Anwendungsbeispiel ARM-Cortex Rückenwind durch Cortex-M3

Ein Fahrrad mit quasi eingebautem Rückenwind bietet nicht nur völlig neue Fahrmöglichkeiten, sondern es verfügt - dank zweier integrierter 32-bit-Mikrocontroller auf Basis eines Cortex-M3-Cores - auch über viele zusätzliche Leistungsmerkmale, die das Fahren angenehmer machen.

Am Wochenende fahren die Deutschen gerne Rad, aber unter der Woche oder gar zur Arbeit wollen nur recht wenige ihren Drahtesel verwenden, denn schließlich will verständlicherweise niemand bereits verschwitzt im Büro ankommen. Auf dem Weg nach Hause wiederum würden viele von uns - nicht nur zum geistigen Abschalten - sehr gerne kräftig in die Pedale treten, zumal zu Hause bereits die Dusche wartet.

Ein Fahrrad mit integriertem Elektroantrieb als Trethilfe, ein so genanntes Pedelec (Pedal Electric Cycling), kann hier Abhilfe schaffen: Morgens beziehungsweise an Steigungen sorgt der Elektromotor für flottes Vorankommen ohne Transpirieren, und abends kann man je nach Lust und Laune aus eigener Kraft in die Pedale treten oder wieder mit elektrischer (Teil-)Unterstützung zurückradeln.

Rein rechtlich gesehen ist ein Pedelec dennoch ein Fahrrad, das jeder ohne Führerschein und ohne Kfz-Haftpflichtversicherung fahren darf, wobei der eingebaute Elektromotor den Radfahrer bei Geschwindigkeiten bis zu 25 km/h mit maximal 250 W unterstützt. Eine Dauerleistung von 250 W können übrigens nur äußerst gut trainierte Sportler erbringen. Diese beachtlich hohe Tretkraftunterstützung liefert ein Pedelec allerdings nur, solange der Radfahrer auch wirklich in die Pedale tritt. Die Kraft, mit der ein Pedelec-Fahrer dabei die Pedale betätigt, kann hierbei sehr gering sein; wichtig ist nur, dass der Tretwunsch überhaupt erkennbar ist.

Die Technik des Pedelec

Damit ein Fahrrad die passende Unterstützung durch einen Elektromotor bekommt, benötigt es somit nicht nur eine Batterie und einen Motor mit Motorsteuerung, sondern auch einen Sensor, der erkennt, ob der Radfahrer gerade in die Pedale tritt oder nicht. Die eleganteste Lösung hierfür ist ein Drehmomentsensor, der die Torsion der Pedalwelle ermittelt, die sich durch das Einwirken der Tretkraft des Fahrers ergibt. Mit Hilfe der Daten des Drehmomentsensors und entsprechender Software ist es möglich, den Motor stufenlos zu steuern sowie eine Gangempfehlung zu geben, die ein ökonomischeres Fahren ermöglicht und so die Reichweite des Pedelec mit einer Batterieladung erhöht.

Um einen ruckelfreien Betrieb mit einer als angenehm empfundenen Tretunterstützung zu gewährleisten, ist eine komplexe Motorsteuerung erforderlich, wobei der optimale Motor für diese Applikation ganz klar ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor) ist, denn damit kann der Pedelec-Antrieb die fehlende Pedalkraft annähernd geräuschlos ausgleichen und ein nahtloses Ineinandergreifen von Motor- und Pedalkraft sicherstellen.

Nachdem das Unternehmen Daum Electronic GmbH, das sich als Hersteller hochwertiger Indoor-Fitnessgeräte bereits seit mehr als 15 Jahren einen guten Namen gemacht hat, beschlossen hatte, auch Pedelecs zu bauen, standen die Elektronik-Entwickler bei Daum Mitte 2008 unter anderem vor der Aufgabe, eine Motorsteuerung zu realisieren, die diesen anspruchsvollen Anforderungen genügt. Da die in den Fahrrad-Ergometern bisher genutzte MCU-Plattform in puncto Speicherplatz und Verarbeitungsleistung begrenzt war, stand schnell fest, dass ein Wechsel auf eine neue Hardware-Plattform nicht vermeidbar war: Ein besonders leistungsfähiger Mikrocontroller war gefragt - ein STM32 von STMicroelectronics auf Basis des ARM Cortex-M3.

