ISELED: Intelligente Lösungen für Kfz-Innenbeleuchtungen

Aktuelle Raumbeleuchtungs-Systemdesigns leiden unter einigen deutlichen, fertigungsbedingten Einschränkungen. Lichtführungen lassen sich nur dort anordnen, wo der Hersteller von Kabelbäumen sie einfach installieren kann – von links nach rechts, im Fußraum etc.. Lichtführungen lassen sich nur schwer nahe beim Lenkrad, beim Schalthebel oder in einer Dachkonsole platzieren, da diese nicht vernetzt sind. Um Unterschiede bei den Farbtönen zu vermeiden, wählt man Umgebungslicht-LEDs mit vollkommen unterschiedlichen Farben aus (bläuliches Umgebungslicht an der Lichtführung und Orange an den Knöpfen auf dem Lenkrad). Nichts ist verwirrender als vier unterschiedliche rote Farbtöne bei vier verschiedenen Knöpfen im gleichen Bereich.

Mit verschiedenen Lieferanten-Quellen für die Lichtführung, das Lenkrad, die Dachkonsole und die Türmodule ist dies eine sehr komplexe Herausforderung. Darüber hinaus kommen die LEDs von unterschiedlichen Lieferanten, aus verschiedenen Fertigungslosen, und unterliegen einer Alterungs- und Temperaturdrift-Kurve. Folglich ist es kaum möglich, dass Unternehmen dieses Umgebungslicht-Konzept integrieren können, deren Kernkompetenzen beim Lenkrad, bei kapazitiv-berührungsempfindlichen Knöpfen, bei Kabelbaum-Platzierung, LED-Fertigungssortierung, -Kompensation oder -Kalibrierung liegt.

Bild 1: Armaturenbretter gestern ... Microchip

Innovation bei Kfz-Innenausstattungen im Zusammenspiel mit Beleuchtungs-Integration ist ein sehr anspruchsvoller Aufgabenbereich. Das Licht in Bild 1 ist dort angeordnet, wo sich die Führung problemlos rund um das Display oder den Fußraum platzieren lässt, aber nicht wo es aus Sicht des Designs wirklich sinnvoll wäre. Sicherheitsbezogene Aspekte wie die Integration auf dem Lenkrad oder in der Dachkonsole (siehe Bild 2) wären ebenfalls wünschenswert.

Zudem können Beleuchtungsmodule nicht synchron miteinander kommunizieren; dies macht Implementationen wie dynamische Lichteffekte praktisch unmöglich. So kann man beispielsweise keine Umstellung des Licht-Farbton von der linken zur rechten Seite erzielen. Zur Lösung dieser Probleme und zum Einstieg in die nächste Evolutionsstufe des Innenbeleuchtungs-Designs im Fahrzeug ist eine Implementation neuer Design-Verfahren und -Konzepte nötig. Man stelle sich ein autonomes Level 3 Fahrzeug im Selbstfahrbetrieb vor, das diesen Betrieb in grüner oder blauer Farbe anzeigen könnte. Fordert das Fahrzeug den Fahrer zur Übernahme der Lenkfunktion am

... und heute. Shutterstock

Lenkrad auf, dann würde es dies für 10 Sekunden mit durchlaufenden Streifen in gelb oder rot anzeigen. Kurz bevor der Fahrer übernehmen muss, könnte die Beleuchtung beginnen, rot zu blinken.

Die Lösung

Die ISELED-Technologie wurde als Lösung für diese Probleme entwickelt; dazu besitzt sie ein integriertes, intelligentes Bauteil im Inneren des LED-Moduls. Dieses Modul übernimmt Farbtemperatur-Kompensation, Binning und Kalibrierung. Als Ergebnis verhalten sich die LEDs identisch, unabhängig von Fertigungslos, Lieferlos, Zeit oder Temperatur. Jede LED zeigt genau die gleiche Farbtemperatur, und löst damit wichtige Probleme, die Autohersteller in der Vergangenheit überwinden mussten. Die Kalibrierung wird auf LED-Ebene ausgeführt, und große Hersteller wie Osram und Dominant Opto fertigen bereits solche LEDs.

Bild 3: In Reihe verschaltete ISELED-Konfiguration mit 2 Mbit/s Microchip

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sich mehr als 4000 Knoten in Reihe und mit einer sehr hohen Datenrate von 2 Mbit/s miteinander verschalten lassen (siehe Bild 3). Diese Spezifikation ermöglicht neue Anwendungen wie dynamische Lichteffekte mit unterschiedlichen Farbkonzepten und Farbmischungen. Weitere Möglichkeiten innerhalb von Matrix-Rücklicht-Anwendungen, Außenbeleuchtung und der Steuerung von Hintergrundbeleuchtungen umfassen verschiedene dynamische Dimming-Stufen der LED-Hintergrundbeleuchtung zur Steigerung von Kontrast und Farbqualität.

