Flexible Systemlösungen für Anzeigeinstrumente Controller mit APIX-Technik #####

Sicherheit und Bequemlichkeit im modernen Fahrzeug hängen entscheidend von immer leistungsfähigeren Displays ab. Das gilt für Information und Kommunikation sowie für Navigation und Unterhaltung gleichermaßen. Für den Entwickler sind deren einfache und kostengünstige Ansteuerung von vorrangiger Bedeutung.

Flexible Systemlösungen für Anzeigeinstrumente

Sicherheit und Bequemlichkeit im modernen Fahrzeug hängen entscheidend von immer leistungsfähigeren Displays ab. Das gilt für Information und Kommunikation sowie für Navigation und Unterhaltung gleichermaßen. Für den Entwickler sind deren einfache und kostengünstige Ansteuerung von vorrangiger Bedeutung.

Hilfreich bei der Entwicklung für die Display-Ansteuerung ist die von Inova entwickelte APIX-Technik (Automotive PiXel Link), die Fujitsu Microelectronics Europe (FME) als erster Hersteller in seine Mikro- und Grafik-Controllerarchitekturen integriert hat, um die Funktionsvielfalt und Vielseitigkeit seiner Produkte zu erweitern. Dadurch entstand eine offene Systemplattform, die zu höherer Leistungsfähigkeit und niedrigen Implementierungskosten führt.

Moderne Automobilelektronik muss sich im Spannungsfeld von steigenden Anforderungen (Funktionen, Komfort, Flexibilität, Sicherheit), kürzeren Entwicklungszeiten sowie hohem Kostendruck behaupten. Maßnahmen, diese zu gewährleisten, sind Standardisierung (z.B. der Hardware) und Modularisierung mit dem Ziel einer einfacheren Mehrfachverwendung. Ein gesteigerter Funktionsumfang setzt unablässige Leistungssteigerung bei der Hardware und schnellere Busverbindungen zwischen den einzelnen Hardware-Komponenten voraus.

Im Bereich der Anzeigeinstrumente spiegelt sich der Bedarf nach mehr Komfort und Information in der steigenden Anzahl von verbauten TFTDisplays mit zunehmender Auflösung und Farbtiefe wider. Anzeigen, die aus Gründen der Modularität und Flexibilität zunehmen, werden abgesetzt von den eigentlichen Steuergeräten verbaut. Ein typisches Beispiel für eine modulare Bauweise sind die Headunit (Steuergerät für die zentrale Bedieneinheit) und das Central Information Display (Zentraldisplay), die meist räumlich getrennt angeordnet werden. Die Modularisierung erlaubt hier eine einfachere Skalierung. Bestimmte Steuergeräte sind über alle Baureihen gleich, andere werden je nach Bedarf mit mehr oder weniger Leistungsfähigkeit ausgerüstet. Ein Problem ist dabei die sichere und kostengünstige Übertragung der steigenden Bilddaten zwischen diesen beiden Geräten. So wird bei der Übertragung von beispielsweise 800 × 480 Pixel bei einer Farbtiefe von 24 bit/Pixel und einer Bildwiederholfrequenz von 60 Hz eine Datenübertragungsrate von etwa 500 Mbit/s benötigt.

EMV-optimierte Bilddatenübertragung

Eine guten Lösungsansatz bietet hier APIX, mit dem sich Video- und Peripheriedaten im Auto übertragen lassen. Schon in der ersten APIX-Generation ist eine EMV-optimierte bitserielle Übertragung von Bilddaten mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von bis zu 1 Gbit/s möglich (über zwei geschirmte Kupferleitungspaare bis zu einer Entfernung von 20 m). Zusätzlich zum Hauptkanal bietet APIX zwei bidirektionale Seitenbandkanäle, über die unabhängig vom Hauptkanal Kontrollinformationen mit bis zu 8 Mbit/s übertragen werden können.

