Alles zu ILAS, dem neuen „Lichtbus“ im Auto – nicht nur für Licht

Auf der Iseled-Konferenz im Oktober letzten Jahres konstatierte der Entwicklungsleiter eines führenden deutschen Tier-1s „Die Möglichkeit, mit ILAS die gesamten Beleuchtungsszenarien sowie Sensoren und Aktoren in einem Netz zu integrieren, wird eine neue Revolution auslösen“. Auf der gleichen Konferenz kündigte auch BMW an, dass ILAS, das „Iseled Light and Senor Network“ mit Start ihrer „Neuen Klasse“ und einer völlig neu definierten Architektur ab 2025 in allen Modellen zum Einsatz kommen wird.

Von Iseled zu ILAS

Im November 2016 wurde auf der Messe electronica erstmals Iseled – die „Digitale LED“ – vorgestellt, die aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile weltweit bei immer mehr Automobilherstellern aber auch in der Industrie und sogar in der Luftfahrt zum Einsatz kommt. In diesem Jahr bewegen sich die Absatzzahlen bereits im hohen zweistelligen Millionen-Bereich, die Milliarden-Marke wird bereits in 3 bis 4 Jahren erreicht.

Iseled war ursprünglich dafür entwickelt, um im Armaturenbrett über kurze Entfernungen viele auf Lichtstreifen montierte RGB LEDs dynamisch und mit höchster Farbtreue ansteuern zu können. Mit der schnell steigenden Akzeptanz kam jedoch bald das Bedürfnis auf, Iseled auch auf andere Lichtanwendungen im Fahrzeug auszurollen und diese dann auch zu vernetzen; damit war die Idee des ILAS-Netzwerks geboren. ILAS steht für „Iseled Light and Sensor“. Von der Idee zur erfolgreichen Umsetzung sollte es nur zwei Jahren dauern, denn seit wenigen Tagen gibt es erste funktionale Muster des ILAS-Chips (Bild 6).

In aktuellen Lichtanwendungen mit Iseled-LED-Lichtstreifen werden diese noch über ein LIN-Hub an diesen weitverbreiteten Bus angedockt, wobei hier die Möglichkeiten von Iseled – unter anderem eine hohe Refresh-Rate und die große Zahl von möglichen Clients – aufgrund der Limitierung des LIN-Bus nur sehr eingeschränkt nutzbar sind (Bild 2).

Diese Einschränkungen entfallen bei ILAS: über einen Bridge-Chip von Ethernet zu ILAS direkt an das schnelle 10-Base-T-Ethernet angedockt, erfolgt die Steuerung der Lichtszenarien hier direkt aus der zentralen Headunit heraus (Bild 3). Da ILAS im Gegensatz zu anderen Bus-Systemen deterministisch ist, liegt die gesamte Kontrolle beim Initiator, wodurch sich ILAS speziell für moderne Netzwerk-Konzepte wie eine Zonen-Architektur mit zentraler Steuerung eignet (Bild 4). Die komplette Intelligenz befindet sich dabei in einem einzigen Steuergerät, was die Synchronisation von Licht-Szenarien über das gesamte Fahrzeug hinweg sehr einfach gestaltet. Zudem entfallen während der Entwicklung aufwändige Abstimmungsrunden und Lastenhefte, die bei dezentralen Systemen mit mehreren Lichtsteuergeräten unerlässlich sind. Im Gegensatz dazu muss die Software hier nur noch an einer Stelle – im zentralen Steuergerät – aktualisiert werden, was das Versionsmanagement und damit die Kosten erheblich reduziert. So ist es auch möglich, vordefinierte bzw. erweiterte Lichtszenarien im Steuergerät abzulegen und sie zu einem späteren Zeitpunkt im Rahmen eines Upgrades zu aktivieren – ein weiterer Schritt in Richtung Software-defined Car.

Auch wenn ILAS aufgrund eines schlanken Protokolls und mit einer eher moderaten Busdatenrate von 2 Mbit/s bereits heute Lichtsequenzen in Videogeschwindigkeit übertragen kann, während andere Busse konzeptionell oder aufgrund des eingeschränkten Adressbereichs an ihre Grenzen kommen, ist bei ILAS noch Luft nach oben: anders als bei klassischen parallelen Bussystemen, bei denen die Datenrate schnell an physikalische Grenzen stößt, basiert ILAS auf einer Punkt-zu-Punkt Topologie. Bei weiter steigenden Anforderungen ist es deshalb relativ einfach, die Datenrate und damit den Datendurchsatz nach oben zu skalieren. Das Konzept für ILAS 2.0 liegt bereits in der Schublade.

