CO2 ist teurer als Gold

Während der Goldpreis derzeit bei zirka 40 Euro je Gramm Gold liegt, kostet CO₂ ab 2012 mehr als das Doppelte. So könnte man es jedenfalls überspitzt ausdrücken, wenn man den Europäischen Abgabenkatalog für die Überschreitung der CO₂-Emissions-Grenzwerte liest: PKW-Hersteller, deren Autos den Grenzwert um mehr als 3 Gramm CO₂ pro gefahrene km (g CO₂/km) überschreiten, müssen einmal pro verkauftes Fahrzeug eine Abgabe von 45 Euro und 95 Euro für jedes weitere g CO₂/km zahlen. Wenn etwas doppelt so wertvoll ist wie Gold, dann ist es auch nicht überraschend, wenn sich wie seinerzeit in den Goldrauschtagen auch am CO₂ die Gemüter erhitzen: CO_2-Sünder sehen sich immer öfter an den Pranger gestellt. Umweltorganisationen werten die Dienstwagenflotten von Politikern und kirchlichen Würdenträgern aus und veröffentlichen die hohen CO₂-Ergebnisse unter schmissigen Überschriften wie „Schaufahren gegen den Klimaschutz“ oder „Wasser predigen und Wein trinken“.

So wird aus einem Umweltproblem ein gesellschaftliches: Das gerade in Deutschland eingeführte Energielabel wird heiß diskutiert, da die Kennzeichnung auf Grundlage des Gewichts erfolgt und dadurch schwere Autos mehr verbrauchen dürfen als leichte, um in die gleiche Effizienzklasse zu rutschen.

Grenzwerte

Unabhängig von den Diskussionen um das Energieeffizienzlabel stellt die neue europäische CO₂-Emissionsüberschreitungsabgabe für die Hersteller ab 2012 ein direktes Kostenproblem dar. In den Medien geistern diesbezüglich drei Grenzwerte herum: 95, 120 und 130 g CO₂/km. Wie kommt es dazu? Zunächst erhält jeder PKW-Hersteller seinen ganz persönlichen Grenzwert. Der richtet sich nach dem durchschnittlichen Gewicht seiner verkauften Fahrzeuge. Die passende Formel hierzu lautet:

Die zulässige herstellerspezifische CO₂-Emissionen beträgt 130 + a x m – m₀

Dabei gilt: a = 0,0457, m = durchschnittliche Masse („Leergewicht“) aller verkauften Pkw eines OEMs in kg, m₀ = 1289 kg.

Ein kurzes Beispiel verdeutlicht die Zusammenhänge: Ein Kleinwagen-Hersteller mit einem durchschnittlichen PKW-Gewicht von 1000 kg erhält einen Referenzwert von 117 g CO₂/km, ein Premium-Hersteller mit einem durchschnittlichen Gewicht von 1700 kg erhält 149 g CO₂/km.

Unabhängig davon, welches Gehäuse zum Einsatz kommt, befinden sich alle Port-Funktionen immer an der gleichen Stelle.Grafik: Renesas

Die Formel für diese Verteilung basierte auf dem Durchschnittsgewicht aller in der EU verkauften PKWs im Jahre 2006: 1289 kg. Sie ist so aufgestellt, dass der durchschnittliche Verbrauch aller PKWs in der EU 130 g CO₂/km erreichen soll. Im Jahr 2006 lag dieser Wert noch bei 160 g CO₂/km. Weitere 10 g CO₂/km sollten durch andere Maßnahmen wie zum Beispiel Biokraftstoffe oder verpflichtende Einbaumaßnahmen, zu denen Leichtlaufreifen und verbesserte Klimaanlagen gehören, zustande kommen. Das würde dann zu einer durchschnittlichen CO₂-Emission von 120 g CO₂/km führen. Ab dem Jahr 2019 soll die Konstante 130 gegen den Wert 95 ausgetauscht werden, was einem europäischen Durchschnittswert von 95 g CO₂/km entsprechen würde. Dann soll die CO₂-Abgabe auch direkt ab dem ersten Gramm Überschreitung 95 Euro pro g CO₂/km kosten.

Elektrisches CO₂

Wie setzen sich die CO₂-Emissionen eines PKWs zusammen? In der Praxis setzt ein durchschnittlicher Ottomotor nur maximal 25 Prozent des Benzins in Bewegungsenergie um. Die restlichen 75 Prozent generieren Wärme, von der sich jahreszeitabhängig nur ein Teil zum Heizen des Innenraums nutzen lässt.

