PARIS - - HANSER automotive

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1-2.2008l TITEL

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PARAMETRIERBARES

INFOTAINMENT SYSTEM

PARIS -

Der Trend im Infotainment-Bereich

geht zum

„Auto-PC“, der Musikund

Video-Dateien verwaltet,

Kommunikation

und Navigation ermöglicht

oder sogar einen Internet-Zugang enthält. Das bedeutet für die Kfz-

Zulieferer, Systeme zu entwickeln, die eine deutliche Gerätedifferenzierung

zum Nachrüstmarkt erkennen lassen bei gleichzeitig nicht signifikant höheren

Gerätekosten. Auf technischer Seite ist dafür eine Architektur notwendig,

die gleichermaßen offen, skalierbar, flexibel und sicher ist. Das

neue parametrierbare Infotainment System PARIS kommt diesem Ideal

bereits recht nahe.

Offene Architektur für

Infotainment-Geräte

Infotainment-Systeme der Erstausrüster sind einem

immer stärkeren Wettbewerb von Nachrüstlösungen

des so genannten „Aftermarkets“ ausgesetzt. Nachrüstgeräte

haben hier augenscheinlich seit langem ein

wesentlich besseres Preis-/Leistungsverhältnis als Erstausrüstergeräte

und das nicht nur im Niedrigpreis-Segment,

sondern auch bei qualitativ sehr hochwertigen

Systemen. Daher stellt sich die Frage: Werden die traditionellen

automobilen Mikrocontroller aus Infotainment-

Geräten verdrängt?

Automobilzulieferer haben sich angepasst und bedienen

nicht nur die angestammten Hersteller, sondern in signifikantem

Umfang auch den Nachrüstmarkt, um nicht gegenüber

den Unternehmen der Unterhaltungselektronik auf

der Strecke zu bleiben. Da die Automobilhersteller auf der

anderen Seite nicht auf das lukrative Infotainment-Erstaus-


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rüstergeschäft verzichten wollten, waren sie gezwungen,

die Entwicklung der Systeme weiterzutreiben.

Der reine Preiskampf bei Autoradios war

nicht zu gewinnen. Der Qualitätsstandard von integrierten

Systemen, der ja vom Käufer direkt mit der

jeweiligen Automarke in Verbindung gebracht wird,

muss zwangsläufig sehr viel höher sein als bei vergleichbaren

Aftermarket-Geräten. Also wurde als Differenzierungsmerkmal

die designtechnische Integration

ins markenspezifische Wageninnere geschaffen,

die von Aftermarketsystemen zwangsläufig nicht

geboten werden kann. Im Premiumsegement wurde

zusätzlich eine im Unterhaltungselektronikbereich

unbekannte optische Verkabelung, der MOST Ring

eingeführt. Ebenfalls zuerst im Premiumsegment

wurde die GPS gestützte Fahrzeugnavigation als Differenzierungsmerkmal

etabliert. Lange hat es allerdings

nicht gedauert, bis die Unterhaltungselektronikindustrie

nachgezogen hat und Geräte mit

erstaunlichem Leistungsumfang für einen Bruchteil

des Preises der integrierten Systeme anbieten konnte.

Selbst die enge Verzahnung mit im Fahrzeug integrierten

Sensoren kann heute von Nachrüstgeräten mehr oder

weniger wettgemacht werden, ohne das Preisverhältnis

nachhaltig verschieben zu müssen.

Schaut man sich die verschiedenen Geräte genauer an, so

wird schnell klar, warum die Automobil-Zulieferindustrie im

Infotainment Bereich immer mehr Boden verliert. Erstausrüster-Geräte

arbeiten fast ausnahmslos mit automobilspezifischen

Halbleiterbauelementen, die Unterhaltungselektronik

verwendet meist Standard Bauelemente

(ASSPs). Da das Marktvolumen für solche ASSPs um Größenordungen

über dem des Automobilmarktes liegt, sind

die Stückkosten hier deutlich geringer.

Bild 1: Die skalierbare Architektur PARIS ermöglicht die Entwicklung von

flexiblen Plattformen für Infotainmentsysteme im unteren, mittleren

und Premiumsegment.

