Es geht auch einfach
Base- und Adapter-Boards für Automotive-Entwicklungen
Mit den Entwicklungs-Boards von Rutronik System Solutions lassen sich erhebliche Zeit- und Kostenersparnisse bei komplexen Automotive-Designs erzielen. Beispiele sind das Base Board RDK4 für die Entwicklung von Motorsteuergeräten sowie das Adapter Board RAB3 für Radar und RAB4 für Echtzeitkinematik.
Effizienz, Sicherheit und Komfort: Diese drei Aspekte stehen im Zentrum der fortwährenden Umbruchphase in der Automobilindustrie – neben dem großen Thema E-Mobilität. Moderne Fahrzeuge sollen ihren Fahrern das bestmögliche Fahrgefühl vermitteln. Um dies zu realisieren, setzen Fahrzeughersteller auf technologische Innovationen, die die Art und Weise des Fahrens und der Nutzung von Fahrzeugen grundlegend verändern. Das erfordert nicht nur einen Überblick über die fortschrittlichsten verfügbaren Komponenten, sondern auch das Wissen über ein mögliches Zusammenspiel eben dieser – das Ganze bei einer möglichst kurzen Entwicklungszeit. Denn die Komponenten Zeit und Personal gehören zu den größten Kostentreibern bei komplexen Design-ins.
Rutronik System Solutions will hierbei ein spürbares Effizienzpotenzial für die Kunden schaffen und bietet deshalb eine große Auswahl an Base- und Adapter-Boards an, die für vielfältige Proof-of-Concepts geeignet sind und aktuelle Komponenten integrieren, die im Portfolio des Distributors erhältlich sind – unter anderem das Base Board RDK4 und die Adapter Boards RAB3 für Radaranwendungen und RAB4 für Echtzeitkinematik-Lösungen.
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Das Base Board RDK4 trägt bei der Entwicklung von Automotive-qualifizierten Motorsteuergeräten dazu bei, dass Anwendungen schneller zur Marktreife gelangen, und eignet sich bestens für Machbarkeitsanalysen (Bild 1). Herzstück ist der Infineon-Mikrocontroller PSoC 4100S Max.
Auf kleinstem Raum finden Entwickler neben dem Automotive-zertifizierten Mikrocontroller auch einen System-Basis-Chip (SBC) und die Automotive-Schnittstellen CAN-FD und LIN. Auf dem kompakten Base-Board ist also bereits eine Vielzahl an relevanten Komponenten für die Entwicklung von Motorsteuergeräten verbaut, sodass sich ein Großteil der Applikationen im Bereich Motorsteuergeräte damit testen und realisieren lässt, ohne die Hardware eigens bestellen und zusammenfügen zu müssen.
Neben dem Mikrocontroller ist mit dem Infineon Optireg Mid-Range+ ein SBC integriert, der für die Automotive-qualifizierte Spannungsversorgung (High Voltage Input/Output) entscheidend ist, denn der Mikrocontroller für sich alleine genommen könnte diese nicht bewerkstelligen. Diese Kombination auf nur einem Board ist eines der Alleinstellungsmerkmale des RDK4 und zielt konkret auf den Automotive-Entwickler ab, denn in nahezu jedem Automobilprojekt ist neben einem Mikrocontroller auch eine Art SBC verbaut. Meist bieten Hersteller Entwicklungskits entweder für den SBC oder den Mikrocontroller an.
Spannung und Effizienz
Üblich sind bei Bordnetzen von Fahrzeugen in der Regel die Spannungen 12 V oder 24 V (Lkw), doch die Spannungsspitzen können vor allem bei Ein- und Ausschaltvorgängen deutlich höher sein. Um Funktionalität und Sicherheit des Systems zu garantieren, dürfen kurzzeitig höhere Betriebsspannungen kein Problem darstellen. Entsprechend wurde das RDK4 so designt, dass die Analogeingänge auch Spannungen bis 42 V tolerieren und messen können – ohne zusätzliche Hardware zu benötigen. Der Mikrocontroller selbst wird typischerweise mit einer Spannung von 5 V betrieben.