Lösungen von Microchip

Im praktischen Einsatz erfordert die Ansteuerung der ISELED-LED-Kette einen Mikrocontroller, der ein spezielles Protokoll mit einer ISELED-fähigen seriellen Engine benötigt. Die Stärke von Microchips Mikrocontrollern ist die Implementation von sogenannten „Core Independent Peripherals“ (CIPs). Diese innovativen Block-Sätze lassen sich über Glue-Logik und andere Peripherieelemente, Flipflops usw. miteinander verbinden. So ist es möglich, ISELED-Peripherieelemente komplett in Hardware zu erstellen. Damit entfallen Software und CPU-Lasten, was die Belastung des Prozessors verringert. Dank dieser Features lassen sich ISELED-LEDs selbst mit der einfachsten und kleinsten 8-Bit MCUs steuern. Zusätzlich unterstützt Microchip ISELED auf allen seinen Mikroprozessoren bis zu seiner 32-Bit Autosar-MCU mit 2 MB Speicher (siehe Bild 4).

Bild 4: Wahl der Mikrocontroller je nach Anwendung Microchip

Darüber hinaus ermöglicht diese Fähigkeit die Implementation und Mischung weiterer wichtiger Sätze von Design-Bausteinen sowie weitere Innovationen. Einer der Bausteine könnten ein LIN, ein Bootloader, ein kapazitiv-berührungsempfindliches Wischmodul oder ein kapazitiver Näherungssensor sein. Ist noch verbleibende Bandbreite verfügbar, lassen sich diese Implementationen bei minimalem zusätzlichen Softwareaufwand und einigen zusätzlich nötigen CPU-Zyklen mit CIPs ergänzen. So besitzt beispielsweise die PIC18F K42 MCU-Familie ein eingebautes ISELED-Modul sowie ein LIN UART mit einer spezifischen LIN-Zustandsmaschine in Hardware neben Sync Break und Autobaud UART-Funktionen. Darüber hinaus wird diese Bauteilfamilie mit einem in Hardware realisierten CAPTouch-Modul gefertigt.

Aus dem Microchip 32-Bit-Produktangebot bietet die SAM-HA1-Bausteinfamilie besondere Fähigkeiten: Diese innovative Familie besitzt neben den ISELED, LIN UART und kapazitiven, berührungsempfindlichen PTC-Modulen eine integrierte Vbat Load-Dump-Funktion sowie LDO- und LIN-Transceiver. Damit lässt sich eine Single-Chip-Lösung als LIN-to-ISELED mit internem Näherungssensor-Modul in einem nur 5 × 5 mm großen Gehäuse realisieren. Dabei handelt es sich um die kleinste leistungsfähige ISELED-Lösung auf dem heutigen Markt. Bild 5 zeigt eine Liste aller aktuellen ISELED-fähigen MCUs.

Bild 5: ISELED-fähige Mikrocontroller und Single-Chip LIN-to-ISELED Lösungen Microchip

Zur Konfigurierung und Aktivierung einer ISELED-Peripherieschaltung ist die Modul-Konfiguration in einer separaten, herunter ladbaren Datei, dem MPLAB Code Configurator integriert. Mit diesem GUI-fähigen Konfigurator kann man die Peripherieschaltungen über wenige einfache Mausklicks einrichten. Dieser Konfigurator lässt sich zudem mit anderen Peripherieschaltungen wie etwa Berührungs- und LIN-Modulen kombinieren.

Bild 6: MPLAB Code Configurator für ISELED Microchip

Der Code-Konfigurator ist kostenlos per Download von der Microchip-Website oder beim Microchip-Vertrieb erhältlich. Für diesen Zweck muss man einen kostenlosen Evaluierungs-Lizenzvertrag akzeptieren (siehe Bild 6). Für seine MCUs bietet Microchip außerdem Entwicklungs-Boards mit einfachen Einsteck-Optionen für die ISELED Plug-in-Hardware; weitere Einsteck-Optionen für den LIN-Transceiver und kapazitiv-berührungsempfindliche Sensoren sind ebenfalls erhältlich. Nun steckt man die ISELED-Ketten ein; anschließend startet man den Code-Konfigurator und stellt die Entwicklung schnell fertig. Dabei geht es darum, eine Implementation von ISELED-Innovationen möglichst schnell und einfach zu gestalten.

Fazit

RGB-Innenbeleuchtung ist mit komplexen Problemen verbunden, die in vielen Fahrzeug-Anwendungen zu Einschränkungen der Innovation beim Versuch führten, andere Funktionen mit der Umgebungsbeleuchtung zu kombinieren. ISELED und Microchip überwinden diese technischen Hürden in Entwicklung und Fertigung, und bringen Innovationen bei Beleuchtung und anderen Anwendungen wie Sensoren, Näherungs- und Berührungserkennung zusammen. Microchip bietet ein umfassendes Produkt-Portfolio für ISELED von High-End 32-Bit-MCUs bis zu einfach einsetzbaren, stromsparenden und kosteneffizienten 8-Bit-MCUs. Weiterhin gibt es bei Microchip Kombinationen aus LIN-to-ISELED, Spannungsversorgung und kapazitiven Berührungsfunktionen. All dies ist sogar auf einem Single-Chip-Baustein erhältlich, der in einem 5 × 5 mm Gehäuse das weltweit kleinste LIN-to-ISELED Modul enthält. CIPs lassen sich über den kostenlosen Microchip MPLAB Code Configurator und eine kostenlose ISELED-Evaluierungsversion konfigurieren. Daraus generierten Quellcode kann man anschließend auf eine flexible Entwicklungsplatine herunterladen; dies ermöglicht einen anspruchsvollen Innovationspfad sowie eine Gesamtsystem-Lösung für eine kurze Time-to-Market und geringe Investitionskosten.

(wi)