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Bild 2: Das PARIS-Entwicklungssystem kann

direkt zum Aufbau von Prototypen verwendet

Hohe Systemkosten

Doch das eigentliche Problem ist nicht so sehr der Bauteilpreis,

weil durch die fortschreitende Strukturbreitenreduktion

in der Mikroelektronik der Kostenanteil der Hardware

sinkt. Der gesamte Systempreis

setzt sich neben der Hardware

zusammen aus den Kosten für

die Entwicklung einer Geräteplattform,

die Softwareentwicklungs-,

Systemtest- sowie die

Plattformwartungskosten. Mit

der fortschreitenden Funktionsvielfalt

steigt der Aufwand für die

Softwareentwicklung und deren

Test exponentiell. Um die Kosten

hier in den Griff zu bekommen

haben sich etablierte Betriebssysteme

im automobilen Markt

mehr und mehr Standardfunktionen

für Infotainment angeeignet

und stellen dem Entwickler

heute einen ganzen Fächer von

Anwendungen zur Verfügung. werden.

Allerdings wird es für die Softwarelieferanten

dadurch immer aufwendiger, automobilspezifische

Prozessorarchitekturen zu unterstützen, wenn

diese auf proprietären Mikrocontrollern beruhen. Den Preis

dafür tragen in der Regel zunächst die Halbleiterfirmen, die

natürlich ein großes Interesse an einer breiten Software

Unterstützung ihrer Mikrocontroller haben. Letztendlich

aber schlagen sich diese Kosten für Mehrfachportierungen,

Software Wartung und Weiterentwicklungskosten auf den

Systempreis nieder und der Automobilhersteller respektive

Autokäufer muss dafür bezahlen.

Eine mögliche Lösung dieses Dilemmas wäre die Aufgabe

von Eigenentwicklungen und die Beschränkung auf Schnittstellen

zu den portablen Geräten der Unterhaltungselektronik.

Damit wäre dann der Bereich Infotainment kein

automobiles Thema mehr.

Offene Systemarchitektur -

der Schlüssel zur Kostensenkung

Eine andere, nahe liegende

Möglichkeit dem Preis- und

Funktionsdruck der Unterhaltungselektronik

nachhaltig begegnen

zu können, ist eine offene,

standardisierte Mikrocontroller-Architektur,

wie sie zum Beispiel

im PC-Markt längst existiert

und dort für alle Beteiligten Vorteile

gebracht hat. Und es zeigt

sich bereits, dass auch von dieser

Seite her die traditionellen

automobilen Mikrocontroller

bald abgelöst werden könnten.

Jeder Autokäufer mit Interesse

an Infotainment-Systemen ist

mehr oder weniger auch mit

dem PC vertraut und nutzt ihn für

die Musik- oder Videoverwaltung,

zur Kommunikation

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oder


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einfach nur um im Internet zu surfen. Genau darauf zielt das

Konzept des Auto-PCs ab, das die heimische, Multimediawelt

auf vier Räder stellen möchte. Derzeit scheitert das

noch an den viel zu hohen Prozessorkosten und am Leistungsverbrauch

der Chip-Sätze. Das Erfolgsrezept „Standardisierung“

wird sich aber mit Sicherheit durchsetzen.

Eine ideale Architektur für zukünftige Infotainment Systeme

muss demnach folgende Grundanforderungen erfüllen:

■ Der Befehlssatz des Prozessors und die grundlegende

Architektur muss offengelegt und frei verfügbar sein,

sodass mehr als ein Hersteller als Lieferant in Frage kommen

kann. Die Halbleiter selbst müssen natürlich den strikten

automobilen Qualitätsanforderungen genügen.

■ Die Leistungsfähigkeit und der Funktionsumfang des

Prozessors muss in weiten Grenzen skalierbar sein.

Sowohl Einstiegsgeräte als auch Premiumgeräte müssen

von der Prozessorarchitektur abgedeckt werden können,

sodass prinzipiell dieselbe Software auf allen Geräten

ablaufen kann.

■ Die Systemarchitektur muss eine strikte Trennung von

fahrzeugspezifischer und multimediabezogener Datenverarbeitung

gewährleisten, um unter allen Umständen eine

unbeabsichtigte Beeinflussung der Fahrzeugeigenschaften

durch das Infotainment-Gerät sicherzustellen.

■ Der Fahrzeughersteller muss größtmögliche Flexibilität

bei der Integration von Infotainment-Plattformen verschiedener

Zulieferer in seine eigenen Fahrzeugplattformen

erreichen können.

■ Der Fahrzeugzulieferer wiederum muss mit seiner Infotainment-Plattform

größtmögliche Flexibilität in Bezug auf

die Adressierung eines breiten Fahrzeugherstellerspektrums

und auf die Integration zukünftiger Kundenanforderungen

haben. Die Investitionssicherung für eine Plattformgeneration

muss auch dahingehend gewährleistet

werden, dass eine Hardware-Kostenoptimierung, z. B.

durch den Umstieg auf neue Speichertypen, schnell und

Bild 4: Blockdiagramm des vorkonfigurierten Mikrocontrollers im

PARIS-Entwicklungssystem.

