Mikrocontroller für die Karosserie-Elektronik Es muss nicht immer ein 32-Bitter sein

Spätestens seit der »Cortex«-Architektur haben sich 32-Bit-Mikrocontroller mit ARM-Core als Quasistandard etabliert. Doch es müssen nicht immer 32 Bit sein, wie Anwendungsbeispiele aus der Karosserie-Elektronik zeigen - 8-Bitter können für einfachere Funktionen einige Vorteile bezüglich Kosten, Formfaktor oder Stromaufnahme bieten.

Ob Kundenerwartungen oder rechtliche Auflagen: OEMs müssen die Karosserie-Elektronik ihrer Fahrzeuge ständig weiterentwickeln. Gleichzeitig hat sich die Zeitspanne zwischen Systemdesign und letztendlicher Fertigung in den letzten fünf Jahren immer mehr verkürzt. Kosten, Gewicht und Energieverbrauch müssen sinken, auf der anderen Seite erfordert Karosserie-Elektronik eine enge Integration mit dem Rest des Fahrzeugs. Für einfachere Fahrzeugfunktionen, die eigenständig und mit dem Chassis-Steuermodul (Body Control Module, BCM) arbeiten müssen, eignen sich gemäß dem AEC-Q100-Standard qualifizierte 8-Bit-Mixed-Signal-Mikrocontroller (MCUs) sehr gut.
Auf die naheliegende Frage einiger Entwickler, warum heute jemand einen 8-Bit-Baustein verwenden sollte, wenn 32-Bit-MCUs auf ARM-Cortex-Basis zur Verfügung stehen, gibt es eine einfache Antwort: Ist die Funktion nicht sehr rechen-intensiv, machen einige Vorteile die
8-Bit-MCU zur besseren Wahl:

  • kosteneffiziente Lösung (inklusive kleinerer Stückliste, Bild 2); 
  • kleinster Formfaktor (einfache Integration zusammen mit Sensoren); 
  • stromsparend (Instant-on- und Always-on-Funktionen); 
  • kleinere Codegröße für mehr Flash-Effizienz (1 Byte im Vergleich zu 4 Byte); 
  • gut entwickelte OEM-Automotive-Systemsoftware für CAN- und LIN-Interaktion. 

Vor diesem Hintergrund eignen sich 8-Bitter für eine Reihe von Anwendungen in der Karosserie-Elektronik. So werden Fensterheber zum Beispiel von 8-Bit-Mixed-Signal-MCUs gesteuert, die einen Verriegelungs- und Einklemm-Erkennungsalgorithmus enthalten. Auch für die Steuerung anderer Funktionen in Fahrzeugtüren und Außenspiegeln lassen sich die Bausteine verwenden und ermöglichen eine quarzlose CAN- und LIN-Bus-Kommunikation zwischen dem BCM und den Türfunktionen. Elektrisch verstellbare Sitze, in denen drei Motoren für den richtigen Sitzkomfort des Fahrers sorgen, sind ein weiteres Anwendungsfeld. Über die grundlegenden Sitzfunktionen mittels einfacher Motorsteuerung und mechanischen Schaltern hinaus beinhalten höherwertige Sitzsysteme eine Speicherfunktion für mehrere Sitzpositionen verschiedener Fahrer sowie eventuelle Sitzheizungs- und -kühlsysteme.
8-Bit-MCUs ermitteln die Lenkwinkelposition über einen AMR-Sensor (anisotroper Magnetwiderstand) und übertragen die Daten über den schnellen CAN-Bus. In dieser analoglastigen Anwendung sind Kalibrierungsmessungen vorgesehen, und eine variable Dämpfungsfunktion für jeden Sensor nutzt den gesamten Funktions-bereich des integrierten A/D-Wandlers aus. Hochintegrierte 8-Bit-MCUs erweitern Systeme rund um die Windschutzscheibe über die Grund-
funktionen Scheibenwischer, Waschanlage und Abtauen hinaus um CAN, LIN oder andere serielle Netzwerke, sorgen so für geringeres Kabelbaumgewicht und niedrigere Kosten und ermöglichen eine effizientere Motorsteuerung für Scheibenwischer und Waschwasserpumpe. Dies ist nicht nur für (Hybrid-)Elektrofahrzeuge von Bedeutung, sondern auch in Verbrennerfahrzeugen, in denen die Stopp/Start-Funktion, elektrische Servolenkung und elektrische Klimaanlagen-Kompressoren für einen effizienteren Kraftstoff-verbrauch sorgen sollen.
Moderne Rückspiegel enthalten meist einen Kompass, Außentemperaturanzeige, Garagentüröffner, Leselampen, Abblendautomatik und ein Backup-Videodisplay der Rückfahrkamera. Außerdem finden sich im Rückspiegel (oder separat dahinter auf der Windschutzscheibe) Funktionen wie Regensensor, Glas-
Taupunkt- und Kondensationssensoren für Scheibenwischer, Umgebungslichtsensoren für die Steuerung von Scheinwerfern/Fernlicht sowie Bildmodule für Frontkameras für Fahrerassistenzsystem-Funktionen (ADAS) wie Kollisionsvermeidungs- und Fußgänger-Warnsysteme, Spurhalteassistenten und Verkehrszeichenerkennung.

