ILAS: Microcontroller steuern Lichtanwendungen im Fahrzeug

Die Entwicklung in der Automobilindustrie hin zu autonomen und selbstfahrenden Fahrzeugen sorgt für Umbruch in der Branche und zwingt OEMs dazu, neue und kreative Lösungen anzubieten. Es gilt, sich von einem reinen Hardwarelieferanten zu einem Servicelieferanten zu entwickeln, was für die Entwicklung zukünftiger Lösungen im Fahrzeugbereich von entscheidender Bedeutung ist.

Um neuen und kommenden Funktionen gerecht zu werden, durchläuft die Fahrzeugarchitektur einen bedeutenden Wandel. In der Vergangenheit bestanden die Systeme aus hunderten verschiedener elektronischer Steuergeräte (ECUs) für die Türen, den Motor und das Schiebedach, die über das gesamte Fahrzeug verteilt waren. Diese Architekturen verhindern reibungslose Over-the-Air-Updates (OTA) und Laufzeitänderungen sind bei einer solchen Dezentralisierung nicht einfach zu integrieren.

Zentrale Architektur spart Kabel und Gewicht

Diese Dezentralisierung ist ein wesentlicher Faktor, der eine zentrale Architektur im Fahrzeug vorantreibt. Die neuen Architekturmodelle erfordern höhere Datenraten, was sich auf die Funktion von Fahrzeugnetzen (Bustopologien) und andere Techniken auswirkt. Ein bekanntes und etabliertes Netzwerk aus der Welt der Consumer-Elektronik ist Ethernet, das nun auch im Fahrzeugbereich weit verbreitet ist. Ethernet ist ein etablierter Standard, der Flexibilität in verschiedenen Topologien (Ring, Stern, P2P) und hohe Datenraten von hunderten GBit/s bietet wie auch ausreichend niedrige Datenraten bis hinunter zu 10 MBit/s mit der aktuellen 10BASE-T1S-Standardisierung. Für sehr niedrige Bandbreiten im Bereich von KBit/s und bis zu mehreren MBit/s gibt es auch SENT, LIN, das als Bus für Sensorknoten verwendet wird, und CAN Flexible Data (CAN FD). Während CAN FD etwas kostspieliger ist, hat LIN eine Obergrenze für die Datenrate, ist aber sehr günstig umsetzbar.

BMW will diese Lücke mit ILAS (ISELED Light and Sensor Network) schließen, das auf die Einführung der Intelligent Smart Embedded LED (ISELED) zurückgeht. Diese ermöglicht einen kleinen Zweidraht-Differenzialbus für ausreichend hohe Datenraten, um dynamische Lichteffekte für die LEDs der Fahrzeug-Innenraumbeleuchtung zu erzielen. Der PCB-basierende Bus ist mit 2 MBit/s schnell genug. ILAS ist eine Weiterentwicklung dieses Systems, um die Technik auf einen kabelgebundenen Bus zu übertragen und so größere Entfernungen innerhalb des Fahrzeugs zu erreichen. Die Idee ist, dass das LED-System für die Innenraumbeleuchtung von der linken zur rechten Seite verkabelt wird und sich auch in die Türmodule, zum Heck und in den Dachbereich erstreckt. Die Wiederverwendung der LEDs zur Übertragung von Daten in die anderen Bereiche spart Kabel, Gewicht und Komplexität für andere Anwendungen wie Sensoren ein.

ILAS-Transceiver lassen sich mit ISELED-LEDs, 4076-ISELED- oder ILAS-Knoten kombinieren und dann mit 2 MBit/s verbinden. ILAS erweitert das System um eine ungeschirmte Twisted-Pair-Verkabelung, um auch größere Entfernungen zu erreichen. Wie auf Konferenzen von BMW erwähnt, hat der OEM für Fahrzeugmodelle ab 2025 die Verwendung von Ethernet für Verbindungen innerhalb des Fahrzeugs vorgesehen. Gleichzeitig soll BMW hier auch ILAS implementieren, um die Innenbeleuchtung mit anderen Funktionen zu verbinden. Innerhalb der Zonen können ISELED-LEDs für die Umgebungsbeleuchtung, aber auch herkömmliche weiße Lese-LEDs oder kapazitive Touchtasten zum Einsatz kommen, zum Beispiel in einem Dachmodul (Bild 1).

