Wir schreiben das Jahr 2001 und gerade habe ich meinen neuen Mittelklassewagen beim Händler meines Vertrauens entgegengenommen. Enthalten als Sonderausstattung: das langersehnte Navigationssystem, das – trotz der Reduktion auf das Wesentliche, d. h. Pfeilnavigation – künftig Kundenbesuche und Urlaubsfahrten deutlich stressfreier gestalten soll.

Wir schreiben das Jahr 2001 und gerade habe ich meinen neuen Mittelklassewagen beim Händler meines Vertrauens entgegengenommen.

Doch es kommt anders: der erste Software-Fehler zeigt sich noch in Reichweite der Werkstatt, weitere werden folgen und auch durch Software-Updates nicht entfernt. Kaum ein Monat vergeht, ohne dass weitere ärgerliche Fehlfunktionen um Aufmerksamkeit buhlen oder sich das System, wohl aus Mitleid mit den Nerven des Nutzers, in völliger Nichttätigkeit übt (wer weiß – vielleicht liegt es an der Gemächlichkeit des Prozessors oder an einem anderen Mysterium). Wem diese glanzvolle Aneinanderreihung von Code-Fehlern angelastet werden kann bzw. wer Integration als rein philosophische Aufgabe betrachtet hat, sei dahingestellt.

Zeitsprung ins Jetzt: Gut 20 Jahre und 2000 neue Software-Funktionen später, stellt sich die Frage, wie weit das kollektive Gedächtnis der an komplexen Software-Entwicklungsprojekten beteiligten Firmen zurückreicht. Auch moderne Fahrzeugsysteme sind nach wie vor überladen mit Defekten, die sich oft nicht von ihren „Vorgängern“ unterscheiden. Als leidgeplagter Nutzer würde man die Projektverantwortlichen gerne nach den Ursachen befragen: Hat man versäumt aus Fehlern der Vergangenheit zu lernen? Konnten die internen Prozesse und verwendeten Werkzeuge nicht mit der erhöhten Entwicklungsschlagzahl Schritt halten? Oder zwingt der gestiegene Zeit- und Kostendruck zu qualitativen Kompromissen?

Nun handelt es sich bei den zuvor referenzierten Software-Fehlern zugegebenermaßen meist um Komfortfunktionen oder um Sicherheitsfunktionen, die ggf. „nur“ deaktiviert werden, allerdings drängt sich hier die Frage auf, wie es in anderen Software-Domänen aussieht – Stichwort Security. Der erste medial ausgeschlachtete Fahrzeug-Hack liegt einige Jahre zurück und erforderte noch physischen Zugang, was mittlerweile nicht mehr der Fall ist, hat aber sicherlich dazu beigetragen, das Thema Sicherheit/Security über die Zentralverriegelung hinaus zu extrapolieren und auf die Agenda der kompletten Wertschöpfungskette zu setzen.

Seitdem scheint ein Rennen stattzufinden: Entwickler nutzen Echtzeit-Betriebssysteme und Hypervisoren (beide hoffentlich auf Sicherheit ausgelegt), Container und Hardware Security Modules, Systemintegratoren integrieren Intrusion Detection and Prevention Systems und Zulieferer positionieren sich als Spezialisten für Cybersecurity. Parallel dazu suchen Hacker weiterhin nach Passwörtern, Schlupflöchern bzw. Software-Fehlern und werden in unregelmäßigen Abständen fündig – v. a., wenn die Systeme nicht von vornherein auf Sicherheit ausgelegt waren.

Auch wenn der bisher entstandene Schaden durch gehackte Fahrzeuge noch begrenzt erscheint, so möchte man hoffen, dass die Branche ihre Lektion lernt und den Entwicklern die Werkzeuge und Ressourcen zur Verfügung stellt, die benötigt werden, um immer bessere und sicherere System zu entwickeln, ohne die Fehler der Vergangenheit aus Zeit- oder Kostengründen zu wiederholen. Denn das kommende Software Defined Vehicle wird diese Fehler nicht verzeihen.

Stephan Janouch ist Director Technical Marketing EMEA bei Green Hills Software.

16:9

Gastkolumne_Janouch

Fahrerassistenzsysteme / Automatisiertes Fahren

Elektronik

Kfz-Elektronik

Die Embedded-Branche trifft sich in Nürnberg

Unter dem Motto „Reunited“ traff sich die Branche im letzten Jahr zum 20-jährigen Messejubiläum in Nürnberg – wenn auch im Sommer statt des üblichen Termins im ersten Drittel des Jahres.

Doch volle Hallen und begeisterte Aussteller und Besucher ließen nicht nur die Corona-Pandemie beinahe vergessen, sondern sorgten auch für eine große Wiedersehensfreude. Rund 18.000 Embedded-Experten aus 76 Ländern nahmen an der Jubiläumsveranstaltung teil und informierten sich bei den etwa 720 Aussteller über die neuen Trends der Embedded-Technologien, von Bauelementen, Modulen und Komplettsystemen über Betriebssysteme und Software, Hard- und Softwaretools bis zu Dienstleistungen rund um das Thema Embedded-Systeme.

Nun steht alles auf Anfang – die Embedded World öffnet vom 14. bis 16. März 2023 ihre Pforten und bietet der Embedded-Community ihr gewohntes Umfeld. Was bewegt nun die Branche in diesem Jahr? »Mit dem Claim ‚embedded. responsible. sustainable.‘ rücken wir 2023 zentrale Zukunftsthemen der Embedded Branche in den Fokus«, erklärt Executive Director Benedikt Weyerer. Daher hat sich die Messe auf die Fahne geschrieben, nicht nur darüber zu diskustieren, wie und wo Embedded Systems beitragen können, die digitale Welt nachhaltiger zu gestalten. Sondern auch über Fragen, wie die Industrie nachhaltiger wirtschaften kann oder wie genau ein verantwortungsvoller Umgang mit künstlicher Intelligenz aussieht. Diskussionspotenzial ist definitiv vorhanden! (eck)

»Die Bedeutung von eingebetteten Systemen kann beim Thema Nachhaltigkeit kaum überschätzt werden«, betont Prof. Dr.-Ing. Axel Sikora, Chairman der embedded world Conference, in Hinsicht auf das Thema Sustainability. Wo lässt sich etwas bewegen?

 »Die Ansatzpunkte verteilen sich über den gesamten Lifecycle von eingebetteten Systemen«, erläutert Sikora. »Angefangen bei der Produktion, wo natürlich die Halbleiterfertigung sehr komplexe und energiehungrige Prozesse beinhaltet. In dieser Prozesstechnik steckt weiterhin eine Menge Optimierungspotenzial. Dabei spielt sicherlich auch die Umstellung der globalen Lieferketten eine Rolle.« Am Ende des Lebenszyklus‘ geht es dann darum, saubere Entsorgungsketten zu etablieren.

So sommerlich wird das Team der NürnbergMesse im März 2023 nicht auftreten können.

Axel Sikora, Chairman der embedded world Conference.

Hauptartikel Messevorbericht

NürnbergMesse | Nachhaltigkeit | Eingebettete Systeme

Messevorbericht | embedded world 2023

Elektronische Bauelemente

Neue und optimierte Funktionen für das Debugging und speziell für die Laufzeitanalyse von eingebetteter Software bietet PLS Programmierbare Logik & Systeme mit der Version 2023 der Universal Debug Engine. Auch das Portfolio an unterstützten High-End-MCUs wurde ausgebaut. Mit der Version wurden u. a. die Analyse- und Visualisierungsfunktionen für Trace-Daten erweitert. So werden im Execution-Sequence-Diagram die Reihenfolge der Funktionsaufrufe über die Zeit und ihre Verschachtelungstiefe sowie Task-Zustände und aktive Interrupt-Service-Routinen angezeigt.

Neue Zoom-, Scroll- und Sortier-Funktionen ermöglichen eine schnelle visuelle Inspektion der aufgezeichneten Informationen und eine einfache Navigation zu interessierenden Stellen der Trace-Aufzeichnung. Für die Weiterverarbeitung der Daten mit auf Laufzeitanalysen spezialisierten Tools von Drittherstellern gibt es eine Exportmöglichkeit im Best Trace Format. Alternativ können die Daten als ASAM MDF exportiert werden.

