eigenständige OEMs,
die Autos produzierten; seit 2006 sind es
ganze zwölf. Fast parallel dazu hat sich
auch die Anzahl eigenständiger ZulieferUnternehmen seit damals von 30.000 auf
6000 im Jahr 2005 reduziert. Dem immer
weiter gewachsenen Kostendruck wurde
(und wird) sicherlich durch Produktivitätssteigerungen und zunehmend auch
durch das Auslagern von Fertigung und
Montage begegnet. Nun ist es durchaus
möglich, dass mit dieser Methode auch
bei den nächsten ein oder zwei Autogenerationen die Rechnung noch aufgeht.
Doch es gibt zwei grundlegende
Trends die derzeit klar zu beobachten
sind. Zum einen hin zu einem möglichst
kostengünstigen Einstiegsauto oder eben
hin zur technischen Perfomance.
Der oben erwähnte Neuwagen mit
dem Fokus auf Innovation, der dann im
Jahre 2012 oder 2015 an der Konkurrenz
vorbeizieht, wird das sehr wahrscheinlich wegen seiner neuen Technologien
tun. Schließlich will der Autofahrer, der
sich ein neues Auto kauft, auf dem bereits existierenden Technologieniveau
aufbauen und zusätzlich neue Innovationen haben, auf die er sich verlassen kann.
Auch wird es verstärkt darum gehen,
dem Autokäufer Features nahe zu brin-
gen, die der Gesetzgeber vorgibt. Schadstoffärmeres und sichereres Autofahren
ist – so sinnvoll entsprechende Technologien auch sind – viel schwieriger zu verkaufen, als ein „dynamischeres“ und
„komfortableres“ Fahrerlebnis. OEMs,
Zulieferer und EDLs werden in Zukunft
daher mehr denn je aufgefordert sein,
immer wieder neue Technologien für die
alten Märkte zu finden.
Niedriglohnmärkte wie zum Beispiel
Indien und auch China richten ihre Autos und Neuentwicklungen viel einfacher
und besser auf den eigenen Markt aus, als
deutsche, japanische oder amerikanische
Autoentwickler es könnten. Außerdem
entwickeln, produzieren und verkaufen
sie gerne preiswert im eigenen Land.
Lernen von den Japanern?
Der Bedarf an neuen Ideen und Technologien lässt Innovationen immer mehr
zur treibenden Kraft im Automobilbau
werden und verlagert die Wertschöpfung
immer weiter vom OEM zum Zulieferer.
Doch die Frage „Wer macht die nächste
Neuentwicklung am günstigsten“ wird
auf lange Sicht nicht nur durch Konsolidierung der Zulieferermärkte zu beantworten sein, denn kaum ist eine Innovation marktreif, winkt schon eine neue am
Horizont.
Als Beispiel dafür gründet der Erfolg in
der japanischen Automobilindustrie
Bild 1: Innovationsnetzwerk
56
MANAGEMENT
nicht immer auf dem besten Preisangebot sondern auf der stärksten Partnerschaft. Wo bei einer neuen, scheinbar
günstigeren Geschäftsbeziehung Zeit
und Geld für das „Einspielen“ der neuen
Zusammenarbeit in Kauf genommen
wird, fließt in funktionierenden Zusammenarbeiten diese Energie bereits in die
Sache.
Effizienz entsteht dort in gereiften Synergien: Wer sich beim Lösen von
Schwierigkeiten kennen und schätzen
gelernt hat, wird die nächste Hürde gemeinsam leichter nehmen. Die Hebel für
partnerschaftliche Innovationsentwicklungen lassen sich aber auch hierzulande
ansetzen. Chancen dazu bieten sich überall im Innovationsprozess.
Wer in diesem Partnerschaftsmodell
auch Einfluss auf die Entwicklung neuer
Technologien nehmen kann, ist der EDL.
Je enger und langfristiger die Zusammenarbeit mit Zulieferern und OEMs angelegt ist, desto effektiver. Die Rollen, die
der EDL dabei einnehmen kann, und in
vielen Fällen bereits einnimmt, lassen
sich so zusammenfassen:
EDL als Engineering-Partner
In dieser Funktion betreut der Entwickler
Arbeitspakete, die nicht Kernkompetenz
der OEMs oder Zulieferer sind, oder er
übernimmt Entwicklungsprozesse in vollem Umfang.