Um das ISELED-Protokoll zu beherrschen, ist ein Master-Controller wie die 8-, 16- oder 32-Bit-Mikrocontroller (MCUs) von Microchip erforderlich. Der Master-Controller verbindet die 10BASE-T1S-MAC- und PHY-Ethernet-Bausteine und bildet eine Brücke von Ethernet zu einem oder mehreren ILAS-Kanälen, an die diese Transceiver angeschlossen werden (Bild 2).

Auf der anderen Seite verbinden sich die MCUs mit dem ILAS-Asic und stellen eine Kommunikation für ILAS/ISELED-Anbindung, LED-Ansteuerung für Leselampen und kapazitiven Touch und Schieberegler her.

Dieselben MCU-basierenden Lösungen können aber auch andere neue Standards im Beleuchtungsbereich anvisieren. Aufgrund der Flexibilität der Core-unabhängigen Peripherie (CIPs; Core Independent Peripherals) gibt es viele Lösungen, mit denen das System zum Beispiel MeLiBu oder neue LED-Standards unterstützt wie das Osire-OSP-Protokoll von Osram, das offen und kostenlos ist. Entwickler können sich so auf plattformbasierende Lösungen konzentrieren, aber dennoch unterschiedliche Standardanforderungen verschiedener OEMs abdecken.

Microchip unterstützt Autosar-Anbieter, die OSEK und BSW anbieten, mit den MCALs (Microcontroller Abstaction Layer), die auf Spice-Ebene entwickelt und Asil-zertifiziert sind. Die 16- und 32-Bit-MCUs verfügen über integrierte Sicherheitsfunktionen. Darüber hinaus unterstützt Microchip auch die 8- und 16-Bit-Produkte der unteren Ebene, wenn es um flexiblere Bausteine mit festen Funktionen geht. Das Unternehmen kann den Code während der Produktion in den MCUs vorprogrammieren sowie Programmier- und Debug-Schnittstellen deaktivieren, um den Bedarf an Sicherheitsmodulen, Bootloadern und Autosar zu begrenzen. Somit lässt sich der Endpunktknoten minimieren, um die zentrale Architektur zu unterstützen.

Digitale Umsetzung in der Außenbeleuchtung

Ein zonenbasierendes System für die Fahrzeug-Innenraumbeleuchtung hängt von LED-Herstellern oder Halbleiterlieferanten ab, die neue Protokolle und Standards unterstützen. Aber wie sieht es im Bereich der Außenbeleuchtung aus?

Der Trend zur E-Mobilität legt den Schwerpunkt auf eine höhere Reichweite von Elektrofahrzeugen. Kontinuierliche Verbesserungen für weniger Emissionen und CO₂-Ausstoß haben auch einen Einfluss auf effizientere und kompaktere Lösungen im Fahrzeug.

Die Außenbeleuchtung wirkt sich auf die Batterielebensdauer aus, weshalb die Einführung von LEDs hier ein Wachstumstreiber ist. Außerdem sind mehrere LED-Systeme rund um das Fahrzeug (im vorderen und im hinteren Bereich) nötig, was sich stärker auf die Kosten auswirkt als andere Systeme. Die Tier-1-Zulieferer in diesem Bereich sind deshalb ständig auf der Suche nach Verbesserungen in Bezug auf Effizienz, Platinenplatz und Kosten, um die verwendeten Architekturen für maximale Hardwarenutzung zu verbessern.

Während die SEPIC-Architektur (Single Ended Primary Inductance Converter) in der Vergangenheit beliebt war, um die benötigte Spannung in Abhängigkeit von der Spannung der Fahrzeugbatterie abzusenken oder zu erhöhen, ist die Effizienz einer solchen Topologie nun an Grenzen gestoßen. Deshalb wird in bestimmten Bereichen zunehmend ein Buck-/Boost-Aufbau bis hin zur 4-Switch-Buck/Boost-Topologie (4SwBB) in Betracht gezogen. Das Problem dabei ist, dass SEPIC im Hinblick auf den Einsatz passiver Bauelemente wie Kondensatoren und Induktivitäten günstiger ist als 4SBB.