Zudem kann ILAS nicht nur Licht: Das bidirektionale Kommunikationsprotokoll bietet auch die Möglichkeit zur Einzelabfrage sowie für Multicast-Diagnosen aller Clients. In Kombination mit den drei GPIOs (Universal-I/Os) des Transceiver-Bausteins (Bild 5) lassen sich auch Sensoren und Aktoren ohne zusätzliche Schnittstelle, Software oder Verkabelung in das Netzwerk einbinden (Bild 3). So besteht beispielsweise die Möglichkeit, Touch-Sensoren anzuschließen, mit denen sich unter anderem die Helligkeit oder die Farbe des Leselichts individuell einstellen lässt. Ein zusätzlicher Vibrationsmotor kann darüber hinaus für haptisches Feedback sorgen und dem Nutzer so die erfolgreiche Eingabe zurückmelden. Auch Infrarotsensoren – zum Beispiel zur Erkennung der Sitzbelegung (Automatic Occupancy Sensor (AOS)) als kostengünstige Alternative zu Kameras – lassen sich direkt ins Netzwerk einbinden, so dass den möglichen Anwendungen im Bereich Licht- und Sensorik praktisch keine wesentlichen Grenzen gesetzt sind.

Das Beispiel in Bild 3 zeigt ein ILAS-Netzwerk in einer modernen Fahrzeugarchitektur. Drei Iseled-RGB-LED-Streifen sind über die ILAS-Transceiver des Typs INLT220Q via UTP-Kabel (ungeschirmte Zweidrahtleitung) miteinander vernetzt. Auf dem Lichtstreifen selbst erfolgen die Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zu den LEDs über eine ökonomische Chip-to-Chip-Schnittstelle. Der dritte Kommunikations-Port (Client Side Port, CSP) dient der Anbindung von „Klienten“; über ihn lassen sich Iseled-LEDs anschließen, die auf dem Lichtstreifen im Daisy-Chain-Verfahren und ebenfalls über einfache Zweidrahtleitung untereinander verbunden sind. Der untere Lichtstreifen verfügt zudem über zwei kapazitive Berührungsflächen, die mit einem Touch-Sensor ausgewertet werden. Über die GPIO-Schnittstelle des INLT220Q ist der Sensor in das Netzwerk integriert und kann über den Rückkanal vom Steuergerät ausgelesen werden. Ein Vibrationsmotor sorgt für haptisches Feedback bei erfolgreicher Detektion der Berührung. Ebenfalls über die GPIO-Schnittstelle erfolgt auch die Kommunikation zwischen dem ersten INLT220Q-Baustein im Netzwerk und der Ethernet-to-ILAS Bridge, über die das ILAS-Netzwerk an das 10Base-T-Ethernet angebunden ist und so direkt mit dem zentralen Steuergerät kommuniziert.

Als Schlüsselkomponente im Netzwerk fungiert der ILAS-Transceiver. Neben der Core-Logik des ILAS-Transceiver-Bausteins, die für die gesamte Ablaufsteuerung und auch die Kommunikation mit den anderen Clients via ILAS-Protokoll zuständig ist, bildet der von Grund auf neu entwickelte HV-PHY (hochvoltfester Physical Layer) das Herz des neuen Transceiver-Bausteins. Der HV-PHY erfüllt die hohen Anforderungen an kabelgebundene Pins im Fahrzeug wie eine Spannungsfestigkeit von ±40 V sowie eine ESD-Festigkeit von ±8 kV (HBM). Die differenzielle Übertragungstechnik in Verbindung mit UTP-Kabeln sorgt für die erforderliche Robustheit gegenüber Störeinstrahlung bei gleichzeitig geringer Störaussendung – und zwar ohne zusätzliche externe Filterelemente wie etwa Gleichtaktdrosseln.

Zwei der drei Kommunikations-Ports verwenden diesen Hochvolt-PHY – sowohl der dem Initiator zugewandte Port (Initiator Side Port - ISP) als auch der ihm abgewandte Port (Extension Side Port – ESP). Dabei besteht die Möglichkeit, die ILAS-Transceiver über diese Ports via verdrillte Zweidrahtleitung (UTP, Unshielded Twisted Pair) miteinander zu verbinden, was eine Reihenschaltung von theoretisch bis zu mehreren tausend Transceivern zu ermöglicht.

Der dritte Kommunikations-Port (Client Side Port – CSP), dient der Anbindung von „Klienten“; über ihn lassen sich Iseled-LEDs anschließen, die auf dem Lichtstreifen im Daisy-Chain-Verfahren ebenfalls über einfache Zweidrahtleitung untereinander verbunden sind.

Bei diesem Port kommt ein PHY mit lediglich ±5 V Spannungsfestigkeit zum Einsatz, wie er bereits im Controller-Baustein für die Iseled-LEDs implementiert ist. Dieser PHY ist für die reine On-Board-Kommunikation auf dem Lichtstreifen über sehr kurzen Entfernungen ausgelegt. Die Anforderungen an diese Local Pins sind deutlich geringer als bei den kabelgebundenen Pins. Folglich kann dieser PHY wesentlich kompakter ausfallen. Damit ist es möglich, die Chipfläche zu verkleinern und zusätzlich auch andere Parameter wie die Verlustleistung zu optimieren.