PLS auf der embedded world 2023: Halle 4, Stand 310

PLS’ UDE 2023 erleichtert Entwicklern das Debugging von High-End-SoCs. 

embedded world 2023

Entwicklungs-Tools

Messtechnik, Testlösungen, Diagnose

Cadence Design Systems hat das LPDDR5X Memory-Interface IP vorgestellt, das für einen Betrieb bis zu 8533 Mbps optimiert ist.

Damit ist es bis zu 33 Prozent schneller als das LPDDR IP der vorherigen Generation. Die Leistungssteigerung wird durch eine neue anpassungsfähige und skalierbare Architektur ermöglicht, die auf den Produktlinien LPDDR5 und GDDR6 des Unternehmens basiert. Die LPDDR5X Memory-IP-Lösung besteht aus einem Silicon-proven PHY und einem neuen, optimierten Controller, die für den Einsatz von LPDDR5X DRAM-Bauteilen entwickelt wurden, und dem JEDEC JESD209–5B Standard entsprechen. Die Controller/PHY-Schnittstelle basiert auf der neuen Spezifikation DFI 5.1 und unterstützt verschiedene On-Chip-Bussysteme.

In der Vergangenheit kamen LPDDR-Speicher hauptsächlich im Mobilfunkmarkt zum Einsatz, wohingegen sich LPDDR5X-Speicher auch gut für alle Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Bandbreite eignen, wie Fahrerassistenzsysteme, autonomes Fahren, einfachere KI-Systeme und Netzwerktechnik. Das Cadence LPDDR5X IP wurde speziell für neue SoC-Designs entwickelt und bietet flexible Floorplan-Optionen an.

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Cadence auf der embedded world 2023: Halle 4, Stand 122

Cadence kündigt eine 8533 Mbps LPDDR5X IP-Lösung u. a. für Automotive-Anwendungen an. 

Cadence

Ab sofort führt Rutronik die Board-to-Board-Steckverbinder der AX01– und MA01-Serien von Japan Aviation Electronics Industry (JAE). Die Steckverbinder kombinieren eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit (8 Gbps+) mit den schwimmenden Kontakten, um Steck-Zentrierfehler zu minimieren. Für den aufgrund neuer Vorschriften schnell wachsenden Fahrerassistenzmarkt bietet JAE mit den AX01- und MA01-Steckverbindern ein verlässliches Bauteil. Es kommt in störempfindlichen Applikationen zum Einsatz, die auf die Übertragung von Daten in Echtzeit angewiesen sind. Dazu zählen Sicherheitsfunktionen in Fahrzeugen, wie Warnsysteme und Kameras aber auch Navigationssysteme.

Die Komponenten sind in 88 Kombinationen für jede Serie, acht verschiedenen Ausführungen (30 – 140) und 11 Stapelhöhen (8 – 30 mm) erhältlich. Sowohl die AX01- als auch die MA01-Serie verfügen über eine schwimmende Toleranz von ±0,5 mm in X- und Y-Richtung, wodurch Positionsverschiebungen und Fehlausrichtungen bei automatisierten Montage- und Zusammenbauprozessen ausgeglichen werden können.

Die MA01-Serie kann bei Betriebstemperaturen im Automobilbereich von bis zu 125 °C zum Einsatz kommen.

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Rutronik auf der embedded world 2023: Halle 2, Stand 248

Die Produktreihe MA01 kann bei Betriebstemperaturen im Automobilbereich von bis zu 125 °C zum Einsatz kommen.

Rutronik_JAE

Steckverbinder

Elektromechanik

Zur embedded world stellt der deutsche Anbieter PEAK-System neue I/O-Produkte mit CAN-FD-Anbindung vor. Das universelle Steuergerät PCAN-MicroMod FD ECU ist für die Integration von kundenspezifischem Zubehör in Automotive-Anwendungen konzipiert. Das Gerät wurde für diesen Zweck mit einer CAN-FD-Anbindung sowie einer Mischung aus analogen und digitalen I/Os ausgestattet. Die I/O-Verarbeitung und Nachrichtenübertragung kann mit einem Windows-Programm über den CAN-Bus individuell konfiguriert werden. Das robuste Gehäuse mit zwei Automotive-Steckern ermöglicht den Einsatz in Nutz- und Schwerlastfahrzeugen unter rauen Bedingungen. Darüber hinaus kann das PCAN-MicroMod FD ECU auf die Verwendung der in Nutzfahrzeugen gängigen Kommunikationsstandards SAE J1939 und J1939 FD umgestellt werden. Die dafür notwendige, alternative J1939-Firmware wird PEAK-System für alle PCAN-MicroMod FD-Produkte kostenfrei zur Verfügung stellen.

Des Weiteren zeigt das Unternehmen das neue, programmierbare Sensormodul PCAN-GPS FD. Moderne Sensoren wie ein Satellitenempfänger, ein Magnetfeldsensor, ein Beschleunigungssensor und ein Gyroskop ermitteln Position und Lage. Die eingehenden Daten können anschließend mit dem integrierten Mikrocontroller auf Basis von Arm Cortex-M4 verarbeitet und per CAN oder CAN FD übertragen werden. Mithilfe des zur Verfügung gestellten Entwicklungspakets kann das Verhalten des Sensormoduls für spezifische Anwendungen programmiert werden.

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Peak-System Technik auf der embedded world 2023: Halle 1, Stand 304

Zur embedded world stellt PEAK-System neue I/O-Produkte mit CAN-FD-Anbindung vor.

Peak System

Chipsatz für Ultraschall-Linsenreinigung

Texas Instruments präsentiert Halbleiter auf Basis von Ultrasonic Lens Cleaning. Damit können Kamerasysteme Schmutz, Eis und Wasser mit mikroskopischer Vibrationen schnell detektieren und entfernen.

Bisher mussten Verunreinigungen von Kameralinsen entweder auf manuellem Weg entfernt werden, was die Verfügbarkeit des Systems einschränkte, oder mit mechanischer Vorrichtungen, die zu Fehlfunktionen führen konnten. Der ULC-Chipsatz, bestehend aus dem digitalen Signalprozessor ULC1001 und dem Piezo Transducer Driver DRV2901, basiert auf einer proprietären Technologie, mit der Kameras etwaige Kontaminationen schnell selbst entfernen können. Zur raschen Beseitigung des Schmutzes dienen dabei präzise gesteuerte Vibrationen, was die Systemgenauigkeit verbessert und den Wartungsbedarf verringert.

Der Controller ULC1001 enthält proprietäre Algorithmen für die automatische Detektierung und Reinigung sowie zur Temperaturermittlung und Fehlererkennung. Da all das ohne Bildverarbeitung geschieht, lässt sich die ULC-Technologie in hohem Maße an verschiedene Kameralinsen-Designs anpassen. Zu den Anwendungsgebieten gehören Kameras von Fahrassistenzsystemen und Rückfahrkameras.

TI auf der embedded world 2023: Halle 3A, Stand 215

Der ULC-Chipsatz von TI ermöglicht Linsenreinigungs-Systeme ohne komplexe mechanische Bauteile und menschliche Eingriffe.

Die Vector Kalibrierdaten-Lösung vCDM steht mit Version 21.1 auf Knopfdruck als Software-as-a-Service bereit. Die Lösung unterstützt Teams in der erfolgreichen Zusammenarbeit an Datenständen für Steuergeräte. Der vCDM Server stellt die Daten für alle Projektmitarbeiter zentral zur Verfügung, Datenänderungen durch mehrere Anwender werden konfliktfrei zusammengeführt und sind durchgängig über alle Versionen nachvollziehbar.

Kleine Teams sehen sich bei der Einführung oft vor internen, organisatorischen Herausforderungen. Installation und Betrieb des vCDM Servers sowie der benötigten Datenbank müssen mit der eigenen IT-Abteilung abgestimmt und Budgets meist langfristig geplant werden. Oft übersteigen dabei die internen Kosten die anfallenden Lizenzgebühren.