Aus diesem Grund befassen sich Branchenexperten mit Änderungen und Anpassungen bei der Implementierung von LED-Strings. Bisher kamen kostengünstige Standard-MCUs zum Einsatz, die jedoch nur Überwachungs- und Kommunikationsfunktionen wie CAN FD und LIN bedienten, während die LEDs über eine serielle Peripherie an einen fertigen analogen SEPIC oder Buck-/Abwärtswandler angeschlossen waren. Mit Boost-/Aufwärtswandlern lassen sich digital gesteuerte Schaltungen zum Ansteuern von Schaltern, FETs und Treiberschaltungen effizienter einsetzen als mit einem Analogschaltkreis. Mit diesen Verbesserungen kann ein SEPIC effizienter angesteuert oder der Buck/Boost-Aufbau von vier Schaltern auf zwei Schalter und zwei Dioden reduziert werden.

Weitere Vorteile einer digitalen Architektur sind die Software-Unterstützung, Flexibilität und Skalierungsmöglichkeit der Lösung. Auch die Reaktionszeit und der Return of Investment bei der Erstellung von Demo-Mock-ups, Demonstratoren und ersten Builds auf Hardware-Ebene werden beschleunigt.

Bild 3 beschreibt das Low-End Automotive Headlamp (LEAH) Concept Board und zeigt die Leistungsfähigkeit einer solchen Lösung, wenn die passiven Bauelemente reduziert, das Kühlelement verkleinert und die Metall- und Gehäusekosten gesenkt werden können. Mit dieser Plattform lässt sich die digitale Steuerung eines Vollscheinwerfers, einer Fern- oder Abblendlichtfunktion, eines Blinkers und eines Tagfahrlichts leistungsfähig demonstrieren. Dazu gehören High-Side-Stromerfassung, SEPIC und eine 4SwBB-Topologie mit einem Wirkungsgrad von 95 Prozent unter Nennbedingungen. Funktionale Sicherheit gemäß ASIL-B sowie die Abblend- und Rückfahrlichtfunktion sind nachweisbar. Da sich der Formfaktor auf ein Minimum reduziert, erhöht sich somit die Effizienz.

Das Design ist aus Hardware- und Softwaresicht im Besitz von Microchip und lässt sich problemlos an Kundenanforderungen anpassen, wenn unterschiedliche Topologien, LED-Strings und auch Kommunikationsebenen (LIN oder CAN FD) erforderlich sind. Es ist auch leicht um eine Ethernet-10BASE-T1S-Funktion erweiterbar.

Eine solche Plattform zeigt eine flexible und skalierbare kostengünstige Lösung auf. Die effizienten Schaltkreise und die kompakte Bauweise werden laut Microchip die Außenbeleuchtung und die funktionale Sicherheit für kommende Fahrzeuggenerationen vorantreiben. Mit der 4SwBB-Topologie ist ein Spitzenwirkungsgrad von bis zu 96 Prozent und mit SEPIC ein Spitzenwirkungsgrad von 89 Prozent erreichbar (Bild 4).

Bei der Autosar-Implementierung sind viele Faktoren zu berücksichtigen, da komplexe Software für betriebliche und Datensicherheit (Safety & Security) zu integrieren ist. Das Autosar-Software-Evaluierungspaket nutzt das Explorer 16/32 Development Board und das dsPIC33CK1024MC710 GP PIM, um die Integration von MCAL, Autosar OS und BSW zu demonstrieren und so eine Evaluierung und schnelle Entwicklung zu ermöglichen. Das MCAL-Paket enthält über elf Module für die digitalen Signalcontroller (DSCs) dsPIC33C und unterstützt kryptografische Treiber, die mit dem integrierten Hardware-Sicherheitsmodul (HSM) arbeiten, beispielsweise auf den dsPIC33C512MPT608 Secure DSCs oder einem externen TA100. Die dsPIC33CK1024MP710-Reihe bietet ISO26262-konforme Bausteine, die auf ASIL-B-Anwendungen abzielen. Die dsPIC33CK512MPT608-Reihe ist auch mit einem Hardware-Sicherheitsmodul erhältlich, das mit Microchips Trust-Anchor-Bausteinplattform als einzelnes IC in das gleiche Gehäuse integriert ist. (na)