Neben dem „APIX Physical Layer Standard“ bietet Inova auch ein Protokoll zur Kommunikation über die Seitenbandkanäle. Dieses wird in der Automotive-Shell (A-Shell) implementiert, die den Datenverkehr über die Seitenbänder regelt. Für bestimmte Daten, etwa Steuerdaten für Schrittmotoren, müssen hier Sicherheitsstandards erfüllt werden, um die korrekte Übertragung der Daten zu gewährleisten. Jede Übertragung wird durch einen CRC geschützt. Übertragungsfehler werden gemeldet; bei sicherheitsrelevanten Daten ist es aber auch möglich, diese durch das implementierte ARQ-Management (Automatic Repeat Query) automatisch so oft senden zu lassen, bis die Übertragung fehlerfrei ist (Go-back-N).

Die ersten beiden Bausteine von Fujitsu mit APIX-Schnittstelle, der Mikrocontroller MB91F467S (Bild 1) aus der MB91460-Serie und der Grafikcontroller MB88F388 (Bild 2, „Indigo“) bieten sich für die Entwicklung einer Architektur für Low-end-Kombiinstrumente an, bei der das Steuergerät (inkl. Mikrocontroller) von der Display-Einheit (inkl. Grafikcontroller) getrennt verbaut wird. „Low end“ heißt hier, dass die darzustellende Grafik im Wesentlichen in Form von Bitmaps oder Sprites vorliegt und keine komplexen Rendering-Aufgaben zu lösen sind.

Der MB91F467S ist eine 176-Pin-Variante des 32-bit-Fujitsu-RISCDashboard-Controllers MB91F467D. „Stepping Motor Controller“ (SMC), die auf dem MB91F467D zur Verfügung stehen, entfallen beim MB91F467S. Dieser verfügt über 1 Mbyte Flash und 64 Kbyte On-chip-RAM. Grafikdaten können vom internen Flash oder über die externe Busschnittstelle eingelesen und über den APIX-Sender weiterleitet werden. Zwei CAN-Kanäle erlauben den Anschluss an das Bordnetzwerk, bei Bedarf auch redundant, um die Übertragungssicherheit zu erhöhen. Als weitere serielle Schnittstellen stehen sechs LIN-USART-Module, die als SPI, UART oder LIN arbeiten können, sowie drei I2C-Schnittstellen zur Verfügung. 16 Kanäle eines 10-bit-ADC und mehrere Timer decken zusätzliche Funktionen ab.

APIX ist so an die internen Busse angebunden, dass DMA-Übertragungen vom externen Speicher zum APIX ohne Störung der CPU erfolgen können. Der MB91F467S verfügt über zwei Paare von APIX-Seitenbandanschlüssen. Damit können bei Bedarf zwei angeschlossene APIX-Empfänger angesteuert werden (z.B. für Kombiinstrument und Headup-Display).

Der MB91F467S arbeitet mit einer Taktfrequenz bis zu 100 MHz und bietet damit genügend Leistung, um die am APIX angeschlossenen Geräte zeitgerecht mit Daten und Kommandos zu versorgen und gleichzeitig diverse Software-Aufgaben zu erledigen.

Das Gegenstück zum MB91F467S ist der Grafikcontroller MB88F388. Dieser Baustein benötigt als Single-Chip-Lösung keine externen Speicher. Er wurde speziell für Fahrzeuganwendungen wie Kombiinstrumente (speziell auch hybride Varianten), Headup-Displays und zentrale Informations-Displays optimiert. Mit dem programmierbaren Display-Controller können Timings für Displays mit Auflösungen von 320 × 160 bis 1280 × 480 Pixel generiert werden. Farbwerte lassen sich mit der integrierten Gamma-Correction- und Dithering-Einheit entsprechend den Parametern und der Farbauflösung der verwendeten Displays optimieren.

Neben der Grafik-Engine bietet der MB88F332 auch zahlreiche periphere Einheiten zur Abdeckung aller erforderlichen Schnittstellen. Der Seitenbandkanal kann dabei zur Übertragung von Steuerdaten benutzt werden. Neben UART, I2C und SPI als Kommunikationskanäle zu externen Bauteilen bewegen SMCs die Schrittmotoren analoger Zeigerinstrumente, PWMs steuern die Helligkeit der Hintergrundbeleuchtung und über GPIO werden LEDs ein- und ausgeschaltet. Externe Komponenten wie Watchdog, Speicher oder spezielle Schnittstellen sind in den meisten Fällen überflüssig.