Die Kombination aus Windschutzscheiben- und Spiegelsystem steuert eine 8-Bit-Mixed-Signal-MCU, die als Schnittstelle dient sowie die Steuerung und Datenanalyse für die Regenerkennung, Außentemperatur, Glaskondensation, Kompasssensoren, automatische HVAC-Windschutzscheiben-Abtaufunktion und ADAS-Funktionen übernimmt. Bild 1 zeigt mögliche Bestandteile eines elektronischen Windschutzscheiben- und Rückspiegelsystems.

Weniger Bauteile

Durch die Integration präziser Analogperipherie und Kommunikationsprotokolle wie CAN und LIN tragen 8-Bit-Mixed-Signal-MCUs dazu bei, die Anzahl diskreter Bauelemente wie Spannungsreferenzen, Regler oder Resonatoren in der Stückliste von Karosserie-Anwendungen zu reduzieren (Bild 2). Weniger Bauteile verringern den Platzbedarf von Systemen und erhöhen die Zuverlässigkeit, da weniger Verbindungen auf der Leiterplatte erforderlich sind. Mit Taktfrequenzen im Bereich von 25 MHz bis 100 MHz verfügen die Bauteile über genügend Rechenleistung für die meisten Karosserie-Elektronik-Anwendungen. Sie bieten zudem eine zum Beispiel für Fensterheber und Türschlösser erforderliche hohe Integration auf kleinem Raum.
Ein Beispiel einer solchen 8-Bit-Automotive-MCU ist die Serie »C8051F58x« von Silicon Labs. Die Bausteine sind nach AEC-Q100 qualifi-ziert und getestet, für einen Temperaturbereich bis +125 °C ausgelegt und bieten laut Hersteller eine besonders umfangreiche On-Chip-Peripherie: eine CAN-2.0B-Schnittstelle; eine LIN-2.1-Schnittstelle; einen präzisen Oszillator, der vollen Betrieb ohne externen Quarz-Oszillator ermöglicht; eine präzise Spannungsreferenz; einen 5-V-Regler; einen 12-Bit-A/D-Wandler und ein innovatives I/O-Schema, das dazu beiträgt, die Fertigungs- und Testkosten zu verringern.
Mit 50 MIPS Verarbeitungsleistung können komplexe Algorithmen und Berechnungen innerhalb der Laufzeit erfolgen, anstatt Look-up-Tables verwenden zu müssen. Dies spart Platz im bis zu 128 KByte großen Flash-Speicher, der sich für eine bessere Anwendungsperformance nutzen lässt. Der interne Oszillator der F58x-MCUs ist über den gesamten Automotive-Grade-1-Betriebstemperatur- (-40 °C bis +125 °C) und Spannungsbereich bis zu ±0,5% genau; mit dem integrierten A/D-Wandler und Temperatursensor lässt sich dieser Wert sogar auf ±0,25% verbessern. Damit lassen sich schnelle CAN-Netzwerke ohne externe Resonatoren oder Timing-ICs betreiben, was die Kosten senkt und die Systemzuverlässigkeit erhöht.
Der integrierte 12-Bit-A/D-Wandler unterstützt bis zu 32 Kanäle und Abtastraten von 200 kSamples/s. Zudem enthält er eine präzise Spannungsreferenz mit einer Stabilität von ca. ±30 ppm/K und spart so auch hier eine externe Referenz ein, die Fläche und Kosten des Designs erhöhen würde. Mit der variablen Dämpfung des A/D-Wandlers können Entwickler das Eingangssignal dynamisch dämpfen und an die Spannungsreferenz anpassen. Dies hat zwei wesentliche Vorteile: 