Mit vCDM Software-as-a-Service werden die genannten Herausforderungen bewältigt: Der vCDM Server wird auf Knopfdruck in der Vector Team Services Kollaborationsplattform bereitgestellt. Vector Team Services basiert auf Microsoft Azure. Azure ist DSGVO-konform und nach dem neuen internationalen Standard ISO/IEC 27701 (Privacy Information Management System PIMS) zertifiziert, dessen Anforderungen deutlich konkreter und detaillierter sind als die der DSGVO. In dem Self-Service-Portal der Vector Team Service Plattform registrieren sich die Anwender eigenständig und verwalten ihre Benutzerdaten. Anschließend kann festgelegt werden welcher Mitarbeiter welche Berechtigungen in vCDM hat.

Die Subskription für vCDM for Vector Team Services beinhaltet alle Kosten für Hardware, Software und Betrieb des vCDM Servers inklusive der benötigten Datenbank. vCDM for Vector Team Services ermöglicht es damit, langfristige Investitionskosten aus Projektbudgets zu decken und Zusammenarbeit sofort zu unterstützen.

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Vector Informatik auf der embedded world 2023: Halle 4, Stand 278

Die Vector Kalibrierdaten-Lösung vCDM ist ab der Version 21.1 auch als Software-as-a-Service verfügbar.

Vector

Software / Betriebssysteme / KI

Ein sicheres und komfortables Fahrerlebnis

Car Camera Bus –  kosteneffektive Kameravernetzung

Dieser Artikel untersucht unterschiedliche Schnittstellen von Automobilkameras in Hinsicht auf Kosten und Leistungsfähigkeit.

Die Anbindung von Kameras an das Automobilnetzwerk ist eine Schlüsseltechnik, um ein sicheres und komfortables Fahrerlebnis zu erschaffen. Dieser Artikel untersucht unterschiedliche Schnittstellen von Automobilkameras in Hinsicht auf Kosten und Leistungsfähigkeit.

Automobilkameras sind für Kameraanwendungen ein signifikanter Kostenmehraufwand, erlauben aber neue Sicherheits- und Komfortfunktionen. Die jüngste Marktstudie prophezeit, dass jedes Fahrzeug bis 2024 im Durchschnitt vier Kameras besitzen wird [1], weil der Markt auf die Wünsche der Kunden und Vorschriften der Behörden reagiert. Neue Applikationen wie Rundumsicht (Surround View Monitoring, SVM), Überwachung des Fahrerbefindens (Driver Status Monitoring, DSM) und die Aufzeichnung der Fahrten stehen dabei an vorderster Front dieser Explosion an Anwendungen der Kameratechnik. SVM und Rückfahrkameras ermöglichen ein sichereres Einparken. DSM-Kameras werden genutzt, die Sitzposition und die Augenbewegungen des Fahrers zu überwachen, um Ablenkung und Ermüdung des Fahrers zu erkennen. Kameras, die die Fahrt überwachen, werden genutzt, um Unfälle aufzuzeichnen. DSM- und Fahrtüberwachungskameras sind Vorschrift in den UN-Bestimmungen [2] für automatische Systeme zum Spurhalteassistenten (Automated Lane Keeping Systems, ALKS). Mehr als 60 Länder haben ALKS adaptiert, die Level 3 der Fahrzeugautomatisierung nutzen, um das Fahrzeug auf seiner Fahrspur zu halten. DSM ist nach Euro NCAP 2020 auch eine fundamentale Voraussetzung für das Bewertungssystem für assistiertes Fahren [3]. Die Automobilindustrie ist bereits einer der Industriezweige, die sich am stärksten dazu verpflichtet hat [4, 5] – jedoch auch mit den geringsten Margen weltweit. Die Herausforderung ist deshalb, wie man die benötigte Kameraleistung ohne signifikante Zusatzkosten anbieten kann.

SVM-Kameras liefern einen 360-Grad-Blick um ein geparktes Fahrzeug herum. Diese Systeme verringern das Risiko von leichten Blechschäden bzw. Unfällen – insbesondere mit Fußgängern und Radfahrern. Bis zu 70 Prozent der Fahrzeuge in asiatischen Ländern werden SVM installiert haben, weil dort überfüllte Straßen und kleine Parkplätze, das Parken besonders schwierig machen. SVM ist ein gutes Beispiel für eine Kameraanwendung, die Leben rettet und ein hervorragendes Fahrerlebnis kreiert. SVM ist darüber hinaus eine interessante Fallstudie für die Preis-Leistungs-Analyse von automobilen Kamerasystemen. Jedes SVM-System nutzt vier Kameras, um den Panoramablick zu realisieren. HD-Kameras verwenden häufig Koax-Kabel, die teuer, schwer und schwierig durch beengte Platzverhältnisse zu führen sind. Surround-View-Kameras, die Koax-Verkabelungen nutzen, benötigen teure Koax-Steckverbinder, was mehrere Millionen Dollar zusätzlichen Systemkosten bedeutet. Die Industrie ist deshalb mit einer wichtigen Frage konfrontiert: Welches Video-Interface an der Kamera bietet eine optimierte Kostenstruktur?

Kameras mit Standardauflösung (Standard Definition, SD) kommen seit vielen Jahren in der Mehrzahl der Entwicklungen für Automobilkameras zum Einsatz. Hier kommt eine preisgünstige Kabel- und Steckverbinder-Infrastruktur zum Einsatz, um die Systemkosten eines SVM-Moduls zu minimieren. SD-Kamerasysteme sind jedoch häufig nur mit einer 100-mA-Stromeinspeisung (Bulk-Current Injection, BCI) konform, wobei die meisten Automobilhersteller heute eine 200-mA-BCI-Leistung fordern. Weil die Größen der Displays im Innenraum anwachsen, ist die visuelle Leistung von SD nicht mehr ausreichend. SD-Video mit 720 x 480 Pixel ist sehr klein und muss skaliert werden, damit es in moderne Automobildisplays, beispielsweise 1920 x 720 Pixel, passt. Skalieren bedeutet aber Interpolieren oder das Erzeugen von neuen Pixeln, die die Leerräume auffüllen. Dieser Interpolationsprozess verursacht viele visuelle Artefakte, zum Beispiel Zacken an diagonalen Linien. Verbraucher sind mit der HD-Leistung in ihren Smartphones vertraut und eine SD-Leistung wird nicht länger akzeptiert. Obwohl SD-Video eine äußerst preisgünstige Lösung ist, planen viele Automobilhersteller aufgrund der limitierten EMC/I (BCI) und Video-Leistung keine SD-Kameras für ihre Modelle ab 2025 mehr einzusetzen.

Low-Voltage-Differential-Signaling-Kameraverbindungen (LVDS) sind eine sehr leistungsfähige, jedoch auch teure Lösung für automobile HD-Kameras. LVDS ist ein serielles digitales Übertragungsschema und überträgt Video akkurat von der Kamera zur ECU. LVDS-Kameralösungen sind ideal für hochwertige Frontkameras mit vier bis acht Megapixel Auflösung. Frontkameras benötigen die höchste Videoauflösung aller Automobilkameras, um den Abstandsregeltempomat, Objekterkennung, Verkehrszeichenerkennung und Kollisionsvermeidung zu unterstützen. LVDS verwendet eine große Bandbreite und benötigt abgeschirmte Kabel, um die EMV-Tests für Fahrzeuge zu bestehen. LVDS nutzt typischerweise Koax- oder Mini-Koax-Kabel. Das Biegeverhältnis und die Robustheit für viele Biegezyklen machen die Herstellung dieser Kabel zu einem Problem für Autobauer – zum Beispiel, wenn man diese Kabel durch Türanschlagsbänder führt, um Kameras in Außenspiegeln zu montieren oder im Fahrzeughimmel, um die Sitzbelegung zu erkennen oder sogar an der Rückseite der Vordersitze, um Videokonferenzen zu ermöglichen. Die Kosten der Koax-Steckverbinder machen die HD-Kamera-Anbindung für Klein- und Mittelklassewagen unerschwinglich.