Die 25 Prozent Nutzleistung des Benzinmotors werden dann auf die nachfolgenden Verbraucher verteilt. Unter Berücksichtigung des NEFZ-Fahrzyklus‘ sind die CO₂-Hauptverursacher eines PKWs die zu beschleunigende Masse (etwa 30 Prozent), der Luftwiderstand (ungefähr 30 Prozent) und der Rollwiderstand der Reifen (zirka 25 Prozent).

Steuergeräte

Trotzdem nehmen die Experten auch kleinere Verbraucher unter die Lupe, weil auch elektrische Stromverbraucher durch die Lichtmaschine Kraftstoff verbrauchen und damit ebenfalls CO₂ generieren. Für 100 W elektrische Leistung benötigt man je nach verbauter Lichtmaschine und Motorwirkungsgrad mehr als 0,1 l Benzin auf 100 km, was einer CO₂-Emission von über 3 g CO₂/km entspricht. Mindestens 10 Prozent der Nutzleistung benötigen mittlerweile allein die elektronischen Steuergeräte eines Fahrzeugs, denn alle Steuergeräte zusammen schlagen mittlerweile mit rund 200 W zu Buche – immerhin noch mehr als 6 g CO₂/km und als Grenzwertüberschreitung damit bis zu 570 Euro „wert“.

Einsparpotenzial durch Mikrocontroller

Auch die Stromverbrauchskosten eines Mikrocontrollers lassen sich damit berechnen. Angenommen in einem Steuergerät, das an einer Bordnetzspannung von 14,4 V arbeitet, ist ein 16-Bit-Mikrocontroller eingebaut. Bei einem durchschnittlichen Stromverbrauch von zirka 10 mA benötigt er somit 144 mW, was CO₂-Emissionen von mindestens 4,3 mg CO₂/km entspricht. Wäre die Flotten-Emission des Automobilherstellers mehr als 4 g CO₂/km von seinem Grenzwert entfernt, würde das mit über 0,41 Euro zu Buche schlagen.

Eine Halbierung des Stroms durch einen stromsparenden Mikrocontroller wäre in diesem Fahrzeug somit mehr als 0,20 Euro Wert. Dieser Betrag liegt bereits in der gleichen Größenordnung wie die Einkaufskosten für den Mikrocontroller selbst.

Anstelle eines ineffizienten Linearreglers könnte auch ein Schaltregler zum Einsatz kommen, der einen Wirkungsgrad von bis zu 90 Prozent erreicht. Der Preis für einen Schaltregler mit Spule, Diode und dem entsprechendem PCB-Platz liegt jedoch deutlich über den Einsparkosten.

RL78 im Überblick

Renesas stellt in diesem Zusammenhang seine neue 16-Bit-Mikrocontroller-Serie aus der Familie RL78 für den Bereich der Automobilelektronik vor. Die RL78-Familie deckt den Applikationsbereich unterhalb der 32-Bit-Familie RH850 ab.

Wie bereits die beiden Vorgängerserien 78K0R/Fx3 und R8C/3x bietet auch RL78 ein großes Speicher-Portfolio von universellen und stromsparenden Mikrocontrollern für effiziente Applikationen oder als Co-Prozessor für fehlerkritische Applikationen.

„R“ steht dabei für Renesas und „L“ für Low-Power. Die „78″ ist vielen Mikrocontroller-Entwicklern aus dem Bereich der Automobilelektronik bekannt. NEC Electronics entwickelte die 16-Bit-Mikrocontroller der Familie 78K0R für effiziente Applikationen im Automobil. Nach der Fusion von Renesas Technology und NEC Electronics zu Renesas Electronics bestand die erste Aufgabe des Präsidenten darin, das umfangreiche Portfolio der beiden Firmen zu verschmelzen.

Im Automotive-Bereich standen die R8C und die 78K0R-Familien zur Auswahl. Man entschied sich, die Grundarchitektur der 78K0R-Familie mit besonderen Peripherieelementen und Funktionen der R8C-Familie zu der neuen Produktfamilie RL78 zu verbinden. Die neue Produktfamilie wurde auf einer brandneuen 130-nm-Technologie entwickelt.