Eine der wiederkehrenden Herausforderungen bei der Entwicklung von Fahrzeugsystemen ist die zunehmende Komplexität und Anzahl an Steuergeräten, die häufig dauerhaft an der Spannungsversorgung bleiben. Um zu vermeiden, dass Verbraucher wie zum Beispiel Alarmsysteme die Fahrzeugbatterie im abgestellten Zustand unbeabsichtigt entladen, existieren eindeutige Anforderungen und Vorschriften, wie hoch die Stromaufnahme eines Steuergeräts im Stand-by sein darf.
Mit dem RDK4 ist es mithilfe von Jumpern möglich, die Stromaufnahme des Systems oder des Teilsystems zu messen und genau zu erkennen, welche Anwendung bzw. Komponente bei welchem Betriebsmodus wie viel Energie verbraucht. Da in jedem Pflichtenheft für Steuergeräte die maximal erlaubte Stromaufnahme in Mikroampere definiert ist, sind Automotive-OEMs akut gefordert, Lösungen zu finden, die Komfort, Sicherheit und Energieeffizienz vereinen und die Lebensdauer von Fahrzeugbatterien nicht unnötig verkürzen.
Für das sichere An- und Abschalten des Mikrocontrollers sorgt auf dem RDK4 eine über den SBC integrierte, Automotive-qualifizierte Spannungsversorgung. Sie ist besonders wichtig, da in dem Moment, in dem ein Fahrzeug startet, die Spannung des Bordnetzes einbricht. Würde diese Komponente nun fehlen, könnte der Mikrocontroller sporadisch aus- und anschalten. Die Folge sind im schlimmsten Fall schwerwiegende Fehlstörungen des Gesamtsystems. Deswegen muss immer gewährleistet sein, dass der Mikrocontroller bei einer gewissen Spannung sicher an- bzw. unterhalb einer definierten Spannung sicher ausschaltet.
Radarsensorik für ADAS
Dank der Arduino-Schnittstelle lässt sich das Entwicklungs-Board einfach mit Adapter-Boards von Rutronik System Solutions kombinieren. Das modulare Konzept ermöglicht eine Vielzahl von Ansätzen, um Entwicklungsprojekte schnell, kostengünstig und einfach, aber dennoch technisch anspruchsvoll zu realisieren.
So ließe sich eine viel diskutierte Applikation im Bereich ADAS, die Dashcam, DSGVO-konform (Datenschutz-Grundverordnung) in das Fahrzeugsystem integrieren: Verbindet man die Kamera mit Radarsensorik, aktivieren die integrierten Sensoren die Aufzeichnung erst, wenn sie einen Zusammenprall erwarten, zum Beispiel weil sich die Fahrzeuge auf der gleichen Spur aufeinander zu bewegen. Aber auch für eine berührungslose Gestensteuerung des Infotainmentsystems käme Radar infrage – mit dem Adapter Board RAB3 ist eine entsprechende Testumgebung verfügbar (Bild 2).
Im Zentrum des RAB3 steht das 60-GHz-Smart-Sensor-Micro-Modul von Nisshinbo. Radarsensorik bei 60 GHz ist eine berührungslose und hochgenaue Messlösung, mit der Anwendungen wie die Abstandsmessung oder Personenzählung mittels Abstands-, Winkel- und Zustandserkennungssensor auf Basis der Millimeterwelle im 60-GHz-Band realisiert werden. Mit dem 60-GHz-Radarsensor Xensiv von Infineon ergänzt ein diskreter Radar-IC das Design des RAB3: Bei einem kleinen Formfaktor und einem geringen Strombedarf verfügt der Sensor über eine Sende- und drei Empfangsantennen. Mit der L-förmigen Antenne lassen sich Array-, horizontale und vertikale Winkelmessungen durchführen.
Die Vorteile der Radarsensorik:
- Hohe Empfindlichkeit – Bewegungen im Submillimeterbereich werden detektiert
- Sehr hohe Genauigkeit bei der Erfassung von Mikro- und Makrobewegungen – sichere Mensch-Maschinen-Kooperation durch Erkennen, Verfolgen und die Segmentierung der menschlichen Anwesenheit
- Keine klassischen Bildaufnahmen – Sicherheit hinsichtlich der DSGVO
- Installation hinter bestimmten Materialien – unsichtbares Design, leicht zu reinigen, manipulationssicher.