Bild 3: Das Basisboard des PARIS-Entwicklungssystems

stellt die physikalischen Schnittstellen bereit.

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flexibel durchgeführt werden kann.

Zusammengefasst ist also eine Architektur für zukünftige

Infotainment Systeme erforderlich, die gleichermaßen

offen, skalierbar, flexibel und sicher ist und darüber hinaus

ein attraktives Preis-Leistungsverhältnis bietet. Das neue

parametrierbare Infotainment System PARIS von Altera

kommt diesem Ideal bereits recht nahe.

Parametrierbares

Infotainment-System PARIS

Die Hardware-Seite von PARIS beruht auf einer offenen

Mikrocontroller Definition, d. h. auf einem Baustein sind

Prozessorkerne, Peripherieschnittstellen sowie eine Reihe

spezieller Funktionsblöcke, wie Speicher oder Hardware-

Beschleuniger, zusammen integriert. Der Unterschied zu

konventionellen Mikrocontrollern besteht darin, dass die

Architektur von PARIS flexibel ist und auf einer Art Baukastensystem

beruht (Bild 1). Bestandteile des Baukastensystems

sind alle integrierbaren Grundelemente, die für den

Aufbau eines Infotainment-Systems

erforderlich sind. Das sind zum Beispiel

einfache serielle Schnittstellen

wie I 2 S oder I 2 C, aber auch komplexe

Module wie CAN, MOST, Firewire,

Ethernet und sogar FlexRay. Diese und

eine ganze Reihe weiterer Schnittstellen

sind mit einem einheitlichen

Modulinterface ausgerüstet, so dass

sie problemlos an ein internes Bussystem

angeschlossen werden können.

Auf die gleiche Weise sind Module wie

Speicher, arithmetische Einheiten, und

komplexe Beschleunigungsblöcke für

Grafik, Video und Audio Funktionen mit

einem einheitlichen Modulinterface

ausgestattet. Auch die CPU wird wie

ein Modul behandelt. Sie kann das

Bussystem kontrollieren oder es sich

mit weiteren Bus-Mastern teilen.

Wenn mehrere Master auf eine

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System-Ressource zugreifen sollen,


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wird eine Arbitrierung am Slave-Anschluss vorgenommen.

Das ermöglicht ein blockierungsfreies Arbeiten mehrerer

Master an einem Bus und damit auch den Betrieb von mehreren

CPUs in einem Infotainment System.

Alle Module sind parametrierbar, d. h. die jeweilige Funktion

kann in der Systemdefinitionsphase genauer spezifiziert

werden. Auf diese Weise wird erreicht, dass PARIS nicht nur

ein spezieller Mikrocontroller für eine bestimmte Aufgabe

ist, sondern vielmehr eine ganze Reihe von Mikrocontroller-

Varianten umfasst. Dadurch, dass nur wenige Einschränkungen

bezüglich der möglichen Kombinationen bestehen, ist

die Auswahl einer bestimmten PARIS-Variante gleichzeitig

die Definition eines speziell für die gestellte Aufgabe zugeschnittenen

Produktes. Demgegenüber ist die Suche nach

einem traditionellen Mikrocontroller auf die zur Verfügung

stehenden Mitglieder der jeweiligen Familie beschränkt.

Das PARIS-Baukastenprinzip ist nur deswegen sinnvoll realisierbar,

weil die jeweiligen Funktionsmodule von der

eigentlichen Hardware, dem Silizium-Chip, unabhängig

sind. Mithilfe von FPGAs werden die synthetisierten Prototypen

auf reale Hardware abgebildet, die in den Zielsystemen

gestestet werden kann. Erst wenn das Zusammenspiel

aller Funktionen die Aufgabenstellung erfüllt, wird der

endgültige Mikrocontroller auf dem Produktionsbaustein

erzeugt, der dann nur noch einem Bruchteil des FPGAs

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kostet. Dabei kann der Produktionsbaustein ein HardCopy

Structured ASIC sein, eine direkte Kopie des FPGAs mit

identischen Funktionen und garantiertem Zeitverhalten, der

eine risikolose Migration durch den Entwickler selbst möglich

macht.