Stromsparen oder Performance? Mit der RL78-Familie hat Renesas beide Parameter zugleich verbessert: Mit 1,27 DMIPS/MHz ist die RL78-Familie in diesem Segment Spitzenreiter, und bei der maximalen Frequenz von 32 MHz beträgt der Stromverbrauch 70 µA/MHz.

Die erste Automotive-Serie der RL78-Familie wird die Serie RL78/F12 sein, die mit 32 neuen Produkten startet. Das Line-Up erstreckt sich von 20- bis 64-Pin-Gehäusen mit einem sehr großen integriertem Speicherangebot von 8 KByte Flash mit 0,5 KByte RAM bis zu 64 KByte Flash mit 4 KByte RAM. Für platzkritische Applikationen stehen auch QFN-Gehäuse zur Verfügung.

CPU-System

Die RL78-Entwickler haben tief ins System eingegriffen und auch die CPU verändert. Durch die verbesserte Multiplikation können MAC-Befehle nun eine (16 Bit x 16 Bit + 32 Bit)-Operation binnen maximal zwei Taktzyklen ausführen. Damit die CPU weiter von der hohen Interrupt-Last entlastet werden kann, wurden zwei DMA-Kanäle eingebaut. Diese erledigen einfache interrupt-gesteuerte Kopieraufgaben ohne Hilfe der CPU, die währenddessen anspruchsvollere Berechnungsfunktionen abarbeiten kann.

Peripherie und mehr

Die Peripherie der F12-Serie basiert vollständig auf der Funktionalität der Vorgängerfamilie 78K0R, so dass sich bereits geschriebene Software ohne großen Aufwand portieren lässt.

Im RL78 sind die gleichen Timer-Peripherals wie im 78K0R eingebaut. Die Timer Array Unit, kurz TAU genannt, ist mit acht 16-Bit-Kanälen ausgestattet. Jeder dieser Kanäle lässt sich innerhalb des Timers völlig unabhängig von den anderen betreiben. Dazu besitzen sie eigene Zähler und Capture/Compare-Register. Durch Schattenregister kann die Software-Applikation völlig asynchron auf die Kanäle zugreifen und trotzdem eine synchrone Timer-Funktionalität gewährleisten.

Alle Kanäle lassen sich mit einem beliebigen Takt aus zwei verschiedenen Teilerstufen betreiben, zwei Kanäle sogar mit einem Takt aus vier verschiedenen Teilerstufen. Die Teiler lassen sich auf beliebige Werte zwischen 1 und 32768 einstellen. Damit kann jeder Kanal verschiedene Funktionen ausführen, wie zum Beispiel externe Impulse ausmessen oder regelmäßige Interrupts für zeitgesteuerte Funktionen generieren. Man kann aber auch mehrere Kanäle zusammen zu einer „Simultaneous Channel Operation Function“ verbinden. Dabei werden einem Master-Kanal ein oder mehrere Slave-Kanäle zugeordnet, um komplexere Funktionen zu realisieren. So lässt sich zum Beispiel eine bis zu siebenkanalige PWM für LED-Ansteuerungen realisieren.

Der 10-Bit-ADC stellt je nach Gehäuse bis zu 12 Analogeingänge zur Verfügung. Die Signalkonvertierung kann sowohl durch die Software als auch über diverse Hardware-Trigger, zum Beispiel den internen Timern, gestartet werden. Zusätzlich ist es möglich, bei einem Trigger nur einen oder gleich mehrere Kanäle zu wandeln. Für einen Plausibilitätstest der Wandelergebnisse steht eine interne Referenzspannung zur Verfügung. Zusätzlich ist der ADC über einen integrierten Temperatursensor auch in der Lage, die Chip-Temperatur zu überwachen.

Gehäuse

Unabhängig davon, welches Gehäuse zum Einsatz kommt, befinden sich alle Port-Funktionen immer an der gleichen Stelle. Größere Gehäuse belassen die Pin-Funktionen der kleineren an der gleichen geometrischen Position und fügen nur an den zusätzlichen Pins weitere Funktionen hinzu. Der Layouter wird es begrüßen und der Projektmanager sich über die eingesparte Zeit freuen.

