Architektur für den Fahrerarbeitsplatz

Display-Controller

Durch ein optimiertes Gleichteilekonzept ergibt sich eine sklalierbare Systemlösung in Hard- und Software, mit der Entwickler die Anzeige-Inhalte flexibel zwischen hybriden Anzeigen und Einzeldisplays sowie über Fahrzeug-Segmente hinweg partitionieren können.

In den letzten Jahren vollzog die Welt der mobilen Endgeräte einen revolutionären Wandel im Bereich der grafischen Visualisierung von Applikationen. Inspiriert von dieser unersättlichen Vielfalt an Benutzeroberflächen entdecken die Interfacedesigner neue Möglichkeiten, um das Image ihrer Automobilmarke nachhaltig zu prägen. Die Verwendung über alle Fahrzeugklassen und Ausstattungsvarianten macht die Mensch-Maschine Interaktion sogar zur Markenidentität. Gerade im Bereich der Instrumentierung stellt dieses die Ingenieure vor neue Herausforderungen, eine skalierbare Plattform bereitzustellen und gleichzeitig die Kosten zu minimieren. Fujitsu Semiconductor Europe kann durch ein optimiertes Gleichteilekonzept eine skalierbare Systemlösung in Hard- und Software anbieten.

Systemabgrenzung

Der extreme Einfluss aus der mobilen Welt berührt das Kombiinstrument im Fahrzeug primär in der mittleren und oberen Systemausprägung. Das traditionelle Instrument im mittleren Segment besteht aus der Kombination von typischen Rundinstrumenten und einem oder mehreren Farbdisplays. In diesem hybriden Ansatz werden die Dimensionen und Auflösungen der Displays mit jeder Fahrzeuggeneration größer. Der Trend zu freiprogrammierbaren Kombiinstrumenten (FPK) im oberen Segment hat sich längst im Markt etabliert und erhält stetig wachsenden Zuspruch. Immer mehr Automobilhersteller bieten diesen innovativen Fahrerarbeitsplatz an. Der Aufbau eines solchen Systems basiert auf einem einzigen großen Display über den gesamten Instrumentenbereich. Dieses hochauflösende Display bietet alle Freiheiten zur Visualisierung der notwendigen Inhalte je nach Fahrsituation an.

In der Fahrzeugausstattung ersetzen sich beide Varianten gegenseitig und sollten daher auch auf der gleichen Systemarchitektur aufbauen, um Synergien schon in der Entwicklungsphase zu nutzen. Der größte gemeinsame Nenner ist dabei die grafische Benutzeroberfläche.

Anforderungen an die Mensch-Maschine Interaktion

In beiden Segmenten lebt das zentrale Anzeigemedium des Fahrerarbeitsplatzes von den grafischen Elementen auf dem Display. In der 2D-Technologie werden die Grafiken vorgerendert und im System gespeichert, während in der 3D-Welt die Objekte zur Laufzeit gerendert werden. Die gleichzeitige Verwendung von beiden Technologien erlaubt es, die Vorteile aus beiden Welten in einer Applikation zu vereinen.

Hybride- und freiprogrammierbare Instrumente nutzen identische Menüfunktionen wie beispielsweise Radio/Multimedia, Navigation, Nachtsichtinformation oder auch einfache Statusinformationen.

Eine der typischen Menüfunktionen ist das obligatorische Coverflow, das sowohl in 2D aber auch in 3D dargestellt werden kann. Die Navigationskarte wird in der Regel von der Head Unit generiert und entweder über einen einfachen Pixellink beispielsweise APIX® (Automotive Pixellink) an das Kombi gesendet oder über einen Standard Fahrzeugbus übermittelt. Auch kamerabasierte Funktionen der Fahrerassistenzsysteme werden in einem anderen Steuergerät erzeugt und in das Kombi eingespielt.