Eine alternative Option ist der Einsatz einer Technik, die speziell zur Erfüllung dieser Herausforderungen in Automobilen entwickelt wurde. Die Car-Camera-Bus-Technik (C2B) ist eine Verbindungstechnik für HD-Automobilkameras, mit kaum merklichen Leistungsunterschieden zu LVDS-Schnittstellen (Bild 1). Mit C2B lässt sich eine HD-Leistung über eine preisgünstige UTP-Verkabelung erzielen. Somit müssen keine teure Koax-Steckverbinder mehr zum Einsatz kommen. Die Technik kann Anschlussleisten in der Verdrahtung nutzen, um niedrige Verkabelungskosten zu realisieren. Zusätzlich können Automobilhersteller die C2B-Schnittstelle in ihrer bestehenden UTP-Verkabelung integrieren, um Kosten zu reduzieren, wenn sie von SD- auf HD-Kameras übergehen. Optimierte Video-Codierung, differentielle Signalübertragung und interne Filterung stellen sicher, dass C2B ein robustes EMV-Verhalten auf der UTP-Infrastruktur, einschließlich der Erfüllung des 200-mA-BCI-Tests, bietet. Ein schneller Rückkanal über dasselbe verdrillte Leitungspaar ermöglicht eine Fernsteuerung der C2B-Kamera über die ECU. Der Rückkanal erlaubt es Herstellern, die Kameraleistung basierend auf den Lichtverhältnissen zu optimieren – eine klare Verbesserung gegenüber NTSC-Kameras. Durch die geringeren Systemkosten der C2B-Kameras rentiert sich eine HD-Kameraauflösung auch in Klein- und Mittelklassewagen.

C2B ist eine effiziente Lösung für die Automobilindustrie, denn sie bietet die bestmögliche HD-Kameraleistung zu Systemkosten, die sich für den Massenmarkt eignen (Tabelle 1). Die Technik eröffnet die Möglichkeit, Kamerasysteme in alle Autos zu implementieren. Zusätzlich bietet die Implementierung von sicherheitskritischen Systemen einen Vorteil für alle Verkehrsteilnehmer. (eck)

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Paul Slattery ist Strategic Marketing Manager in der Automotive Connectivity and Sensing Group von Analog Devices.

[1] Sensing and Computing for ADAS Vehicle 2020: Yole Développement, 2020.

[2] UN Regulation on Automated Lane Keeping Systems Is Milestone for Safe

Introduction of Automated Vehicles in Traffic. UNECE, Juni 2020.

[3] 2020 Assisted Driving Tests: What’s New for 2020? Euro NCAP, 2020.

[4] Andrew Edgecliffe-Johnson, Peggy Hollinger, Joe Rennison, and Robert Smith: Will the Coronavirus Trigger a Corporate Debt Crisis? Financial Times, März 2020.

[5] Pandey, Anchal: “US NTSB Recommends Driver Monitoring.” PathPartner, Juli 2020.

Paul Slattery ist Strategic Marketing Manager  in der Automotive Connectivity and Sensing Group  von Analog Devices.

Bild 1: Kamera und Steckverbinder für C2B in einem Automobil

Analog Devices

Vergleich unterschiedlicher Schnittstellen von Automobilkameras an das Netzwerk in Hinsicht auf Kosten und Leistung | Analog Devices | Embedded World 

Automatisiertes Fahren | Fahrerassistenzsysteme | C2B-Schnittstelle

Funktionale Sicherheit inklusive Cybersicherheit

Software-definierte Fahrzeuge bringen neue Risiken. Geeignete Lösungen zur Datenspeicherung können dazu beitragen, diese zu beherrschen.

Die Architektur von Fahrzeugen ist im Wandel. Neue Funktionen der Automatisierung, Vernetzung und Personalisierung werden zunehmend durch Software  realisiert. Doch Software-definierte Fahrzeuge bringen neue Risiken. Geeignete Lösungen zur Datenspeicherung können dazu beitragen, diese zu beherrschen.

Wenn es früher um Sicherheitsfragen in der Fahrzeugentwicklung ging, war klar, dass man von funktionaler Sicherheit (englisch: safety) sprach. Mittlerweile haben sich Fahrzeuge zu kleinen Rechenzentren entwickelt, die dazu mit hoher Geschwindigkeit unterwegs sind. Die Folge: Mit jeder neuen digitalen Assistenz-, Infotainment- oder Servicefunktion steigen die Anforderungen an die Datensicherheit: Cyber Security, also der Schutz vor Datenmanipulation und -ausspähung, ist für Automobilbauer zu einem ernst zu nehmenden Thema geworden. Versäumnisse bei der Cybersicherheit wirken sich unter Umständen auf die funktionale Sicherheit aus. Es läge nahe, geschlossene, unveränderliche  Systeme zu implementieren. Doch die Natur von Software-Defined-Systemen ist es, aktualisierbar und erweiterbar zu sein.

Die Hardware eines neuen Fahrzeugs ist fix, doch die Software muss ständig an neue Funktionen und Sicherheitsanforderungen angepasst werden können. Dabei geht es nicht nur darum, dass zum Beispiel viele Autofahrer eine vollständige Integration des Fahrzeugs in ihre digitale Welt erwarten. Es gibt konkrete Vorschriften, die eine disruptive Wirkung für die Hersteller haben: So verlangt beispielsweise die Cyber-Security-Regulierung der UNECE WP.29, dass neu entwickelte Fahrzeuge bereits heute über eine sichere Update-Möglichkeit verfügen müssen. Bei UNECE handelt es sich um das Harmonisierungsgremium der Vereinten Nationen, unter anderem zuständig für Fahrzeug-Typgenehmigungen in Europa.

Software-definierten Fahrzeugen gehört die Zukunft

Die Vorteile liegen auf der Hand: Funktionen werden in Zukunft individuell und nach Bedarf freigeschaltet – sogar als zeitlich limitierte Dienste, weil Software-Updates neue Vertrags- und Abrechnungsmodelle ermöglichen. Kommunizieren Fahrzeuge mit ihrer Umgebung und sammeln sie Daten im Realbetrieb, können diese Informationen zur Verbesserung von Diensten beitragen, die dem Fahrzeug dann über Over-the-Air-Updates zuteilwerden.

Eine in Smart-Grids eingebundene E-Mobilität, Car-Sharing, automatisiertes Fahren oder wie auch immer die nächsten Entwicklungen aussehen: Sie werden durch Software ermöglicht und können auch nach dem Kauf eines Autos noch aktiviert werden. Über Updates kann so der Fahrzeugwert über den Lebenszyklus mit neuen Features gesteigert werden – fast wie beim Smartphone. Die Voraussetzung: Software und Hardware müssen entkoppelt sein, um die Wartungsfreundlichkeit über den gesamten Lebenszyklus eines Fahrzeugs zu garantieren: von der Inbetriebnahme bis zur Außerbetriebsetzung und dazwischen. Dies erfordert Produktarchitekturen, die eine sichere Over-The-Air-(OTA)-Update-Fähigkeit der Anwendungssoftware unterstützen.

Neue Hochleistungsanwendungen wie erweiterte Fahrerassistenzsysteme und autonomes Fahren (ADAS/AV), Infotainment, Drive Video/Data Recorder oder Instrumenten-Cluster erhöhen den Bedarf an skalierbarer Rechenleistung, was eine hohe Bandbreite und geringe Latenz bei der Speicherung erfordert. OEMs und Tier-1-Anbieter stehen damit vor der Herausforderung, leistungsfähige Rechensysteme zu entwickeln. Es dürfte sich anbieten, mit verschiedenen und untereinander kommunizierenden, aber voneinander getrennten zentralen Einheiten zu arbeiten. Hinzu kommen spezielle Sensor-Einheiten, die nach dem Prinzip des Edge-Computings funktionieren (Bild 1). Es braucht zonale Gateways beziehungsweise Domänensteuereinheiten mit Gateway-Funktionalität sowie Schnittstellen für PCIe, Ethernet und CAN oder LIN für die Sensorik. All diese brauchen Speichermodule mit höchster Zuverlässigkeit.