Daten-Flash

Von der R8C-Familie hat die RL78/F12-Serie die Background-Operation-Funktion für den Daten-Flash-Speicher übernommen. Dieser erlaubt es, den internen 4 KByte großen Daten-Flash während des normalen Programmablaufs zu verändern, da die CPU gleichzeitig auf den Code-Flash zugreifen kann. Diese Funktionalität ist besonders bei der kostengünstigen Emulation eines EEPROMs erforderlich. Daten, wie zum Beispiel der Kilometerstand, die während des Betriebes nichtflüchtig gesichert werden müssen, können parallel zum Programmablauf im internen Daten-Flash abgespeichert werden, so dass kein externes EEPROM mehr erforderlich ist.

Snooze-Mode

Extra für zyklische Aufwach-Applikationen ermöglicht der RL78 einen speziellen Schlummer-Modus (Snooze-Mode). Damit kann der ADC externe Spannungen oder eine serielle Schnittstelle externe Datenübertragungen völlig unabhängig von der CPU auswerten, während die beiden größten Stromverbraucher im Mikrocontroller, die CPU und der interne Flash-Speicher, ausgeschaltet bleiben – und zwar so lange, bis der ADC eine „Weckspannung“ oder die serielle Schnittstelle eine gültige „Wecknachricht“ erhält. Erst dann werden CPU und Flash aktiviert und die Weck-Interrupt-Routine wird wie bei einem Standard-Mikrocontroller abgearbeitet. Diese Funktion wird bei zyklischen Aufwach-Applikationen wie zum Beispiel Türmodulen benötigt. Denn auch wenn es für den Autofahrer nach Abzug des Schlüssels so aussieht, dass sein Auto abgeschaltet ist, versehen einige Steuergeräte weiter ihren Dienst: die Alarmanlage, das zentrale Steuergerät und auch das Türmodul.

In so einem Gerät wird die MCU nach Abzug des Schlüssels zunächst gestoppt, aber immer wieder zyklisch aufgeweckt. Nach dem Wecken schaut sie nach, ob in der Zwischenzeit ein Weckereignis stattgefunden hat. Wenn dies der Fall ist, wird das gesamte Steuergerät wieder aufgeweckt und das Standardprogramm abgearbeitet, wenn nicht, legt sich die MCU wieder schlafen. Das spart Strom. Die Zeit zwischen dem Wecken kann sehr kurz sein, bis zu 50 ms, damit der Fahrer, zum Beispiel beim Öffnen der Tür nicht mehrmals am Griff ziehen muss.

Der Programmspeicher von Flash-MCUs benötigt beim Einschalten aber eine gewisse Aufwach-Zeit sowie einen bestimmten Aufwachstrom. Dieser kann bei kurzen Weckzyklen den mittleren Strom so in die Höhe treiben, dass die Batterie von diesen Steuergeräten förmlich leergesaugt würde. Damit wäre der Wagen nach einer dreiwöchigen Urlaubsreise ohne fremde Hilfe nicht mehr zu starten.

Der Snooze-Mode des RL78 überwacht zyklisch ohne Einsatz von CPU und Flash, ob ein Wecksignal stattgefunden hat. In diesem Fall wird die gesamte MCU und damit auch das Steuergerät aufgeweckt, wenn nicht, wartet die MCU im Snooze-Mode auf das nächste Wecksignal. Dadurch kann der RL78/F12 in diesem Mode mit einem mittleren Strom von weniger als 1 µA arbeiten.

Temperatur- und Spannungsbereich

In der Standard-Spezifikation mit einer Spannungsversorgung von 2,7 V bis 5,5 V und einer Temperatur von -40 °C bis +85 °C lassen sich die Mikrocontroller RL78/F12 mit 32 MHz betreiben. Sollte es aber auch mal heißer zugehen, kann der Mikrocontroller auch bis 125 °C mit bis zu 24 MHz arbeiten. Das Besondere: die RL78-Derivate versehen auch bei 150 °C noch ihren Dienst – und zwar auch mit 24 MHz. Das eröffnet für Entwickler völlig neue Anwendungsfelder, von denen beide Vorgängerfamilien nur träumen konnten. Da wird auch der heiße Antriebsstrang im Motorraum zum passenden Einsatzort.

Entwickler können sich neben dem Temperaturbereich auch den passenden Spannungsbereich aussuchen, da der RL78 bereits ab 1,8 V mit 4 MHz arbeitet.