Der Cortex-M3 bietet die Echtzeit-Fähigkeiten, die zur Motorsteuerung benötigt werden, und weist eine Busbreite von 32 bit auf. Sehr wichtig war auch die Tatsache, dass eine Einarbeitung in die Cortex-M3-Architektur vergleichsweise schnell erfolgen konnte. Der STM32 von STMicroelectronics war bereits verfügbar, und vor allem passte hier auch die Kombination aus Core und Peripherie, verbunden mit der guten Firmware-Unterstützung, besonders gut für die Ziel-Applikation. So gelang es Daum Electronic bereits im Juli 2009, der Öffentlichkeit die Pedelecs aus eigener Fertigung mit sehr tiefer Wertschöpfungskette zu präsentieren.

Daum Electronic ist bekannt für die funktionsreichen Cockpits seiner Fitnessgeräte. Daher stand von Anfang an fest, dass auch die Pedelecs über ein informatives und gut ausgestattetes Cockpit verfügen sollen. Um den Aufwand bei der Hard- und Software-Entwicklung möglichst gering zu halten, bestand eine weitere Forderung darin, im Cockpit und zur Motorsteuerung die gleiche Mikrocontroller-Architektur zu verwenden.

Das Cockpit ist nicht nur der zentrale Rechner des Pedelec, sondern auch Eingabe- und Ausgabeeinheit, wobei das für ein Fahrrad sehr große und übersichtliche 3,7-Zoll-Graustufendisplay mit einer Auflösung von 240 x 128 Pixel in Kombination mit den Bedientasten und dem Auswahlrad als Schnittstelle zum Anwender dient. Geschwindigkeit, Unterstützungsmodus, Datum, Uhrzeit, Puls, Distanz, Fahrzeit, Durchschnittsgeschwindigkeit, Restenergie etc. kann das mit Hintergrundbeleuchtung und Helligkeitssensor ausgestattete Display bereits in der einfacheren Version "classic" anzeigen. Außerdem sind Eingabe und Anzeige von persönlichen Grenzwerten möglich.

Gleichzeitig gibt das Cockpit die Soll-Daten für den zweiten, ausschließlich zur Motorsteuerung genutzten Mikrocontroller vor, so dass diese MCU weiß, ob beispielsweise volle Fahrtunterstützung gefragt ist oder nur die Schiebehilfe bis 6 km/h. Eine Gangempfehlung am Display ermöglicht eine besonders ökonomische Fahrweise. Im Cockpit befinden sich aber auch ein SD/SDHC-Chipkartenleser, ein störsicherer digitaler Pulsempfänger sowie ein Tonsummer. Die SD-Karte dient dabei zur sekundengenauen Speicherung von Trainingsdaten wie Geschwindigkeit, Pulsfrequenz, Distanz, Zeit usw. in einem proprietären Format, das über die Software "ergo_win premium pro" weiterverarbeitet und ausgewertet werden kann. Auch der Export gefahrener Strecken auf Ergometern von Daum sowie die Auswertung persönlicher Daten sind jeweils individuell möglich. Über die SD-Karte können die Anwender bei Bedarf selbstständig ein Software-Update durchführen.

Auch mit GPS und GPRS

In der "premium"-Ausführung wird das Cockpit gar zum perfekt ausgestatteten Tourguide: Mittels GPS-Datenerfassung wird die Position permanent bestimmt. Mit diesen Daten können gefahrene Routen gespeichert und für weitere Ausflüge wiederverwendet werden. Auf www.GPSies.com kann man sowohl vorgefertigte Strecken herunterladen als auch eigene Routen mit anderen teilen.

Wenn sich im Premium-Cockpit zusätzlich noch eine SIM-Karte befindet, dann lassen sich nicht nur die Positionsdaten per SMS oder Internet übermitteln, sondern es gibt sogar einen Diebstahlschutz mit SMS-Benachrichtigung, wobei die Kurznachricht dabei die GPS-Koordinaten des aktuellen Pedelec-Standorts enthält. Außerdem ist ein barometrischer Höhenmesser integriert. Die aktuellen GPS-Koordinaten, die Temperatur, die Steigung sowie die Höhe über NN lassen sich nicht nur auf dem Display anzeigen, sondern auch kontinuierlich auf der SD-Karte aufzeichnen.