Für die Informationen eines Systemchecks oder einer Bedienungsanleitung wird ein Fahrzeugmodell dargestellt. Generische Anforderungen an ein solches Modell sind das Drehen um die eigene Achse, das Öffnen der Türen und Klappen sowie das Vergrößern einzelner Teilbereiche, um die Detailtiefe zu erhöhen. Ein dreidimensionales Fahrzeugmodell ermöglicht eine solche Komplexität und Vielfalt. Mit einer durchschnittlichen Anzahl von 30.000 Polygonen und einer Wiederholrate von 30Hz kann dieses Modell flüssig und in brillanter Qualität für das Auge dargestellt werden. Für eine weitere Detailtiefe werden zur Laufzeit zusätzliche Polygone und Texturen des Modells nachgeladen.

Für die Anzeige der Informationen wie Geschwindigkeit, Drehzahl, Temperatur oder Kraftstofffüllstand unterscheiden sich beide Varianten grundlegend. Während im hybriden Instrument die relevanten Informationen mit Stepper Motoren angezeigt werden, müssen im FPK diese Daten voll grafisch visualisiert werden.

Im FPK ist das typische Zeigerinstrument eines der größten Herausforderungen, da das Auge sehr sensibel auf Rotationsbewegungen reagiert. Jede kleine Veränderung bei der Darstellung und den Bildwiederholraten wird sofort sichtbar. Aus diesem Grund ist es zwingend notwendig, die Aktualisierungen kontinuierlich in jeder einzelnen Szene bei 60Hz zu halten. Hier bietet sich der Einsatz von 2D an. Selbst wenn das Zeigerinstrument im laufenden Betrieb die Skalen in Form, Winkel oder Größe verändert, bleibt die benötigte Größe an Speicherplatz gering. Mit Hilfe dieser Variante kann jede einzelne Aufnahme mit höchster Qualität vorbearbeitet und vom System aufgerufen werden.

Für die grafischen Adaptionen sowohl in 2D und 3D steht zusätzlich noch das Authoring Tool ‚CGI Studio‘ zur Verfügung. Diese Entwicklungsumgebung ist der Mediator zwischen den professionellen Interface Design Werkzeugen und der Systemumgebung. Mühelos lassen sich die Grafiken importieren, die Szenen modifizieren und nahtlos auf beide Zielsysteme aufspielen.

Modulare Systemarchitektur

Das FPK kann beispielsweise im oberen Segment mit einem Display in der Auflösung 1600×600 Pixeln, der Hybride Ansatz mit einer Displayauflösung von 800×600 Pixeln ausgestattet sein. In der mittleren Variante kann das Display zusätzlich mit Stepper Motoren für die Zeiger kombiniert werden. Beide Systeme lassen sich optional parallel noch mit einem Head-up Display beispielsweise in der Auflösung von 640×480 Pixeln und einem dritten Display in der Auflösung analog zum FPK kombinieren. Die Anbindung von Videoquellen aus Infotainment oder Kamerasignalen aus Assistenzsystemen können über direkte parallele Videoeingänge oder Ethernet bzw. MOST® erfolgen.

Das Gerüst dieser skalierbaren Plattform bildet eine duale Systemarchitektur, die auf einem Controller Modul mit dem MB9DF125 ‚Atlas-L‘ basiert. Das Grafik Modul mit einem der Bausteine aus der MB86R1x ‚Emerald-Familie‘ ergänzt diese Architektur.

Der Mikrocontroller MB9DF125 ‚Atlas-L‘ hat einen ARM® Cortex™-R4 Core und verantwortet die Basisfunktionalitäten und die Anzeige der Telltales. Im hydriden Ansatz steuert dieser Baustein zusätzlich noch bis zu sechs Zeigerinstrumente parallel.

Dieser Controller verfügt über eine integrierte Cryptographic Services Engine (CSE) gemäß der veröffentlichten SHE-Spezifikation (Secure Hardware Extension). Diese Implementierung schützt vor unbefugter Manipulation von außen, da die Kodierungsschlüssel in der Hardware verwaltet werden.

Die gesamte grafische Bearbeitung und damit der rechenintensivere Teil der Applikation wird mit dem System on Chip (SoC) der MB86R1x ‚Emerald-Familie‘ verarbeitet. Das Kernstück auf dem Grafikmodul bildet je nach Leistungsbedarf entweder der MB86R11 ‚Emerald-L‘ für das hybride System oder der MB86R12 ‚Emerald-P‘ für das freiprogrammierbare Instrument.

