APIX2: Die Datenautobahn - Inova Semiconductors

Kommunikation llll Kfz-Elektronik
APIX 2: Die Datenautobahn
Im Jahr 2007 stellte Inova Semiconductors
mit ihrem APIX die
erste Generation ihres „Automotive
Pixel Link“ mit 1 Gbit/s vor, der
in enger Zusammenarbeit mit BMW
für die besonderen Anforderungen im
Fahrzeug entwickelt wurde: zuverlässige
Datenübertragung bei gleichzeitig
optimalen EMV-Eigenschaften. Anders
als vergleichbare Pixel Links war
bereits dieser APIX-1-Link nicht nur
als reine Display-Verbindung konzipiert,
die ausschließlich Pixeldaten
übertragen kann. Über bidirektionale
Kommunikationskanäle konnte bereits
bei APIX 1 das Steuergerät mit dem
Display zusätzlich Daten austauschen
und machte damit einen zusätzlichen
Steuerbus überflüssig.
Premiere im Fahrzeug hatte APIX
1 im aktuellen 7er BMW im November
2008, der Link wird seitdem weltweit
und millionenfach eingesetzt.
Und das nicht nur in immer mehr
Fahrzeugmodellen – aufgrund seiner
Funktionalität und Zuverlässigkeit
kommt APIX 1 auch in unterschiedlichen
industriellen und medizinischen
Anwendungen zum Einsatz, hier vor
allem bei kameragestützen Inspektions-
und Diagnose-Systemen.
APIX für das
Armaturenbrett
Auch wenn die APIX-1-Datenrate von
1 Gbit/s für die meisten Displayformate
ausreichend ist, zeichnet sich bei
den Premium-Herstellern ein klarer
Trend zu deutlich größeren Displays
im Fahrzeug ab, auf denen dann unter
anderem auch Videos in HD-Qualität
gezeigt werden sollen.
Und die Funktion eines kompletten
Instrumentenkombi wird bald ein einziges
großes 12-Zoll-Display mit bis
zu 1600 × 600 Pixel Auflösung übernehmen,
das dann auch sämtliche mechanischen
Instrumente und Anzeigen
vollständig ersetzt. Um hier alle Informationen
einschließlich „ruckelfreier“
Zeiger in hoher Qualität darzustellen,
muss der Link in der Lage sein, bis zu
2,5 Gbit/s zu übertragen.
Auch die neue Generation hochauflösender
und kontraststarker Megapi-
Video, Audio und Ethernet – mit 3 Gbit/s gemeinsam
über eine Datenautobahn
Auf der „embedded world“ in Nürnberg zeigte Inova Semiconductors die
zweite Generation ihres „Automotive Pixel Link“, der völlig unterschiedliche
Datenformate über ein einziges Kabel mit 3 Gbit/s über bis zu 15 m Entfernung
überträgt. APIX 2 eröffnet damit nicht nur im Fahrzeug Perspektiven
für neue Display- und Fahrerassistenzsysteme – auch für industrielle
Anzeigen stehen mit diesem Multifunktions-Link neue Wege offen.
Von Robert Kraus
Video 1
Video 2
Audio
Konfiguration
Diagnose, Daten
Ethernet
Low latency
signalling
Referenztakt
RGB/LVDS
RGB/LVDS
I 2 S
SPI, I 2 C
MII
AShell
GPIO
INAP375T
xel-Bildsensoren, die verstärkt in modernen
Fahrerassistenzsystemen zum
Einsatz kommen, brauchen eine
schnelle „Gigabit+“-Verbindung zum
Grafikprozessor, damit ihre hohe Bildleistung
dort auch uneingeschränkt
umgesetzt werden kann.
Und die neue Generation von Grafikprozessoren
mit leistungsstarken
ARM-Cortex-Kernen ist heute auch
3 Gbit/s
Video
Downstream
Upstream
187,5 Mbit/s
Referenztakt
AShell
RGB/LVDS
RGB/LVDS
I 2 S
SPI, I 2 C
MII
GPIO
INAP375R
ll Bild 1. Blockschaltung der Sende- und Empfangsbausteine INAP37T und INAP37R des APIX 2.