Mit dem PARIS Mikrocontroller-Baukasten wird der Schnittpunkt

zwischen Halbleiterhersteller und Entwickler zu dessen

Gunsten verlagert und es sind nur noch die Interessen

des jeweiligen Endanwenders für die Produktdefinition

maßgeblich. Diese Freiheitsgrade können unmittelbar

genutzt werden:

■ Logik, Speicher und CPU reflektieren exakt die geforderte

Spezifikation

■ Keine Entwicklungszeit geht verloren für die Anpassung

von traditionellen Mikrocontroller-Kompromissen

■ Hardwarebeschleuniger werden nur in Varianten eingebaut

wo sie benötigt werden

■ Hardware/Software Partitionierung optimiert die Siliziumausnutzung

■ Schnelle Prototypenverfügbarkeit

■ Definierte Langezeitverfügbarkeit

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die jeweilige Mikrocontroller-Variante nicht auf dem freien

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IGH PEED

H S

ROBUST

FLEXIBLE

ARM7/9/11 TriCore MPC55xx

Das PARIS Entwicklungssystem

Die offene Hardware Architektur von PARIS garantiert ein

Maximum an Flexibilität und ist gleichzeitig die Grundlage

für eine umfassende Unterstützung mit Applikationssoftware.

Das Entwicklungssystem bindet die jeweiligen Baukastenmodule

nämlich automatisch in die Softwareentwicklungsumgebung

ein, und erzeugt eine einheitliche

Hardware Abstraktionsschicht sodass die Portierung von

Standardanwendungen sehr einfach wird.

Zum Einstieg in die Entwicklung von PARIS-basierten Infotainment-Systemen

steht den Entwicklern ein vollständiges

Kit zur Verfügung (Bild 2), das bereits mit einem vorkonfiguriertem

Mikrocontroller sowie Treibern und Applikationssoftware

ausgeliefert wird. Das Kit besteht aus einem

Basisboard (Bild 3) in DIN-1 Einschub Formfaktor und einer

Reihe von physikalischen Schnittstellen wie VGA und TFT,

IDE und Audio, 10/100Base-T Ethernet, RS232, TTL serial,

USB, CAN, MOST, FireWire, MMC/SD/SDIO Karten und

weitere GPIO Steckern. Es verfügt ferner über einen

Modulsteckplatz für das Prozessormodul und bis zu zwei

zusätzlichen Erweiterungsmodulen.

Das Prozessormodul selbst hat als zentrales Bauelement

ein FPGA mit mehreren Millionen Systemgattern sowie 64

MB DDR-2 RAM und 16 MB Flash-Speicher. Alle physikalischen

Schnittstellen werden direkt mit dem FPGA verbunden

und ermöglichen so die Definition von nahezu beliebigen

Mikrocontroller Varianten. Als Erweiterungmodul steht

ein Navigations- und Kommunikationsmodul zur Verfügung.

Das Kit ist mit einem WVGA Touch-Screen TFT Bildschirm

ausgestattet und enthält alle notwendigen Stecker und

Stromversorgungen, um sofort damit arbeiten zu können.

Der vorkonfigurierte Mikrocontroller (Bild 4) enthält bereits

eine ganze Reihe von Schnittstellen und stellt neben einem

Applikationsprozessor auch noch einen Grafikbeschleuniger

sowie einen Audioprozessor zur Verfügung. Eine

Demonstrationsapplikation realisiert einen MP3-Player mit

grafischer Benutzeroberfläche und Touch-Screen Bedienung.

Als Musikquellen werden SD-Karten, USB- Sticks,

Festplatte/CD oder MOST-Geräte unterstützt.

Zusammenfassung

Infotainmentgeräte der Erstausrüster werden zunehmend

bedrängt von Geräten der Unterhaltungsindustrie, weil

deren Preis-Leistungsverhältnis deutlich besser erscheint.

Dabei spielen die reinen Hardwarekosten nur noch eine

untergeordnete Rolle gegenüber der Softwareentwicklung,

der Plattformwartung und dem Test. Daher ist eine

Möglichkeit, die ungünstige Kostenstruktur zu verbessern,

die Einführung einer offenen Systemarchitektur im Gegensatz

zu den bisher eingesetzten proprietären Mikrocontroller-Architekturen.

Das parametrierbare

Infotainment System PARIS kann

durch seine offene Architektur die

Basis für solche kostengünstige und

Hersteller unabhängige Infotainment

Systeme der nächsten Generation

XC2200

bieten. (oe)

Dr. Axel Zimmermann

ist bei der Firma Altera für die

Koordination der Automotive-

Aktivitäten in Europa verantwortlich.

Wir stellen aus: Embedded World 2008 – Halle 10.0 – Stand 215

Altera GmbH

@ www.altera.com

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