Die Anforderungen an die Rechenleistung in modernen Fahrzeugen werden auch aufgrund der Sensorkonzepte immer größer. Gleichzeitig müssen jedoch auch immer mehr Anwendungen mit niedrigerem Strombedarf auskommen. Schließlich wird die Erfüllung zukünftiger Richtlinien hinsichtlich niedrigeren Strombedarfs ohne Start-Stop-Funktionen nicht möglich sein, was bedeutet, dass die elektronischen Systeme bei abgeschaltetem Motor kaum Strom verbrauchen dürfen. Trotzdem sind alle Aufgaben uneingeschränkt und sicher zu erledigen.

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Eck-Daten

Mit dem rasanten Einzug von Elektronik in modernen Fahrzeugen und der zu erwartenden weiteren Entwicklung im Bereich autonomes und automatisiertes Fahren kommt effizienten Energieverbrauchskonzepten eine immer größere Bedeutung zu. Stromsparende Mikrocontroller in Verbindung mit hardwareunabhängiger Peripherie sind dabei ein erfolgversprechender Ansatz.

Herausforderungen bei 32-Bit-Prozessoren

Um die Rechenleistung eines Mikroprozessors anzugeben, verwendet man die Kennzahl MIPS (Million Instructions Per Second). Mit entsprechend hohen Taktraten lassen sich beispielsweise in einem 32-Bit-Prozessor einzelne Tasks mit sehr hoher Geschwindigkeit abarbeiten. Das erfordert auch einen höheren Softwareaufwand, den man bei genügend Speicherkapazität ohne weiteres implementieren kann. Um nun einen 32-Bit-Core so klein und kostengünstig wie möglich zu realisieren, ist die Prozessor-Architektur in möglichst kleinen CMOS-Prozessgeometrien zu verpacken. Hinzu kommt auch mehr Flash Memory mit einer höheren Dichte, den man aufgrund des 32-Bit-Overheads benötigt. Nachteilig wirkt sich das auf höhere CPU-Auslastung und dadurch auch höheren Strombedarf aus. Auch sind die Leckströme der Vielzahl von Transistoren so hoch, dass geringe Sleep-Mode-Ströme eine Herausforderung darstellen.

Alternativ 8 Bit

Im Gegensatz zu den 32-Bit-Prozessoren sind 8-Bit-Mikrocontroller-Cores relativ klein, sodass man größere CMOS-Prozess-Geometrien verwenden kann. Dadurch lassen sich die CPUs mit höheren Spannungen betreiben, es sind mehr analoge Komponenten integrierbar und an den Pins sind höhere Ströme möglich, beispielsweise 100 mA an bestimmten Pins. Außerdem lässt sich eine größere Schwelle zwischen Signal zu Noise und damit eine höhere Noise-Immunität erreichen. Auch sind die Leckströme der Transistoren aufgrund der höheren Geometrien geringer, und in den Sleep-Modi lassen sich viel niedrigere Ruheströme erzielen. Üblicherweise arbeiten 8-Bit-Maschinen mit niedrigeren Taktraten und geringeren MIPS-Leistungen, was eine Herausforderung hinsichtlich des Erfüllens der Anwendung bedeuten kann. Daher sind hier neuartige Implementierungskonzepte notwendig, um komplexere Aufgaben trotzdem performant erledigen zu können.

Aufgaben auslagern

Um die CPU-Last so gering wie möglich zu halten ist es also sinnvoll, die komplexeren Aufgaben in einem unabhängigen Prozess auszulagern. Diese hardwareunabhängige Peripherie kann dann bestimmte Aufgaben mit höherer Performance parallel erledigen. Wenn eine Aufgabe also sehr viele CPU-Zyklen oder relativ viel Speicher im Flash- oder RAM-Speicher benötigt, kann eine kleine Hardware-Peripherie, welche auf dem Chip implementiert ist, diese Aufgabe sehr schnell parallel und vor allem CPU-unabhängig ausführen. Die CPU kann sich in diesem Fall um Supervisor-Funktionen kümmern oder zusätzliche Redundanz bieten, was aufgrund von Forderungen der funktionalen Sicherheit auch immer mehr ein Thema wird. Die Vorteile liegen klar auf der Hand: durch die geringere CPU-Last kann der Core selbst über längere Zeiträume im Ruhestrom-Modus verweilen und erreicht dadurch eine wesentlich niedrigere Leistungsaufnahme, was gerade im automotiven Sensorik-Segment sehr wichtig ist.

Für effiziente Spannungs- und Leistungsversorgungskonzepte, sei es für Powersupplies für LED-Scheinwerfer, DC/DC-Konverter für 12-V- und 48-V-Systeme oder USB-Type-C-Charger-Lösungen, sind Lösungen für die komplexe Strom- und Spannungsregelung sowie Mikrocontroller gesucht, die eine hohe Flexibilität in der Entwicklung bieten und intelligente Schnittstellen bereit halten, wie beispielsweise serielle Interfaces, LIN und ähnliche.

Hardwareunabhängige Peripherie

Mit hardwareunabhängiger Peripherie lässt sich die Regelung mittels eines hardwaregeregelten Mathematik-Blockes implementieren.