Outdoor-Autonomie mit Echtzeitkinematik
Die Knight-Rider-Träume mit einem vollständig selbstfahrenden Auto – sprich Level 5 – warten noch auf ihre finale Realisierung. Derzeit befinden sich viele Entwicklungen im Bereich der Level 2 bis 4, wo das Fahrzeug in bestimmten Situationen selbstständig fahren kann, aber der Fahrer noch eingreifen muss.
Hierfür kann Echtzeitkinematik (Real-Time Kinematic, RTK) eingesetzt werden, um die Genauigkeit der Fahrzeugnavigation erheblich zu verbessern. In Kombination mit anderen Sensoren wie Lidar, Radar, Infrarot und Kameras trägt RTK dazu bei, eine präzise und zuverlässige Wahrnehmung der Fahrzeugumgebung zu ermöglichen. Dies ist besonders wichtig in städtischen Umgebungen und bei komplexen Fahrmanövern.
RTK erhöht zudem die Sicherheit, indem sichergestellt wird, dass das Fahrzeug seine genaue Position relativ zu anderen Verkehrsteilnehmern und Hindernissen kennt. Dies ist entscheidend für die Funktionen von ADAS und autonomen Fahrsystemen wie dem Spurhalteassistenten und dem Notbremsassistenten. Allerdings adressieren RTK-Anwendungen ausschließlich den Outdoor-Bereich. Für Innenräume, zu denen auch längere Tunnel oder (Tief-)Garagen zählen, sind ergänzende Sensoriklösungen nötig.
Für Kunden, die sich den Einsatz von RTK für ihre Anwendungen vorstellen können, aber ob der Komplexität eines entsprechenden Systems zögern, haben die Experten von Rutronik System Solutions und des Wireless Competence Centers das RAB4 entwickelt (Bild 3). Das Adapter-Board ist aufgrund der Arduino-Header auch mit dem Base Board RDK4 sowie den bisher erhältlichen Adapter-Boards kombinierbar. Zudem verfügt das RAB4 über alle relevanten Schnittstellen wie UART und USB-C.
Im Zentrum des Boards steht das GNSS-Modul UM980 (Global Navigation Satellite System) von Unicore, ein hochpräzises Multikonstellation/Multifrequenz-RTK-Positionierungsmodul, das auf dem GNSS-SoC NebulasIV basiert. Es unterstützt alle derzeit verfügbaren Konstellationen und Frequenzen (GPS/BDS/GLONASS/Galileo/QZSS). Mit einer RTK-Datenaktualisierungsrate von 50 Hz unterstützt das Modul PPP (Precise Point Positioning) einschließlich E6 HAS (High Accuracy Service) und BDS B2b.
Sofortige RTK-Initialisierungstechnik, 60-dB-Narrowband-Störungsunterdrückung und -erkennung sowie die präzise SA-Einzelstations-Positionierungstechnologie sorgen für eine stabile und schnelle Verbindung. Damit Entwickler das RAB4 sofort in Betrieb nehmen können, liefert Rutronik eine SIM-Karte (mit 100 MB Datenvolumen) für den integrierten NanoSIM Card Connector von JAE kostenfrei mit.
Um die RTK-Technik vollumfänglich und unabhängig nutzen zu können, ist eine Internetverbindung erforderlich, die durch das zweite Kernelement, das GMSS-Modul LTE C1 ThreadX von Telit Cinterion mit 2G/3G-Fallback, ermöglicht wird. Dieses Modul bietet eine erstklassige 3GPP-rel10-Plattform und ist bereits für MTC-Funktionen (Machine-Type Communications) gemäß 3GPP Rel.12 konzipiert. Über USB 2.0 HS, UART und benutzerdefinierbare GPIOs erlaubt es eine einfache Integration mit Peripheriegeräten und Aktoren. Die integrierten TCP/IP- und UDP/IP-Stacks sorgen für eine schnelle und unterbrechungsfreie Datenübertragung.
Je nach Anforderung der geplanten Anwendung müssen die benötigten Antennen eine andere Leistung liefern. Aus diesem Grund verfügt das RAB4 über drei verschiedene Antennen von 2J, sodass bereits in der Vorentwicklungsphase ganz unkompliziert getestet werden kann, welches Modell den Best Fit darstellt:
- Cellular 4G LTE/3G/2G MIMO (Multiple Input Multiple Output) Magnetic Mount Antenna (2J6924MA): Speziell für die drahtlose MIMO-Technik entwickelt und abgestimmt, ist die Doppelkabelantenne in der Lage, mehr als ein Datensignal gleichzeitig über Mehrwegeausbreitung zu senden und zu empfangen. Mit der IP67/IP69-Schutzart eignet sie sich auch für Anwendungen im robusteren Umfeld, beispielsweise für landwirtschaftliche Maschinen.