LIN

Im Bereich der Autoelektronik geht es heutzutage immer mehr um Vernetzung. Laut Strategy Analytics wird sich weltweit die Anzahl der Netzwerkknoten in den Autos bis 2017 verdoppeln. Seit der Einführung von CAN als Bussystem für Autos sind viele weitere Bussysteme eingeführt worden. Mengenmäßig etabliert hat sich aber neben CAN nur noch LIN.

Der kostengünstige Eindraht-Bus ermöglicht die zeitunkritische Kommunikation zwischen intelligenten Sensoren und Aktoren untereinander sowie zu zentralen Steuergeräten. Die ersten Automotive-RL78/F12-Produkte sind deswegen mit LIN-Schnittstellen ausgerüstet. So wie die beiden DMA-Kanäle die CPU entlasten erlaubt auch der LIN-Master-Controller eine CPU-unabhängige Auswertung des LIN-Protokolls. Bei der Datenübertragung von LIN-Botschaften erledigt die LIN-IP viele Aufgaben autark, ohne dass die CPU eingreifen muss.

Software

Da Software immer komplexer wird, wächst auch die Gefahr, dass einzelne Software-Funktionen selbst nach der Testphase unentdeckte Fehler generieren. Die RL78-Familie hat mehrere Funktionen eingebaut, Fehler zu unterdrücken oder zu entdecken, um Gegenmaßnamen einzuleiten. Wichtige Systemregister oder Speicherbereiche lassen sich gegen unbeabsichtigtes Überschreiben schützen, und der unzulässige Zugriff auf ungültige Speicherbereiche kann detektiert werden.

Für die Überwachung der korrekten Applikations-Funktion bietet Renesas auch eine so genannte Core-Selftest-Software an. Durch die enge Verwandtschaft des RL78/F12 mit dem 78K0 ist es sehr leicht, bestehende Software auf Basis des 78K0 auf den RL78/F12 zu übertragen. Insbesondere Applikationen, die auf der 78K0R/Fx3-Serie basieren, profitieren auch von einer 100% Kompatibilität bei den Peripherieelementen.

Hardware und Flash-Bibliothek

Das interne RAM untersuchen die Mikrocontroller bei jedem Zugriff auf Bit-Fehler. Außerdem überwachen ein interner Timer sowie der interne Low-Speed-Oszillator die System-Frequenz. Um den AD-Wandler zu überprüfen, kann ein internes Referenzsignal gemessen werden.

Renesas unterstützt alle RL78-Entwickler mit der RL78 Data Flash Access Library. Kunden profitieren hierbei von einem Produkt, das in einem SPICE-zertifizierten Entwicklungsprozesses entwickelt wurde und über die gesamte RL78-Familie zum Einsatz kommt. Der Kunde erhält eine modulare Software und kann sich entscheiden, ob er nur die unterste Treiberschicht, den Data Flash Access Layer (FDL) für eigene Emulationsstrategien oder gleich die komplette EEPROM Emulation Layer (EEL) einsetzen will. Der EEL berücksichtigt auch gleich mehrere Sonder- und Fehler-Zustände, wie zum Beispiel Stromausfall während des Flashens.

Eine GUI namens Applilet

Zusätzlich stellt Renesas die grafische Benutzeroberfläche Applilet zur Verfügung. Hiermit kann der Entwickler in übersichtlichen Tabs die gewünschten Peripherieelemente konfigurieren. In den meisten Fällen erübrigt sich dann der Blick ins User-Manual. Die Abhängigkeiten der einzelnen Features werden sofort sichtbar, wodurch überraschende Nebeneffekte bei der Konfiguration der Vergangenheit angehören. Das schont die Nerven, spart Zeit und verbessert die Software-Qualität.

Nach der grafischen Konfiguration erzeugt das Programm auf Knopfdruck den benötigten C-Code zur Initialisierung der Peripherieelemente. Darüber hinaus werden auch API-Funktionen unterstützt. Der integrierte Project-Wizard leitet den Entwickler direkt durch den Projekterstellungsprozess.

Third Party

In Zusammenarbeit mit etablierten Herstellern der Automotive-Welt existieren für die RL78-Familie weitere Tools: IAR bietet wiederum eine Software-Entwicklungsumgebung mit Compiler an, während die Firmen iSystem und Lauterbach RL78-Emulatoren mit der dazugehörenden Debugger-Software vertreiben. Um den Einstieg für die Entwickler so einfach wie möglich zu machen, hat Renesas ein RL78/F12-Starter-Board im Programm.

(av)