Steckbrief APIX 2
``Kompatibel zu APIX 1
``ununterbrochener Downstream- Datenstrom
mit 0,5 Gbit/s, 1 Gbit/s und 3 Gbit/s für Video-
Datenraten bis 2,5 Gbit/s
``187,5 Mbit/s und 62,5 Mbit/s Bandbreite für
Uplink-Datenströme
``bis zu zwei unabhängige Video-Datenströme
``konfigurierbares Video-/Dateninterface:
– parallel RGB (10, 12, 18, 24 bit)
– LVDS Single- und Dual-Channel (18, 24 bit)
– Bulk Data Mode (16 bit und 2 flags)
`` Video-Auflösung bis zu
– 1920 × 1080 × 24 bit (1080i)
– 1600 × 600 × 24 bit
– 1280 × 1024 × 24 bit
``konfigurierbare Zwei-Richtungs-Kommunikation,
Kanäle für zwei Empfängerbausteine
INAP37R
Video 1
Video 2
Audio
Konfiguration
Diagnose, Daten
Ethernet
Low latency
signalling
``SPI-Datenschnittstelle
``I
2C-Master-Interface
``Media Independent Interface (MII) für
Ethernet
``GPIO mit Unterstützung für Synchronisierung
von Kameras
``Embedded AShell
``I
2C Audio-Schnittstellen:
– 16-, 24- und 32-bit-Datenformate
– Abtastfrequenzen 44,1 und 48 kHz
``TDM-Unterstützung für bis zu 8 Kanäle
``Diagnose-Funktionen:
– Selbsttest
– Embedded-Diagnose
``Entfernung: bis zu 15 m bei 3 Gbit/s (Kabel:
Ernst & Engbring)
``Betriebstemperaturbereich –40 bis +105 °C
``LQFP-Gehäuse mit 100 Kontakten
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Elektronik 7/2011 29

Kfz-Elektronik llll Kommunikation
Bild 2. Augendiagramm des 3-Gbit/s-Signals am Ende einer 5-mll
Strecke. Gemessen wurde an einem STP-Kabel ohne aktive Signalkonditionierung.
in der Lage, die großen Datenmengen
von mehreren hochauflösenden Kameras
parallel und in Echtzeit zu verarbeiten,
und braucht deshalb einen
leistungsstarken Gigabit-Link, der diese
enormen Datenmengen auch zuverlässig
und in Echtzeit transportieren
kann.
APIX 2 – Forschungsprojekt
als Grundlage
Um all diesen Anforderungen zu genügen
und den Anwendern mit APIX
eine moderne und zukunftssichere
Verbindungstechnik an die Hand zu
geben, entwickelte Inova Semiconductors
jetzt APIX 2. Voll abwärtskompatibel
zu APIX 1, überträgt er bis zu
3 Gbit/s und bietet mit der höhen Datenrate
auch zahlreiche neue Leistungsmerkmale
an (Bild 1 und Kasten).
Vor Beginn der eigentlichen Produktentwicklung
von APIX 2 stand
allerdings ein umfangreiches Forschungsprojekt,
das auch vom Bundesministerium
für Bildung und Forschung
(BMBF) gefördert wurde. Die
Industrie forderte nämlich, dass auch
bei der hohen Datenrate von 3 Gbit/s
die gleichen Materialien, günstigen
Platinen und Kupferkabel zum Einsatz
kommen sollten wie bei der aktuellen
1-Gbit/s-Generation – ohne Einschränkungen
bei Zuverlässigkeit, Robustheit
und Reichweite.
Bei dieser hohen Datenrate mit einer
Bitlänge von gerade einmal 333 ps
führen die parasitären Eigenschaften
des Kupferkabels aber bereits zu extremen
Signalverzerrungen (Bild 2).
Um trotzdem eine zuverlässige Datenübertragung
sicherzustellen, mussten
aufwendige digitale Filterverfahren
zur Signalkonditionierung entwickelt
und im Baustein umgesetzt werden.
Ebenso wurden neue Verfahren und
Methoden zur Simulation und Kompensation
von Parasiten, Übersprecheffekten
und anderen Störeinflüssen
entwickelt.
Grundlage des APIX-2-Links ist
ein spezielles Taktsystem, das auch
schon bei APIX 1 zum Einsatz kommt.
Ein eigenständiges Taktsystem transportiert
die Daten wie ein Förderband
konstant und kontinuierlich, aber mit
unterschiedlichen Geschwindigkeiten
in beide Richtungen. Bildsignale und
andere Daten werden hier paketorientiert
innerhalb von Frames übertragen
– völlig unabhängig von Inhalt oder
Takt des Bildsignals (Bild 3).
Mit APIX 2 können so gleichzeitig
zwei unterschiedliche Videoformate,
digitales Mehrkanal-Audio und über
die bidirektionalen Kommunikationskanäle
auch generische Busprotokolle
wie etwa I 2 C deterministisch und
Raffinierte Datencodierung
Das Kernstück von APIX 2 ist der sog.
Line-Code. Er verschachtelt sämtliche
Daten innerhalb eines Frames nach
einem speziellen Verfahren und stellt
sicher, dass – völlig unabhängig von
Bildinhalten und den anderen übertragenen
Daten – immer ein konstanter,
stetiger Datenstrom frei von Gleichspannungsanteilen
übertragen wird.