Blockschaltbild der skalierbaren Architektur.Fujitsu Semiconductor Europe GmbH

Emerald-Familie

Im Wesentlichen vereint jede ‚Emerald‘ Variante einen ARM® Cortex™-A9 Prozessor in Kombination mit einer ARM® Neon™ SIMD Engine, einem Image Prozessor und zwei eigenständigen Grafikprozessoren auf einem Chip. Parallele Videoeingänge und Displayausgänge, automotive Netzwerkanbindungen und diverse Schnittstellen erweitern das Profil. Eine optimierte Chiparchitektur schafft es hier, dass generierte Kamerabilder und Grafiken ohne gegenseitige Beeinflussung der Performance überlagert und verblendet dargestellt werden.

Der Baustein verfügt über vier parallele unabhängige Videoeingänge, die die Formate RGB888, ITU601/656 unterstützen. Einer dieser Kanäle ermöglicht zusätzlich noch die serielle Videoübertragung via APIX®2. Individuell können Farbton, Kontrast und Helligkeit der eingelesenen Videobilder, auch in Teilbereichen, mit Hilfe des Image Prozessors korrigiert werden.

Zur Entlastung des Hauptprozessors bietet die ‚Emerald-Familie‘ zwei voneinander unabhängige Grafikprozessoren. In dem 3D Grafik-Rechenkern lassen sich durch die „OpenGL® ES 2.0 Shading Language“ die Vertex- und Fragment Shader frei programmieren. Zur Entkopplung des Renderingprozesses steht zusätzlich noch ein 2D Grafik-Rechenkern zur Verfügung. Unterstützend durch die Multilayer-Technologie am Displayausgang erlaubt diese flexible Chiparchitektur, auch Grafiken mit unterschiedlichen Bildwiederholraten und Auflösungen gleichzeitig darzustellen. Zur Verdeutlichung der Vorteile bietet sich eine typische Applikation eines FPK an. Für die Darstellung von traditionellen Rundinstrumenten wie Tacho und Drehzahl wird eine Wiederholrate von 60 Frames per Second (fps) benötigt. Klassischerweise werden diese Zeigerinstrumente mit einem 3D Fahrzeugmodell oder einer Navigationskarte kombiniert dargestellt. Für diese Informationen im Zentralbereich sind
30 fps durchaus ausreichend. Die Generierung der Skalen und Zeiger werden von der zentralen Applikation entkoppelt und getrennt über die beiden Grafikengines ausgeführt. Die Layer-Technik ermöglicht nun, dass unabhängige Speicherbereiche den Zeigern und dem Fahrzeugmodell bzw. der Karte zugewiesen werden, die mit unterschiedlichen Bildwiederholraten generiert und am Ende zu einem Bild überlagert und verblendet werden.

Dies ist ein zentraler Vorteil der Emerald-Architektur, damit die Anforderungen an flüssige und wirklichkeitsnahe Animationen erfüllt werden können, ohne dass für den gesamten Bildinhalt die maximale Bildwiederholrate benötigt wird. Dadurch kann in jeder Szene das Rendern der Instrumente mit 60 fps sichergestellt werden, auch wenn andere Inhalte parallel dargestellt werden, die oftmals unterschiedlichste Rechenperformance benötigen.

Zusätzlich bietet die Layer-Technik noch einen effizienten Vorteil bei der Nutzung von gleichen Bildinhalten auf mehreren Displays. Die Grafiken werden nur einmal gerendert und können unterschiedlichen Displays zugewiesen werden. Die Familie dieser Bausteine verfügen über drei parallele Displayausgänge, wovon zwei dieses Multilayerkonzept mit bis zu acht Layern unterstützen. Das Singlelayerkonzept wird von einem der Displayausgänge unterstützt. Jeder dieser Ausgänge verfügt über einen eigenen Registersatz und kann damit ein individuelles Timing für unterschiedliche Auflösungen generieren.

(av)