Mit hardwareunabhängiger Peripherie lässt sich die Regelung mittels eines hardwaregeregelten Mathematik-Blockes implementieren. Microchip

Hier eignet sich zum Beispiel hardwareunabhängige Peripherie, da sich somit die Regelung mittels eines hardwaregeregelten Mathematik-Blockes (MathAcc) implementieren lässt. Auch einen ansonsten softwareintensiven PID-Regler kann man einfach implementieren. Zusätzlich lassen sich Operationsverstärker und schnelle im Nanosekunden-Bereich arbeitende Komparatoren miteinander verschalten und Überstromabschaltungen und andere Sicherheitsfunktionen gezielt abstimmen. Das PWM-Ausgangssignal, welches die Transistoren steuert, kann nun Signale gänzlich ohne Interrupt an- und abschalten und somit für eine bestmögliche Systemperformance sorgen. Der Microcontoller konfiguriert und überwacht die Funktionen nur noch und kann sich um die serielle Kommunikation oder andere Aufgaben kümmern.

Logikzellen in der MCU

Eine kombinatorische Logikzelle in einem 8-Bit-Mikrocontroller besteht aus Gattern und Flipflops und ermöglicht die Verschaltung von Peripherie untereinander.

Eine kombinatorische Logikzelle in einem 8-Bit-Mikrocontroller besteht aus Gattern und Flipflops und ermöglicht die Verschaltung von Peripherie untereinander. Microchip

Es lässt sich auch immer mehr Gluelogic in einen 8-Bit-Mikrocontroller integrieren. Eine solche kombinatorische Logikzelle (CLC) besteht aus Gattern und Flipflops und ermöglicht die Verschaltung von Peripherie untereinander. Das Ergebnis einer Regelung lässt sich somit mit anderen Funktionen kombinieren, beispielsweise über UND- oder ODER-Verknüpfungen, mit Timern, PWMs und analoger Peripherie. Auch eine ADC-Messung kann man starten und auswerten, um komplett neue Lösungsansätze zu ermöglichen. Diese Logikzellen können natürlich auch dann arbeiten und ihre Funktion ausführen, solange die CPU im Sleep-Modus verharrt. Die CPU-Hardware lässt sich wieder mit aus der Logikzelle generierten Interrupts aufwecken. Auf diese Weise lassen sich Ruhestromzeiten optimieren, was einer niedrigeren Stromaufnahme dienlich ist.

Der Puls ist in der Regel bekannt, nicht jedoch die genaue Zeit des Eintreffens.

Der Puls ist in der Regel bekannt, nicht jedoch die genaue Zeit des Eintreffens. Microchip

Als Beispiel sei die Auswertung eines Ultraschallsensors genannt, dessen Signalamplitude von Bedeutung ist und genau zu ermitteln ist. Die Dauer des Pulses ist hier in der Regel bekannt, nicht jedoch die genaue Zeit des Eintreffens. Solche Aufgaben lassen sich auch mit speziellen ASICs implementieren oder man greift auf smarte unabhängige Peripherie zurück. Eine weitere Aufgabe besteht darin, dass der vom Sensor generierte Impuls relativ klein ist und eine Verstärkung benötigt, um überhaupt eine zuverlässige Messung zu ermöglichen.

Der Ausgang des Komparators kann einen Timer anstoßen, der das ADC-Modul nach einer einstellbaren Verzögerung startet.

Der Ausgang des Komparators kann einen Timer anstoßen, der das ADC-Modul nach einer einstellbaren Verzögerung startet. Microchip

Kleinere Mikrocontroller

Der intelligente analoge Ansatz, den man mit Core-unabhängiger Peripherie erreichen kann, unterscheidet sich von bisherigen Konzepten. Die Tatsache, dass sich analoge Peripherie innerhalb des Chips verschalten lässt, führt zu einer geringeren Anzahl externer Pins und somit zu kleineren und günstigeren Mikrocontrollern. Zudem ermöglicht es dieser Ansatz, dass das komplette System völlig automatisiert abarbeiten kann.

Ein interner Operationsverstärker (OA) vergrößert das zu messende Signal und kann es mit einem intern einstellbaren Schwellwert des DAC-Modules vergleichen. Der Ausgang wiederum kann einen Hardwarelimit-Timer anstoßen, der das ADC-Modul durch eine einstellbare Verzögerung genau zum gewünschten Zeitpunkt per Logikzellen-Modul (CLC) startet. Somit lässt sich hier der ideale Zeitpunkt für das Messsignal herausfiltern, sodass die MCU die maximale Dauer im stromsparenden Modus verweilen kann und dann nur noch den Messwert abholt.

Mit entsprechenden Hardware-Modulen lässt sich ein PSI5-fähiges System aufbauen.

Mit entsprechenden Hardware-Modulen lässt sich ein PSI5-fähiges System aufbauen. Microchip

Höhere Datenraten

Für serielle Interfaces eignet sich in einem solchen System das LIN-Protokoll, das über eine LIN-Uart-Schnittstelle bereitgestellt ist. Da jedoch immer höhere Anforderungen an die zu sendende Datenrate gestellt werden, stellt PSI5 ein gängiges Lösungskonzept dar, um höhere Datenraten zu ermöglichen. Auch hier lassen sich Hardware-Module dazu verwenden, um ein PSI5-fähiges System aufzubauen.

Es zeigt sich also, dass sich komplexe Regelungs- und Sensoriklösungen nicht unbedingt per Software am stromsparendsten realisieren lassen, sondern dass vor allem in Hardware ausgelagerte Periphere helfen kann, die Leistungsaufnahme zu verringern. Solche Anwendungen lassen sich dann auch mit wesentlich einfacheren und kostengünstigen 8-Bit-Mikrocontrollern wie PIC16F17XX oder PIC16F161X von Microchip realisieren.