Keine funktionale Sicherheit ohne Cyber Security

Funktionale Sicherheit im Sinne der ISO 26262 erfordert den Nachweis wirksamer Mechanismen zur Minderung von Cyber-Security-Risiken, die beispielsweise in der ISO 21434 definiert sind. Diese beiden Normen gehen Hand in Hand, da ein direkter oder indirekter Cyber-Angriff sicherheitskritische Systeme beeinträchtigen kann. Unter Fachleuten ist unstrittig, dass rein Software-basierte Sicherheitseinrichtungen korrumpierbar sind. Daher brauchen Elektronikentwickler Hardware-basierte Sicherheitslösungen, um Daten und Geräte zu schützen und regulatorische Standards bis hin zu ASIL D einhalten zu können.

In anderen Anwendungsbereichen hat sich ein Ansatz bewährt, der auch beim Software-definierten Auto vielversprechend ist. Seit Jahren werden bereits Sicherheitsfunktionen in industrielle Flash-Speicher-Module integriert, um abhörsichere Handys, polizeiliche Bodycams und Kassensysteme abzusichern. Mit einem Sicherheitschip als Hardware-Anker und Verschlüsselungsfunktionen in der Firmware können sogar auswechselbare Memory-Cards die Funktion von TPM (Trusted Platform Module) oder anderen Hardware-Sicherheitsmodulen übernehmen.

Dazu gehören Secure-Boot, die Verschlüsselung von personenbezogenen Daten kundenindividueller Funktionen, der Schutz von geistigem Eigentum und natürlich die Verhinderung von Datenmanipulation. Sehr wichtig im Zusammenhang mit der Kommunikation der Subsysteme untereinander und der OTA-Updates ist die eindeutige Identifizierbarkeit von Kommunikationsteilnehmern. M2M-Kommunikationsteilnehmer erhalten gewissermaßen einen „fälschungssicheren Ausweis“. So verhindern Authentisierungsmechanismen missbräuchliche Zugriffe auf Funktionen und Systeme eines Software-definierten Autos wirksam.

SSDs und Memory-Karten aus dem IT- oder gar Consumer-Bereich sind für automobile Anwendungen ungeeignet. Aktuelle 3D-NAND-Chips sind nur auf höheres Datenvolumen hin optimiert, was aber mit kürzerer Lebensdauer und hoher Temperaturempfindlichkeit erkauft wurde. Die Entwickler von Automobilanwendungen brauchen Produkte, die auf Basis ausgewählter Chips industrietaugliche Speichermodule verwenden. Dies bezieht sich zunächst auf die Fertigung robuster Hardware, die beispielsweise AEC-Q100-zertifiziert ist oder in IATF-16949-zertifizierten Fabriken hergestellt wird.

Ganz entscheidend ist auch die Firmware der Speichermodule. Sie gleicht durch geeignete Mechanismen die fundamentalen Schwächen von NAND-Chips der TLC-Technologie aus und sorgt für weniger Empfindlichkeit gegenüber extremen Temperaturen. Auch Lebenszeiten und Datenerhalt können verlängert werden. Die Maßnahmen zum Ausgleich der technologisch bedingten Schwächen können bis hin zum pseudo-SLC-Modus reichen, der nur das starke Bit einer NAND-Zelle nutzt.

Datenschutz- und Datensicherheitsaspekte werden bei neuen technischen Errungenschaften häufig zu spät beachtet, wie es immer wieder bei ungeschützten IoT-Geräten zu finden ist. Das in der Fahrzeugentwicklung fest integrierte Safety-Engineering wird dafür sorgen, dass dies nicht passiert und auch die Security-Thematik berücksichtigt wird. Hardware-basierte Sicherheit, integriert in Speichermodulen, kann dafür ein wichtiger Baustein sein. (hh)

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Swissbit auf der embedded world 2023: Halle 1, Stand 534

Matthias Poppel ist Chief Sales & Marketing Officer bei Swissbit.

Bild 1: Zentralisierte Speicherarchitektur für zukünftige Automobilplattformen.

Matthias Poppel ist Chief Sales & Marketing Officer bei Swissbit. 

Swissbit

Speichertechnologie | Software-Defined-Systeme | Safety  |  Datenschutz- und Datensicherheit

Datensicherheit

Fertigungsautomation

Sicherheitstechnik

»Autonomes Fahren braucht neue  Chiparchitekturen«

Wer bestehende Off-the-shelf-Bausteine nutzt, muss Kompromisse eingehen. Neue Chiparchitekturen sollen hier Abhilfe schaffen, wie uns videantis-CEO Dr. Hans-Joachim Stolberg erklärt.

Wenn es um die Verarbeitung von KI geht, beispielsweise für autonomes Fahren, ist viel Rechenleistung gefordert. Wer bestehende Off-the-shelf-Bausteine nutzt, muss Kompromisse eingehen. Neue Chiparchitekturen sollen hier Abhilfe schaffen, wie uns videantis-CEO Dr. Hans-Joachim Stolberg erklärt.

videantis mit Hauptsitz in Hannover ist Entwickler einer leistungsfähigen, effizienten und skalierbaren Unified-Processing-Plattform, die es ermöglicht, Algorithmen für KI/Deep Learning, multimodale Sensordatenverarbeitung und -fusion sowie Bild- und Videodekodierung auf derselben Architektur in Single-Chip-Lösungen zu implementieren. Mit seiner Prozessor-IP, Anwendungsbibliotheken und Entwicklungswerkzeugen unterstützt das Unternehmen weltweit Halbleiterhersteller, Autobauer und Automobilzulieferer in der Serienproduktion.

Herr Dr. Stolberg, welche Herausforderungen sehen Sie für künftige Chiplösungen für das autonome Fahren, und wieso werden Ihrer Ansicht nach neue Chiparchitekturen benötigt?

Wir sind seit mehr als 15 Jahren in der Automobilwelt tätig und haben dabei viele Entwicklungsgenerationen begleitet. Speziell das autonome Fahren bedingt eine nie dagewesene Menge von Sensoren, Daten und Algorithmen. Bei dieser Systemkomplexität stoßen die Architekturen bestehender Off-the-shelf-Bausteine mit ihren dedizierten Beschleunigerblöcken an ihre Grenzen. Zum einen ist es schwierig, alle Blöcke entsprechend effizient auszulasten, und zum anderen müssen die Daten laufend zwischen den verschiedenen Blöcken hin- und hertransportiert werden. Das alles erhöht Verlustleistung und Latenz, und vergrößert die Diskrepanz zwischen Datenblatt und real nutzbarer Rechenleistung.

Ihr Ansatz ist deshalb eine eher monolithische Architektur aus universellen Beschleunigerkernen?

Genau, unsere Kernarchitektur wurde über mehrere Generationen so weiterentwickelt, dass alle für das autonome Fahren eingesetzten Algorithmentypen – ob low- oder high-level – leistungsfähig und effizient abgebildet werden können. Statt Daten hin und her zu schieben können wir sie an Ort und Stelle verarbeiten. Mit dieser Flexibilität erreichen wir für verschiedenste – auch dynamisch veränderliche – Use Cases stets eine hohe Ausnutzung der vorhandenen Rechenkapazität, was im Ergebnis zu kostengünstigeren und effizienteren Chips führt.

Findet sich ein vergleichbarer universeller Ansatz nicht auch bei anderen Anbietern?

Es gibt vielleicht ein, zwei Start-ups, die ähnliche Konzepte verfolgen, allerdings nicht so konsequent wie wir. Darüber hinaus differenzieren wir uns in zweiwesentlichen Punkten. Erstens: Die Vorteile unseres Ansatzes sind bereits millionenfach in der Serienproduktion nachgewiesen. Und zweitens: Wir betrachten stets die Anforderungen des Gesamtsystems und sind überzeugt, dass die Branche am Ende eine hochintegrierte Ein-Chip-Lösung bevorzugt. AI Companion Chips sind maximal eine Übergangslösung. Der eine oder andere Marktbegleiter hat deshalb ja schon die Segel gestrichen…

Stichwort „Segel streichen“. Warum sollten Firmen überhaupt mit einem kleinen Anbieter wie videantis zusammenarbeiten?