  • Alle Eingangssignale, die größer als die Spannungsreferenz sind, können den vollen Umfang der Ausgangs-Codes nutzen. Das heißt, das Signal wird nicht abgeschnitten und alle Ausgangs-Codes stehen für den maximalen Dynamikbereich zur Verfügung. 
  • Die einzelnen Abweichungen bei Sensoren werden beseitigt. Damit lassen sich kostengünstigere Sensoren verwenden, diese im System kalibrieren und die gleiche Leistungsfähigkeit erzielen wie bei teuren Präzisionssensoren - und das zu geringeren Systemkosten. 

Serielle Automotive-Busse

Eine CAN-2.0-Engine, die 32 diskrete Message-Objekte bietet, kann umfangreichen Netzwerk-Datenverkehr unterstützen. Durch die Inte-gration eines LIN-2.1-Controllers auf Hardwarebasis (nicht Software-emuliertes LIN) können Automotive-Entwickler den Netzwerkdurchsatz weiter steigern, denn die Kombination aus einem 8-Byte-Message-Puffer, Hardware-Synchronisation und Prüfsummenerzeugung macht wertvolle CPU-Ressourcen frei und ermöglicht komplexere LIN-Topologien.
Designflexibilität ist ein weiterer wichtiger Aspekt für Automotive-Entwickler. Im Gegensatz zu Bausteinen mit festem Multiplexing-Schema (Ressourcenauswahl pro I/O-Pin) bieten viele 8-Bit-Mixed-Signal-MCUs eine digitale Crossbar, die wie eine programmierbare Schaltmatrix funktioniert und Entwicklern das Routing digitaler Peripherie an verfügbare I/O-Pins ermöglicht. Damit vereinfacht sich das Leiterplattendesign, und Ressourcen lassen sich multiplexen, um mehr Funktionen zu realisieren, als I/O-Pins zur Verfügung stehen. Ein Entwickler kann so zum Beispiel zwei unabhängige LIN-Busse betreiben und die Pins dynamisch während der Laufzeit erneut zuweisen. 
Diese Crossbar-Technik kann auch die Programmier- und Kalibrierkosten senken. Viele Entwickler müssen ihre Systeme am Ende der Leiterplattenmontage mithilfe einer Prüfroutine kalibrieren. Dabei wird eine spezielle Kalibrierungsfirmware in den Baustein programmiert, um mit der Kalibrierungsroutine kommunizieren zu können. MCU-Ressourcen können hier helfen, den Vorgang zu beschleunigen und die Kalibriergenauigkeit zu erhöhen. Ist das System kalibriert, werden die Parameter im Flash gespeichert und die Anwendungssoftware in den verbleibenden MCU-Flash-Speicher programmiert.

Karosserie-Elektronik-Anwendungen enthalten oft einen digitalen Isolator, um eine Isolationsbarriere zwischen der physikalischen CAN-Ebene und den MCUs zu schaffen, die an den Bus angeschlossen sind (Bild 3). Digitale Isolatoren schützen die MCUs vor den Auswirkungen elektromagnetischer Störungen, die in Fahrzeug-umgebungen üblicherweise vor-handen sind, und beseitigen Masseschleifen in CAN- und LIN-Netzwerken. Darüber hinaus finden sich in Motorsteuerungsmodulen oft isolierte Gate-Treiber, die unerwünschte Störungen von den Motoren isolieren oder eliminieren - denn geringe Störpegel sind entscheidend für eine gute Infotainment-Performance und den zuverlässigen Betrieb integrierter HF-Module.

Über den Autor:

Dan Lunecki ist Automotive Marketing Director bei Silicon Labs.