Einsatz von Automotive Ethernet Entwicklung von In-Car-Entertainment-Systemen

Die Bridge-IC-Serie TC9562 hat Besonderheiten in den In-Car-Entertainment-Systemen. Die Serie bietet  leistungsstarkes Ethernet-Funktionen und Zuverlässigkeit Telematik- und Infotainment-Systeme.
Die Bridge-IC-Serie TC9562 hat Besonderheiten in den In-Car-Entertainment-Systemen. Die Serie bietet leistungsstarkes Ethernet-Funktionen und Zuverlässigkeit Telematik- und Infotainment-Systeme.

Die Bridge-ICs der Serie TC9562 von Toshiba eignen sich für den Einsatz in Fahrzeugnetzen und beinhalten Ethernet-Funktionen für Telematik- und Infotainment-Systeme. Die Bausteine bieten Ethernet-AVB/TSN-Bridging-Funktionen mit einer Datenübertragungsrate von bis zu 1 Gbit/s.

Die Systeme für In-Car-Entertainment verfügen über eine Vielzahl von Funktionen und Fähigkeiten wie die Möglichkeit, Musik über USB-Schnittstellen hochzuladen oder Smartphones über Bluetooth anzubinden, um den Fahrzeuginsassen mit Streaming-Apps unbegrenzten Hörgenuss zu ermöglichen.

Neben der Wiedergabe von Audiosi­gnalen können Fahrer und Mitfahrer mithilfe von In-Car-Entertainment-Systemen auch navigieren, telefonieren und sich im Internet bewegen. Die Wiedergabe von Videos und Fahrer­assistenzfunktionen wie Park- und Surround-View-Kameras sind weitere bedeutende Funktionen. Darüber hinaus erwarten Fahrzeugbesitzer von kommenden Unterhaltungssystemen jedoch noch wesentlich mehr – was die Komplexität deutlich erhöht.

Mehr Flexibilität notwendig

Infotainment-Lösungen für den Massenmarkt haben mit einfachen Radios und CD-Spielern der Vergangenheit nicht viel gemeinsam. Im Kern moderner Infotainment-Lösungen arbeitet ein als System-on-Chip (SoC) entwickelter Applikationsprozessor, der eine Reihe von Aufgaben übernimmt (Bild 1).

Die Lösung mit einem SoC als zentralem Element ist jedoch nicht immer optimal. So lassen sich zum Beispiel GPS- oder Mobilfunk-Funktionen mit der zuge­hörigen Antenne als integriertem Modul  besser an der Fahrzeugaußenseite realisieren. Und für die USB-Anbindung eignen sich die Mitte des Fahrzeugs oder mehrere verteilte Anschlusspunkte besser, damit Mitfahrer ihre Geräte aufladen und Musik gemeinsam hören können. Die Implementierung derart komplexer Infotainment-Lösungen erfordert einen hohen Verkabelungsaufwand, was sich wesentlich auf das Gewicht des Fahrzeugs und die Kosten auswirkt. Automotive Ethernet ermöglicht Entwicklern derartiger Unterhaltungssystemen eine höhere Flexibilität und vereinfacht gewünschte Modifikationen der System­architektur (Bild 2).

Im Fahrzeug ist wurde die Problematik sperriger Kabelstränge durch eine modifizierte Signalisierung der physikalischen Schicht (Physical Layer, PHY) gelöst, sodass ein einziges verdrilltes Vollduplex-Paar ohne Abschirmung zum Einsatz kommt.
Bei vielen Automotive-Anwendungen, und hier speziell bei der Audio- und Videoübertragung, muss Bandbreite reserviert werden, um eine störungsfreie Wiedergabe zu gewährleisten. Diese Herausforderung wurde auch in den Audio-Video-Bridge-Spezifikationen (AVB) und der zugehörigen Hardware-Unterstützung für AVB behandelt.

Entsprechende Bridges können Bandbreite im Pfad zwischen zwei Knoten im Netzwerk reservieren. Eine weitere Herausforderung stellt die Audio- und Videosynchronisation über viele Knoten hinweg. Das wird durch Präsentations- und Zeitmechanismen erreicht, die sicherstellen, dass die Samples zum gleichen Zeitpunkt an verschiedenen Knoten im Netzwerk in Echtzeit präsent sein können. Diese Funktion lässt sich auch nutzen, um Audio-Samples von Mikrofonen als Teil einer Freisprecheinrichtung einschließlich Lärm- und Echo-Unterdrückung (Active Noise Cancellation, ACN) zu synchronisieren.

Abschließend gewährleistet eine Energy-Efficient-Ethernet-Implementierung (EEE), dass Knoten in einen stromsparenden Knoten übergehen können, der sich jedoch weiterhin über das Netzwerk aktivieren lässt. Bei der Suche nach einer geeigneten Lösung für Automotive-Ethernet-Audiofunktionen ist es hilfreich, wenn diese sowohl in der Head Unit als auch in den verschiedenen Audioendknoten, mit denen sie kommuniziert, zum Einsatz kommen. Entwickler müssten dabei nur die Funktionen eines einzelnen Bausteins erlernen, den sie in einer Vielzahl von Anwendungen einsetzen könnten.