Die Zusammenarbeit bietet v. a. Vorteile: Unsere Technologie ist in Bezug auf. Leistungsfähigkeit und Effizienz allen uns bekannten Lösungen überlegen – das haben Benchmarks global führender Automobilhersteller und Tier-1-Zulieferer wiederholt nachgewiesen. Gleichzeitig ist unsere Plattform hochgradig skalierbar – von einem bis über tausend Kerne – und eignet sich für die unterschiedlichsten Algorithmen, d. h. wir können gleichermaßen neuronale Netze und auch konventionelle Algorithmen abbilden. Es ist ein Irrglaube, dass künftig alles von AI bedient wird.

Auch auf wirtschaftlicher Seite ist das Risiko überschaubar. Wir leben von bestehendem Geschäft – mit mittlerweile mehr als 14 Mio. Fahrzeugen auf der Straße, die unsere Technologie enthalten – und nutzen darüber hinaus die kürzlich abgeschlossene Finanzierungsrunde, um sowohl die technische Weiterentwicklung weiter zu intensivieren als auch die Marktverbreitung weiter zu beschleunigen. (eck)

videantis und das koreanische Unternehmen ADTechnology designen zukünftig gemeinsam 5nm ADAS/AD-SoCs. 

Dr.-Ing. Hans-Joachim Stolberg, CEO/CTO und einer der Gründer der videantis GmbH in Hannover: »Das autonome Fahren bedingt eine nie dagewesene Menge von Sensoren, Daten und Algorithmen.«

Interview videantis

Autonomes Fahren | Algorithmen für KI/Deep Learning | Monolithische Architektur aus universellen Beschleunigerkernen

Interview mit videantis-CEO Dr. Hans-Joachim Stolberg

Entwickelt in Deutschland, gefertigt in Korea

Die Firma videantis hat vor wenigen Monaten eine Finanzierungsrunde in nicht genannter Höhe abgeschlossen und kurze Zeit später eine groß angelegte Kooperation angekündigt. Beachtenswertes Detail: neben institutionellen Anlegern konnte mit Ex-Elmos-Semiconductor-CEO Dr. Anton Mindl ein ausgewiesener Branchenkenner als Investor gewonnen werden.

Zusammen mit ADTechnology will man nun auf Basis der videantis-Architektur eine skalierbare Familie von ADAS/AD-Chips entwickeln. Ebenfalls eingebunden ist Arm, als Zulieferer für die Applikationsprozessoren. Die Fertigung wird in den Fabriken von Samsung Foundry stattfinden und deren 5-nm-Prozess nutzen. Adressiert werden Fahrzeugmodelle mit SOP 2025 oder später.<a ext="tango:{F01E025F-11FE-430C-9461-924DB365794E}"></a>

Herausforderungen bei der Entwicklung von Radartransceivern

Radarlösungen haben sich für Fahrerassistenzanwendungen bewährt und werden auch beim automatisierten Fahren eine wichtige Rolle spielen. Zukünftig werden also sie noch breiter zum Einsatz kommen – insbesondere, weil sie sich mit anderen Sensortechnologien kombinieren lassen.

Radarlösungen haben sich für Fahrerassistenzanwendungen bewährt und werden auch beim automatisierten Fahren eine wichtige Rolle spielen.

Moderne Kommunikations- und Sensortechnologien haben die Art und Weise, wie Autos konstruiert werden, revolutioniert. Zur Erhöhung der Sicherheit und auf dem Weg hin zum autonomen Fahren müssen neue Fahrzeuge über Systeme verfügen, die mit ihrer Umgebung, der Infrastruktur oder anderen Verkehrsteilnehmern interagieren können, um mögliche Gefahrenquellen zu erkennen. Fahrzeugsensoren sind daher der Schlüssel zur Verbesserung der Sicherheit im Straßenverkehr und zum Erreichen eines hohen Standards des autonomen Fahrens. Ihr Einsatz wird dazu beitragen, die Zahl der Verkehrsunfälle und der damit verbundenen Todesfälle weltweit zu senken. Die Vision Zero ist das ultimative Ziel: Vollständige Vermeidung von Verkehrstoten bis zum Jahr 2050.

Unter den Sensoren, die für das assistierte und automatisierte Fahren in Betracht kommen, haben sich Radar-Lösungen für ADAS-Anwendungen, beispielsweise die adaptive Geschwindigkeitsregelung, als äußerst zuverlässig erwiesen. Es wird erwartet, dass Anwendungen für Radar in Zukunft noch breiter zum Einsatz kommen, weil Radar oft gemeinsam mit anderen Sensortechnologien wie Videokameras und Lidar genutzt wird. Die Vor- und Nachteile der verschiedenen Sensortypen sind in der nachstehenden Tabelle zusammengefasst. Vollständig autonomes Fahren wird eine Fusion von Daten erfordern, die aus verschiedenen Sensortechnologien stammen. Sensoren, die rund um das Fahrzeug verteilt sind, gewährleisten eine vollständige 360-Grad-Abdeckung. Sie schaffen auf diese Weise einen „Sicherheitskokon“ um das Fahrzeug herum. Bild 1 veranschaulicht das Konzept, unter ausschließlicher Betrachtung von Radarsensoren.

Ein weiterer Vorteil des Radareinsatzes besteht darin, dass Radarsensoren leicht hinter gewöhnlichen Fahrzeugteilen wie Stoßstangen oder Emblemen angebracht werden können. So sind sie nicht sichtbar und beeinträchtigen die Fahrzeugästhetik kaum. Die meisten Länder haben das 76 bis 81 GHz als Frequenzband für Automotive-Radar akzeptiert. Die physische Integration wird mit höheren Betriebsfrequenzen einfacher, weil sich so die Größe der Radarantennen reduzieren lässt. Allerdings ergeben sich bei höheren Frequenzen neue Herausforderungen aufgrund von Kompromissen bezüglich der Leistung, höheren Verlusten sowie größeren Auswirkungen von Fertigungstoleranzen.

Radar eignet sich vor allem für Anwendungen im Automobilbereich, weil Fahrzeuge die Radarwellen gut reflektieren. Es kann für Komfortfunktionen wie die automatische Geschwindigkeitsregelung und für hochauflösende Erfassungsanwendungen zum Einsatz kommen, die zur passiven und aktiven Sicherheit eines Fahrzeugs beitragen. Beispiele hierfür sind die Totwinkelerkennung, Spurwechselassistenten und Kreuzungswarner für den rückwärtigen Verkehr sowie die Erkennung von Fußgängern und Fahrrädern in Fahrzeugnähe.

Heutzutage lassen sich Radarsensoren anhand ihres Erfassungsbereichs klassifizieren, wie in Bild 2 dargestellt.

<ul><li>Short Range Radar (SRR): bis zu 50 m mit weitem Sichtfeld und hoher Auflösung</li><li>Mid-Range Radar (MRR): bis zu 100 m mit mittlerem Sichtfeld</li><li>Long Range Radar (LRR): 250 m oder mehr Reichweite, mit engerem Sichtfeld und einem geringeren Fokus auf hohe Auflösung</li></ul>

Mit der Entwicklung neuer Radartechnologien wird die Reichweite voraussichtlich über diese Grenzen hinausgehen. Zusätzlich wird die vertikale Ebene noch zur Erfassung hinzukommen, um ein vollständiges 3D-Bild der Umgebung zu liefern. Zukünftig werden Fahrzeuge mit zahlreichen Radarmodulen ausgestattet, um von einer ausschließlich frontal ausgerichteten Radarkonfiguration, die assistiertes Fahren ermöglicht, hin zu Stufe 4 des New Car Assessment Program (NCAP) zu gelangen. Auch werden in naher Zukunft mehr Fahrzeuge mit Eckradarsensoren bestückt sein, um Level 2+ für autonomes Fahren und NCAP 4 – 5 für Standardfahrzeuge sowie Level 3/4 für autonomes Fahren und NCAP 5 für das Premiumsegment zu erreichen (Bild 3).