- GPS/GNSS/SBAS/RTK/L1/L2- Dome-Antenne mit Magnetmontage (2J7C01MC2F): Sie überzeugt durch ihre hohe Genauigkeit im Zentimeterbereich aufgrund der Kombination von Precise Point Positioning (PPP) L1 und L2 mit RTK. Gerade im Bereich der Land- und hydrografischen Vermessungsanwendungen ist dieses Bauteil eine überzeugende Wahl, da es Fehlerkorrekturen in Echtzeit verwendet und gleichzeitig zentimetergenaue Positionsdaten beibehält.
- GPS/GLONASS/BeiDou/QZSS/Galileo/IRNSS/L1/L5-Dome-Antenne (2J7C01MC3F): Sie ist ebenso für hochpräzise Signaltechnologien konzipiert und deckt alle wichtigen GNSS-Bänder ab. Dabei überzeugt die Hochleistungsantenne durch ihren geringen Strombedarf (48 mW) bei gleichbleibend hoher Effizienz. Auch bei dieser erlaubt die IP67/IP69-Schutzart den Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen.
Proof-of-Concepts für Automotive-Elektronik
Die Integration von Technologien für autonomes Fahren, effiziente Motorsteuerungen und fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme revolutioniert die Automobilindustrie. Diese Entwicklungen bieten nicht nur einen höheren Komfort und eine bessere Effizienz, sondern erhöhen auch die Sicherheit im Straßenverkehr. Die kontinuierliche Weiterentwicklung und Integration dieser Systeme stellen jedoch neue Herausforderungen an Entwickler und Ingenieure, die mit innovativen Lösungen und fortschrittlichen Technologien gemeistert werden müssen.
Mit den Boards von Rutronik System Solutions lässt sich die Time to Market neuer Automotive-Lösungen erheblich verkürzen: Häufig startet der Entwicklungsprozess mit der Wahl eines Mikrocontrollers, mit dem die Hardwareentwickler dann beginnen, ein eigenes Board zu designen. Je nach Verfügbarkeit der erforderlichen Komponenten kann das einige Monate in Anspruch nehmen und auf Kosten des Zeitfensters für die Softwareentwicklung gehen.
Wenn jedoch Softwareentwickler Boards wie das RDK4, das RAB3 oder das RAB4 nutzen, um parallel an den Softwarespezifikationen zu arbeiten und Features zu testen, ergibt sich ein zeitlicher Vorteil: Sobald die Hardwareabteilung ihre Entwicklung abgeschlossen hat, kann die Anwendung quasi nahtlos finalisiert werden, da die Software bis auf kleinere Anpassungen ebenfalls schon abgeschlossen werden konnte.
Ein weiterer Pluspunkt: Um Softwareentwickler bestmöglich unterstützen zu können, ist das RDK4 – wie die anderen Base- und Adapter-Boards von Rutronik System Solutions – in die Entwicklungsumgebung ModusToolBox von Infineon integriert, in der eine Vielzahl an Entwicklungswerkzeugen, Bibliotheken und eingebetteten Laufzeit-Assets für Mikrocontroller von Infineon sowie Entwicklungskits enthalten sind.
Mit dem Board Support Package, das Rutronik System Solutions mit dem Base-Board zur Verfügung stellt, erhalten Entwickler eine umfangreiche Beschreibung und Dokumentation (PCB Design Files, BOM), die das Board und alle I/Os hardwaremäßig definiert. So ist beispielsweise schnell ersichtlich, auf welches Pinset eine Schnittstelle bereits gerootet ist. Das zeitintensive Studieren von Datenblättern und Schemata entfällt damit.
Der Autor
Stephan Menze
studierte an der an der Hochschule Karlsruhe Wirtschaftsingenieurwesen (B. Sc) und Elektrotechnik (M. Eng). Nach Stationen als Product Sales Manager sowie Technical Sales Representative ist er seit 2021 Head of Global Innovation Management bei Rutronik und verantwortlich für Rutronik System Solutions.
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