AVB/TSN bereitstellen

Toshiba hat mit dem TC9562 eine solche Plattformlösung entwickelt (Bild 3). Das Bauteil stellt die Automotive-Ethernet-AVB/TSN-Funktion (Time-Sensitive Networking, TSN) in der Head Unit über seine PCIe-Schnittstelle (PCI Express) bereit und fungiert dort als Peripherie. Durch seine integrierte Arm Cortex-M3-CPU und Audio-schnittstellen, einer Ethernet-Audio-MediaClock Recovery-Einheit und Ethernet-Audio-Stream Generierungsfunktionen eignet sich der TC9562 auch als eigenständige Lösung in einem Endknoten zum Beispiel einer Audioverstärkereinheit. Der Ethernet-MAC unterstützt die AVB-Spezifikationen sowie die TSN-Funktion. Neben der PCIe-zu-Ethernet-AVB/TSN-Basisfunktion werden Audio-Codecs von einer TDM/I2S-zu-Ethernet-AVB-Engine und -Schnittstelle unterstützt. Weitere serielle Schnittstellen wie I2C, SPI und UARTs runden das Schnittstellenangebot ab.

Für Head-Unit-Anwendungen ist der TC9562 mehr als nur ein einfaches Schnittstellen-IC. Die integrierte CPU lässt sich so programmieren, dass sie Ethernet-IP-bezogene Beschleunigungsfunktionen ausführt, was die Belastung der Host-CPU verringert. Audiodaten vom Host lassen sich über die TDM/I2S-Schnittstelle zum TC9562 übertragen, woraufhin sie in die aus­gehenden Ethernet-Paketströme eingefügt und automatisch als AVB-Frames gesendet werden.

Audioströme verarbeiten

Eingehende Ethernet-AVB-Audiodatenpakete decodiert der TC9562 automatisch. Über TDM/I2S werden die Datenpakete als Multi-Channel Audio-Stream ausgegeben und können beispielsweise sowohl in verteilten Audioendpunkten, als auch mit dem Audio-DSP des Host-SoCs verbunden werden.

Alternativ kann auch die Host-CPU selbst Audioströme über einen eigenen AVB-Software-Stack verarbeiten und die Daten stattdessen über die PCIe-Schnittstelle mit dem TC9562 austauschen. Mit der integrierten CPU im TC9562 lassen sich zum Beispiel eingehende Datenpakete nach ihrer IP-Adresse oder anderen komplexeren Kriterien vorsortieren und über die PCIe-Schnittstelle direkt an vordefinierte Speicherplätze im DRAM der Host-CPU platzieren.

Das IC lässt sich für eine Datensortierung konfigurieren, bei der Ethernet-Datenpakete an bestimmten Stellen im Speicher des Host-SoC abgelegt werden. Gleichzeitig werden AVB-Audiodaten parallel dazu automatisch in den Ethernet-Verkehr eingefügt und daraus abgerufen. Darüber hinaus beinhaltet die Komponente alle Funktionen, die für hochintegrierte, kompakte und effiziente Ethernet-AVB-Audioknoten erforderlich sind. So lassen sich Endknotenanwendungen wie Audiogeräte realisieren, die mit Audioverstärkern und Lautsprechern zusammenarbeiten und gleichzeitig Audio über Mikrofone erfassen können, um eine kompakte Ethernet-AVB-Lösung im Fahrzeug bereitzustellen (Bild 4).

Verschiedene Audioübertragungsmethoden werden unterstützt, darunter das AVTP-Format (AAF) und IEEE 61883-6 mit dem Stream-Format AM824. Die integrierte Phase Locked Loop (PLL) bietet drei verschiedene Synchronisationsverfahren zur Wiederherstellung der Audio-Media-Clock aus Ethernet-AVB-Audioströmen. Über die TDM/I2S-Schnittstelle lassen sich bis zu 32 Audiokanäle mit 16, 24 oder 32 bit in jeder Richtung verarbeiten.

Um Entwickler mit ihren eigenen Firmware-Designs zu unterstützen, steht eine Demo-AVB-Audio-Node-Anwendung zur Verfügung. Diese wird durch gängige Entwicklungswerkzeuge und JTAG-Debugger unterstützt. Eine CMSIS-kompatible Bibliothek zum Programmieren von individuellen Audio­anwendungen wird für den TC9562 zur Verfügung gestellt. Das Demosystem beinhaltet auch ein kompaktes Echtzeitbetriebssystem und einen Embedded Network Stack, die auf dem TC9562 laufen.

Warum AVB/TSN?

Automotive Ethernet AVB/TSN bietet die Gelegenheit, die Audioarchitektur eines Fahrzeugs zu überdenken. Die Technik wurde für die hohen Anforderungen im Auto-motive-Audiobereich entwickelt und berücksichtigt die Notwendigkeit, Bandbreite zu reservieren und kritische Datenpakete mit einer geringen Latenz zu versehen. Mit seinem programmierbaren internen Prozessor und seinen Audio/Ethernet-AVB-Funktionen repräsentiert der TC9562 eine Lösung, um diese neue Netzwerkfähigkeit optimal zu nutzen. Und das unabhängig davon, ob es sich um eine hochkomplexes Steuergerät oder um einen Audioknoten handelt.    

 

Der Autor

 

 

 

Klaus Neuenhüskes

Studierte Elektrotechnik und ist als Senior Manager Product Marketing bei Toshiba
Electronics für das Automotive System LSI IC Product Marketing für Europa verantwortlich. Er hatte zuvor Positionen bei OKI Electric Europe und NEC Electronics inne.