Die Aufbereitung der Radardaten wird jedoch stark von der Fahrzeugarchitektur abhängen. Der derzeitige Trend zur Leistungssteigerung der zentralen Recheneinheiten treibt die Entwicklung der fahrzeuginternen E/E-Architektur hin zu einer verteilten Systemstruktur voran. Obwohl die Umstellung auf eine vollständig verteilte Architektur erst in den 2030er Jahren abgeschlossen sein wird, werden Teilimplementierungen bereits früher auf den Markt kommen. Zunächst werden einige Domänen-Controller für spezifische Funktionen wie ADAS eingesetzt. Anschließend wird die Anzahl der Domänen-Controller zunehmen. Gleichzeitig werden Zonen-Controller eingeführt, bevor sich eine vollständig zentralisierte E/E-Architektur etabliert hat, bei der der Zentralrechner des Fahrzeugs über die Zonen-Steuergeräte mit den Sensoren verbunden ist. Diese Entwicklung bedingt höhere Anforderungen an die Kapazität und Zuverlässigkeit der Fahrzeugnetze sowie an die Software-Komplexität.

Auf Basis der neuen E/E-Architektur, die derzeit eingeführt wird, könnte ein Teil der Radarverarbeitung vom Radarsensormodul (Edge Computing) in die Zone oder das zentrale Steuergerät verlagert werden. Das ermöglicht eine effizientere Datenverarbeitung. Heute wird die gesamte Radarverarbeitung an den Außenseiten des Fahrzeugs mit intelligenten Sensoren durchgeführt, wie Bild 4 verdeutlicht. Das bedeutet, dass eine Reihe unabhängiger Radarmodule um das Fahrzeug herum verteilt sind. Diese verfügen jeweils über einen eigenen Transceiver und eigene Prozessorfähigkeiten. Die prozessierten Daten, normalerweise die Objektliste, werden dann an ein ADAS-Steuergerät zur weiteren Verarbeitung und möglicherweise zur Fusion mit den Daten von anderen Sensoren übertragen. Bei einer geeigneten Verteilung der Sensoren im Fahrzeug kann die Umgebung korrekt erfasst und Hindernisse erkannt werden.

Mit der Entwicklung zentralisierter Rechnerarchitekturen wird die Weiterverarbeitung der Radardaten in Zukunft voraussichtlich vom individuellen Radarsensor hin zu einer separaten Recheneinheit verlagert. Hierbei kann es sich um ein Zonensteuergerät oder direkt um den Zentralrechner des Fahrzeugs handeln. Die individuellen Radarmodule benötigten dann weniger Intelligenz und würden nur einen begrenzten Teil der Verarbeitung der empfangenen Radarsignale übernehmen. So wird das Modul beispielsweise die Entfernung zu den verschiedenen Objekten bestimmen und die Entfernungsprofile an einen entfernten Prozessor weiterleiten. Die Zentraleinheit empfängt dann die vorverarbeiteten Daten von verschiedenen Satellitenradarmodulen und führt die restlichen Verarbeitungsschritte für jeden einzelnen Datensatz durch. Damit lässt sich die Objektliste mit ihren jeweiligen Merkmalen – Entfernung, Richtung und Geschwindigkeit – erstellen und auf diese Weise ein vollständiges Bild der Umgebung erzeugen. Die erhaltenen Ergebnisse werden dann mit den Resultaten von anderen Sensoren fusioniert oder kombiniert. Diese neue Multi-Sensor-Konfiguration liefert die erforderliche Genauigkeit und beseitigt Redundanzen, um einen hohen Grad autonomen Fahrens zu ermöglichen, wie Bild 5 zeigt.

In den ersten Implementierungen dieses zentralisierten Architekturkonzepts lassen sich die von den verschiedenen Radarsensoren vorverarbeiteten Daten über das Ethernet-Backbone des Fahrzeugs an Zonen- oder zentrale Steuergeräte übertragen. Ist eine höhere Auflösung erforderlich und die Datenmenge zu groß, wie bei vorwärts gerichteten oder bildgebenden Radarsystemen, dann kann die Vorverarbeitung der Radardaten immer noch auf dem Sensor selbst durchgeführt werden, um die zu übertragende Datenmenge zu reduzieren. Die zentrale Verarbeitung der Daten von entfernten Radarsensoren bietet diverse Vorteile. Erstens werden die Radarmodule selbst weniger komplex, wodurch sich Größe und Kosten sowie Probleme mit der Wärmeableitung verringern lassen. Das vereinfacht Instandsetzungen und Aktualisierungen sowohl der Hardware als auch der Software. Zweitens werden durch die Nutzung des bestehenden Fahrzeugnetzes, d. h. des Ethernet-Backbones, auch die Kosten und das Gewicht der Verkabelung im Fahrzeug reduziert. Außerdem stehen die per Ethernet übertragenen Daten in einem Format zur Verfügung, das deren Speicherung und Verarbeitung erleichtert.

Schließlich ermöglicht die Verarbeitung der Daten in den ECUs des Fahrzeugs eine höhere Effizienz sowie anspruchsvollere und komplexere Funktionen. Die Erfassungsmöglichkeiten lassen sich durch Datenfusion mit Informationen aus anderen Sensortechnologien verbessern. Maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz können für eine weiterentwickelte Erkennung und Vorhersage herangezogen werden und ermöglichen so einen höheren Grad des automatisierten Fahrens.

Erwartungsgemäß werden sowohl das Edge-Processing als auch die zentrale Datenverarbeitung noch einige Jahre lang nebeneinander bestehen. Die Umstellung auf E/E-Architekturen mit zentraler Datenverarbeitung wird den Zugang zu Hochgeschwindigkeitsdatenverbindungen im gesamten Fahrzeug erfordern. Das kann zur Verwendung unterschiedlicher Standards für den Datenaustausch führen. In jedem Fall werden zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen erforderlich, um die Integrität und Sicherheit der zu übertragenden Daten zu gewährleisten. Die zunehmende Anzahl von Radarmodulen im eigenen Fahrzeug sowie in anderen Fahrzeugen, die alle Funkwellen aussenden und empfangen, kann auch zu Interferenzproblemen führen, die es zu lösen gilt. (eck)

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Marta Martínez-Vázquez ist Senior Staff Product Marketing Engineer Automotive Analog Product in der Marketing Division bei Renesas.

Tabelle 1: Vor- und Nachteile verschiedener Sensortechnologien für Automotive-Anwendungen

Bild 1: Platzierung von Radarsensoren in einem Fahrzeug für eine 360-Grad-Erfassung

Bild 2: Reichweitenklassifizierung von Radarsystemen im Fahrzeug 

Bild 3: Fahrzeugradar für verschiedene NCAP-Level sowie Stufen des autonomen Fahrens

Bild 4: Intelligente Sensoren mit  dezentraler Datenverarbeitung 

Bild 5: Beispiel einer Radararchitektur mit Satellitenmodulen und Datenverarbeitung auf Zonen-basierten Steuergeräten

Marta Martínez-Vázquez ist  Senior Staff Product Marketing  Engineer Automotive Analog  Product in der Marketing Division bei Renesas.

Renesas

Vor- und Nachteile verschiedener Sensortechnologien für Automotive-Anwendungen | Radarsensoren | Weiterverarbeitung der Radardaten

Assistiertes und automatisiertes Fahren 

Neue Mikrocontroller zur Steuerung von Traktionswechselrichtern in E-Fahrzeugen

Reichweite erhöhen  und Systemkosten senken

Der schnell wachsende Markt für Elektrofahrzeuge bringt neue Chancen und Herausforderungen mit sich. Der Traktionsumrichter spielt dabei eine Schlüsselrolle. Um diesen effizient zu steuern, hat NXP mit der S32K39-Serie eine neue Familie von Mikrocontrollern entwickelt.

Der schnell wachsende Markt für Elektrofahrzeuge bringt neue Chancen und Herausforderungen mit sich. Der Traktionsumrichter spielt dabei eine Schlüsselrolle.