Er hat dabei auch die Möglichkeit,
Kompetenzen zu summieren und in
Teams Entwicklungsprozesse zu begleiten, und kann seine Kompetenzen von
der Anpassungsentwicklung bis zur kompletten Neuentwicklung einbringen. Das
Wissen um Produktionsanforderungen
(Umsetzungskompetenz) kann dabei
ebenso angewandt werden wie weiter
reichende Beratungsdienstleistungen.
EDL als Innovationspartner
Am Anfang jeder Neuentwicklung
steht die technisch innovative und
marktrelevante Idee. Schon hier kann
der EDL mit der Fokussierung auf Innovationspotenziale positiv Einfluss nehmen. Er verfügt über die Technologiekompetenz, um Ideen einzubringen und
die Zusammenarbeit im Innovationsmanagement zu fördern. Dabei erzeugen
Innovationsnetzwerke gegenüber herkömmlichen eher zentralisierten Strukturen eine deutlich höhere Innovationsdynamik.
Durch vernetzte Informationsflüsse
lassen sich Erfahrungen, Wissen und
Kreativität kombinieren und schneller
steigern. Voraussetzung ist jedoch, dass
die Partnerschaften gut organisiert und
geführt sind.
Bild 2: Rollen des EDLs
Bereitstellung von Ressourcen
Der EDL kann sehr vielfältig als Partner
bei der Arbeitnehmerüberlassung eingesetzt werden: Zulieferer und OEMs können dann Ihren Fokus auf andere Punkte
legen, als auf Know-how-Vorteile; diese
Kompetenzen werden einfach dazugekauft. Außerdem stellt der EDL kurzfristig die Ressourcen zur Verfügung und koordiniert nach den jeweiligen Bedürfnissen von OEMs beziehungsweise Zulieferern.
langfristige Zusammenarbeit mit dem
EDL genau die Sicherheit und Stabilität,
die nötig ist, damit der OEM oder Zulieferer reaktionsschnell auf den Markt reagieren kann.
Liefert der EDL zusätzlich personelle
Ressourcen und branchenfremdes Wissen, dann kann der Zulieferer Auslastungsspitzen bedarfsorientiert abdecken:
Im Gesamten ein Erfolgsfaktor, der auf
70% bis 80% aller Zulieferbetriebe zutrifft.
Beschaffung von branchenfremdem
Wissen
Eine Chance für echte Win-WinKonstellationen
Ein Blick über den Tellerrand kann in der
Innovationsphase unentbehrlich sein:
Querdenken und Offenheit für andere
Branchen bringen neue Impulse und
Möglichkeiten für das kreatives Denken
und Arbeiten in der Automobilbranche.
So wirdein Technologietransfer erst möglich. Die enge Zusammenarbeit mit dem
EDL schon in der Vorentwicklung sowie
das Nutzen von Synergien und Netzwerken mit branchenfremdem Wissen haben
sich in der Vergangenheit durchaus bewährt.
Am Knüpfen von Netzwerken mit langfristigen Partnerschaften wird künftig
kaum ein Weg vorbei führen. Gemeinsame Ziele, Vereinbarungen und Regeln erhöhen die Qualität von Innovations- sowie von Entwicklungsprozessen und damit die Zuverlässigkeit und die Flexibilität. Transparenz, Kritikfähigkeit und Offenheit in der strategischen Partnerschaft
dienen dann nicht einem Selbstzweck
sondern orientieren sich am Erfolg –
nicht zuletzt am Erfolg der Mitarbeiter
und persönlicher Erfolg ist, wie wir alle
wissen, die wirkungsvollste Motivationsspritze. Erhöhen wir also die Dosis und
ziehen länger mal an einem Strang.
Netzwerkdenken ist Erfolgsdenken
Entscheidend für ein erfolgreiches Netzwerk ist – wie in eigentlich jeder Geschäftsbeziehung – die Art und Weise der
Zusammenarbeit. Die Vorteile, die der
EDL als strategischer Engineering- und
Innovationspartner dem OEM oder Zulieferer bietet, können nicht hoch genug
eingeschätzt werden:
Vorteile, wie zum Beispiel breit angelegter und steter Zugang zu Know-how,
Schutz des gemeinsamen Wissens und
Flexibilität. Darüber hinaus bietet die
Hermann Schweizer ist Geschäftsführer der
Helbling Technik GmbH in München.
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IMPRESSUM
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6. Jahrgang
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Zuken, Hallbergmoos
ZVEI, Frankfurt
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