Der INLT220Q genannte ILAS-Transceiver verfügt zudem über einen Temperatursensor sowie über einen A/D-Wandler (ADC), der die Überwachung von Betriebsspannung und Umgebungstemperatur des Bausteins ermöglicht. Zudem ist ein OTP- Speicher verbaut, in dem Anwender neben Informationen über das Produkt (Hersteller-ID, Losnummer etc.) auch Informationen des ILAS-Netzwerks (Adresse des Netzwerkteilnehmers usw.) selbst hinterlegen können. Dadurch lassen sich auch bei Ausfällen von einzelnen Komponenten die restlichen Netzwerkteilnehmer weiterhin ansteuern – und zwar auch ohne Anpassung der Adressierungstabelle in der Software. Die Programmierung des Speichers erfolgt über das ILAS-Protokoll; sie kann sowohl beim Zulieferer als auch beim OEM selbst erfolgen.

Eine große Herausforderung bei Lichtsystemen im Auto ist auch der begrenzt verfügbare Bauraum. Heutige Systeme benötigen viele externe passive Komponenten mit entsprechendem Platzbedarf und aufwändiger Verdrahtung auf dem Lichtstreifen. Dazu kommt das Problem mit der elektromagnetischen Verträglichkeit EMV, denn mehr Komponenten benötigen mehr Verdrahtung, was wiederum mehr Abstrahlung zur Folge hat. Auf Grund der EMV-Problematik müssen bisher meist mehrlagige starre PCBs zum Einsatz kommen, was wiederum dem Wunsch nach wenig Bauraum und dem Einsatz in gekrümmten Oberflächen im Armaturenbrett entgegensteht. Durch die Integration des Controller-Chips und der RGB-LEDs in einem Gehäuse werden nur noch wenige externe passive Komponenten benötigt. Dazu kommt die unkomplizierte Verdrahtung zwischen dem ILAS-Transceiver und den angeschlossenen Iseled-LEDs in Form einer einfachen differentiellen Zweidrahtverbindung. Selbst bei einer großen Zahl von LEDs auf dem Lichtstreifen reicht deshalb üblicherweise eine zweilagige Platine aus. Auf diese Weise lassen sich auch besonders gut verbaubare flexible PCBs realisieren; ein Allianzpartner bietet derartige flexible PCBs bereits jetzt für die Iseled-Lichtstreifen an.

Bereits heute unterstützen 39 Firmen aus der ganzen Welt im Rahmen der 2016 gegründeten Iseled Allianz dieses Ecosystem (Bild 7): Licht-Tier-1s, LED- und Halbleiterhersteller, spezialisierte Lichtdesigner und viele andere. Der große Erfolg und die schnelle weltweite Akzeptanz von Iseled sind in hohem Maße auf die erfolgreiche Arbeit dieses Industriekonsortiums zurückzuführen, und die gut funktionierenden Strukturen dieser Allianz kommen jetzt natürlich auch ILAS voll zugute.

So arbeitet ein großer Halbleiterhersteller bereits an dem Ethernet-to-ILAS-Bridge-Chip; ein weiterer an einem Matrix-RGB-Baustein: hier wird kein eigener ILAS-Transceiver benötigt, denn die ILAS-Schnittstelle ist bereits in den Matrix-RGB-Chip integriert. Außerdem gibt es Überlegungen, Sensor-Chips mit monolithisch integrierter ILAS-Schnittstelle zu entwickeln. Es finden auch schon Software-Entwicklungen bei Allianzmitgliedern statt, um den Anwendern eine vollumfängliche Systemlösung bald auch zu ILAS anbieten zu können.
Neben den Entwicklungen künftiger ILAS- Halbleiterbausteine liegt auch ein großer Fokus auf neuen Gehäusetechnologien, weil der begrenzte Bauraum ein zentrales Thema bei modernen Lichtanwendungen im Fahrzeug ist. Kompakte, hochintegrierte SiP-Lösungen (System-in-Package) mit geringer Verlustleistung sind hier Voraussetzung, um die Pläne der Autobauer umzusetzen, bald hunderte von LEDs, kombiniert mit Sensoren und Aktoren, in ihren Fahrzeugen einzubauen.

Die Entwicklungsaktivitäten rund um ILAS laufen somit auf Hochdruck, und auch bei Iseled wird an neuen Produkten gearbeitet: die nächste Generation namens „Iseled 2.0“ mit einem wesentlich erweiterten Funktionsumfang steht bereits in den Startlöchern. Das Iseled- und bald auch ILAS-Ecosystem wird also umfangreichen Zuwachs bekommen, den die Besucher auf der Messe electronica im November zu sehen bekommen. Parallel hierzu entwickelt sich die Iseled-Allianz gerade zur Iseled/ILAS-Allianz.