Vom Verbrenner zum Elektrofahrzeug – die Automobilindustrie befindet sich im Wandel. Diese Entwicklung hat mehrere Ursachen. Zum einen steigt, unterstützt durch staatliche Vorgaben und Anreize, weltweit der Druck zur Reduzierung der Treibhausgase. Gleichzeitig wächst bei Verbrauchern das Bewusstsein für und das Interesse an den Vorteilen von Elektrofahrzeugen in dem Maß wie ihre Kosten geringer, ihre Reichweite größer und die Ladeinfrastruktur besser wird. Viele Marktforscher gehen davon aus, dass bis 2030 50 Prozent der jährlich verkauften Neufahrzeuge elektrisch sein werden.

Einige wenige Schlüsselkomponenten unterstützen den elektrischen Antriebsstrang, der auf einem Hochspannungsbatteriepaket (~400–800 VDC) mit einer typischen Kapazität von 40 bis 200+ kW/h und einem oder mehreren Elektromotoren basiert. Ein bordeigenes Ladegerät (On-Board Charger, OBC) wandelt den über eine Ladestation empfangenen Wechselstrom in Gleichstrom um und steuert das Laden der Batterie. Das Batteriemanagementsystem (BMS) überwacht kontinuierlich den Zustand der Batterie und sorgt bei einer Störung für ein sicheres Management. Der DC/DC-Wandler liefert niedrigere Spannungen wie 12/24/48 VDC für andere Systeme wie Infotainment und Karosserie. Der Traktionswechselrichter wandelt die Gleichstromenergie der Batterie sicher in Wechselstrom um, um das Drehmoment des E-Motors für die Fortbewegung des Fahrzeugs zu steuern.

Der Traktionsumrichter ist eine entscheidende Komponente, die das Herzstück des Antriebsstrangs eines Elektrofahrzeugs darstellt und sich direkt auf die Batterieleistung und das Fahrerlebnis des Endverbrauchers auswirkt. Er ist für die sichere, präzise und effiziente Steuerung eines E-Motors verantwortlich, um Reichweite, Ansprechverhalten, Laufruhe, Traktion und Handling zu gewährleisten. Der Traktionsumrichter integriert viele Technologien, um Drehmomentbefehle von einem Fahrzeugsteuergerät (Vehicle Control Unit, VCU) zu interpretieren und den E-Motor sicher und bedarfsgerecht zu steuern. Nachfolgend wird der durchgängige Echtzeit-Regelkreis betrachtet, wie er in Bild 1 dargestellt ist.

Die Anatomie des Traktionswechselrichters

Die Bewegung eines Fahrzeugs hängt von mehreren Drehmomentanforderungen ab, zum Beispiel vom Zustand des Gas- und Bremspedals, der elektronischen Stabilitätskontrolle und ADAS-Funktionen wie der automatischen Notbremsung und dem adaptiven Tempomat. Auf der Grundlage dieser Eingaben berechnet die VCU Drehmomentwerte und sendet diese über eine CAN- oder Ethernet-Schnittstelle an einen sicheren Mikrocontroller (MCU) im Antriebsumrichter. Bei Elektrofahrzeugen mit mehreren Motoren kann die VCU auch eine Drehmomentvektorisierung gewährleisten, um das Drehmoment jedes Motors intelligent und akkurat einzustellen und so das Fahrverhalten und die Traktion zu verbessern.

Eine sichere, leistungsstarke MCU ist das Gehirn der E-Motor-Steuerung. Sie führt eine rechenintensive, feldorientierte Steuerung (Field-Oriented Control, FOC) durch, um das Drehmoment auf der Grundlage der Rotorposition des Motors und dem derzeitigen Bedarf an drei oder sechs Phasen des Wechselstroms effizient zu steuern. Die genaue Rotorposition und Drehzahl des Motors werden von einem sicheren Software-Resolver bestimmt, der auf intelligente Weise die Sinus- und Kosinus-Signale dekodiert. Diese werden von einem Resolvertransformator erzeugt, der sich mit dem Rotor dreht. Die drei AC-Stromphasen werden von MCU-Analog-Digital-Wandlern erfasst und abgetastet. Mit diesen Informationen berechnet die MCU pulsbreitenmodulierte (PWM) Steuersignale, die dem Drehmomentbedarf entsprechen, und sendet sie an isolierte Hochspannungs-Gate-Treiber, die Leistungsschalter steuern, um die Gleichstromversorgung der Batterie in Wechselstrom umzuwandeln.

Sechs isolierte Hochspannungs-Gate-Treiber, einer für die Hochspannungsseite und einer für die Niederspannungsseite für jede der drei Wechselstromphasen, sorgen für die sichere Steuerung, Überwachung und den Schutz der Leistungsschalter, um die Effizienz und Zuverlässigkeit zu maximieren. Zur Sicherheit sorgen sie für eine galvanische Trennung zwischen der Niederspannungs-Steuerseite und der Hochspannungs-Schaltseite und entladen den Zwischenkreiskondensator, wenn das Fahrzeug ausgeschaltet ist oder kurz vor einem Unfall steht, um einen Stromschlag zu vermeiden. Intelligente Gate-Treiber können Funktionen zur Verbesserung der Leistungseffizienz bieten und Überwachungs- und Schutzschaltungen für eine schnelle Fehlererkennung und erhöhte Sicherheit enthalten.

Bei den heute verwendeten Leistungsschaltern handelt es sich in der Regel um bipolare Transistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs). Leistungsschalter mit breiter Bandlücke, wie Siliziumkarbid- und Galliumnitrid-Schalter (SiC bzw. GaN), können jedoch erhebliche Vorteile bieten, weil sie Schaltfrequenzen ermöglichen, die zu einem höheren Wirkungsgrad und einer höheren Leistungsdichte führen, sowie kleinere unterstützende Komponenten, die die Größe des E-Motors verringern können. Weil die Schaltfrequenzen von einigen 10 kHz bei IGBTs auf 100 bis 200+ kHz bei Leistungsschaltern mit breiter Bandlücke ansteigen, werden leistungsfähigere MCUs benötigt.

Bild 2 zeigt einige der wichtigsten Trends auf dem Markt für Elektrofahrzeuge. Verbesserungen bei den Antriebsumrichtern können diese Trends aufgreifen, um die Akzeptanz der Verbraucher zu erhöhen und die Zufriedenheit zu steigern.

Durch den Einsatz moderner Siliziumtechnologien und -lösungen können Automobilhersteller die Kosten von E-Fahrzeugen senken, die Reichweite erhöhen, das Fahrerlebnis verbessern und eine breitere Palette von Optionen für E-Motoren mit einem skalierbaren Ansatz anbieten. Neue Mikrocontroller, Gatetreiber und Leistungsschalter können wichtige EV-Kennzahlen wie Batteriekosten, Leistungsdichte und Effizienz verbessern und zusätzliche Sicherheitsfunktionen bieten. Eine leistungsstärkere Verarbeitung kann zur weiteren Kostensenkung von neuen Motorsteuerungen wie die sensorlose Gegen-EMK-Steuerung beitragen. Die Designs von Antriebsumrichtern können auch erweitert werden, um neue E/E-Zonen-Architekturen und neue datengesteuerte, Software-definierte Fahrzeuge zu unterstützen, die einen Software-definierten Motor schaffen und im Lauf der Zeit durch Over-the-Air-Updates (OTA) aktualisiert und verbessert werden können.

NXP Semiconductors hat neue Lösungen für die Elektromobilität vorgestellt, die den Trends und Möglichkeiten des Marktes Rechnung tragen. Die MCUs der Serie S32K39 sind für die Steuerung von zwei Traktionswechselrichtern optimiert und verfügen über vier Arm Cortex-M7-Kerne mit 320 MHz, die als Lockstep-Paar konfiguriert sind, zwei Split-Lock-Kerne, zwei Motorsteuerungs-Coprozessoren und einen digitalen Signalprozessor. Sie können zwei 200-kHz-Steuerschleifen unterstützen, die sich sowohl für heutige IGBTs als auch SiC- und GaN-Leistungsschalter nutzen lassen, um die Energieeffizienz zu verbessern und höhere Schaltfrequenzen zu erzielen, was die Größe, das Gewicht und die Kosten des Motors reduziert und die Reichweite erhöht.

NXP TITEL

Elektromobilität | Steuern von Traktionswechselrichter | Systemkosten durch den Wegfall externer diskreter Komponenten und des Resolver-Digital-Wandlers senken