Dies ist nicht nur Voraussetzung
für die kapazitive Ankopplung des
Kabels, sondern auch für ein gleichmäßig
verteiltes HF-Spektrum im seriellen
Datenstrom und damit minimale
elektromagnetische Abstrahlungen.
Durch die intelligente Codierung der
Daten wird bei APIX 2 auch der Overhead
für Fehlerschutzmaßnahmen auf
ein Minimum reduziert. Anstelle eines
Overheads von 25 % oder rund
750 Mbit/s mit herkömmlicher
8B/10B-Codierung und 8-bit-Parität
als Fehlerschutzmaßnahme stehen bei
APIX 2 rund 2,8 Gbit/s als Nettodatenrate
(payload) kontinuierlich zur
Pixeldaten
und
Steuersignale
Downstream-
Daten
Referenztakt
Pixeltakt
Pixeldaten
und
Steuersignale
Downstream-
Daten
Referenztakt
Upstream-
Daten
Eingangs-
Register
Framer
PLLs
De-Framer
praktisch in Echtzeit übertragen werden.
Als Novum verfügt APIX 2 erstmals
auch über eine standard-konforme
MII-Schnittstelle (Media Independent
Interface). An diese kann ein
MAC-Controller direkt angeschlossen
werden, APIX 2 kann so als ein
„Ethernet-Link“ zusätzlich auch IP-
Pakete mit 100 Mbits/s übertragen.
Ein von Inova Semiconductors entwickeltes
Protokoll, die so genannte
AShell (Automotive Shell), schützt
diese Kommunikationskanäle zusätzlich,
so dass hier auch sicherheitsrelevante
Daten übertragen werden können.
3 Gbit/s
„Förderband“
187,5 Mbit/s
De-Framer
Framer
Pixel Clk
PLL
Ausgangs-
FIFO
Pixeltakt
Upstream-
Daten
ll Bild 3. Funktionsprinzip des APIX-Links: Daten werden wie auf einem Förderband in Echtzeit
übertragen – kontinuierlich, in beide Richtungen und völlig unabhängig von bildabhängigen Parametern
oder Jitter des Pixeltakts.
Verfügung. Der Overhead beträgt hier
weniger als 8 %.
Erste Alpha-Kunden setzen APIX
2 bereits auf ihren neuen Multimedia-
Plattformen ein, die ab Frühjahr 2012
in Serie gehen werden. Die APIX-2-
Bausteine sind in Stückzahlen verfügbar,
Inova Semiconductors bietet mit
dem ADK2 auch ein modular aufgebautes
Demokit und zahlreiche weitere
Tools an.
Als diskreter Chip oder im SoC
APIX steht aber nicht nur als diskreter
Link-Baustein zur Verfügung, Inova
30 Elektronik 7/2011
www.elektroniknet.de

Kommunikation llll Kfz-Elektronik
NI DIAdem
ll Bild 4. Controller, Grafikprozessor und Grafikdisplaycontroller mit integrierter APIX-1-Schnittstelle im
Armaturenbrett. (Bild: Fujitsu Semiconductor)
hat diese Technologie von Beginn an
auch an andere Hersteller lizenziert, so
dass die APIX-1-Schnittstelle heute in
SoCs von Toshiba und Fujitsu Semiconductor
(Bild 4) integriert ist und als
Softcore für Spartan-6-FPGAs von Xilinx
zur Verfügung steht. Mit dem
„Emerald-P“ hat Fujitsu nun den weltweit
ersten Grafikprozessor mit gleich
vier integrierten APIX-2-Schnittstellen
vorgestellt. Der Hauptprozessor dieser
zweiten SoC-Generation der Emerald-
Familie ist ein ARM-Cortex-A9 mit
Neon-SIMD-Erweiterung zur Verarbeitung
von Multimediadaten. Herzstück
des Chips sind 3D-Grafikeinheit mit der
Unterstützung von OpenGL ES 2.0 und
eine zusätzliche unabhängige 2D Graphics
Engine. Die drei parallelen Displaycontroller
verfügen jeweils über
eine eigene APIX-2-Schnittstelle, um
die Bilddaten unkomprimiert in höchster
Auflösung an die Displays zu verteilen.
So kann der Chip für eine freiprogrammierbare
oder hybride Anzeigetafel
eingesetzt werden, in der hochauflösende
Grafik dargestellt wird. Über die
weiteren APIX-2-Ausgänge können
gleichzeitig auch noch das zentrale Display
(CID) und eine weitere Anzeigeneinheit,
etwa das Head-up-Display, direkt
angeschlossen werden.
Über einen zusätzlichen APIX-2-
Videoeingang können Bilddaten verzögerungsfrei
und in bester digitaler Qualität
von einer Head Unit oder einer
Kamera in den Emerald-P eingespielt
und dort verarbeitet werden.
In dieser ersten Emerald-P-Architektur
wurden drei APIX-2-Transmitter und
ein -Receiver integriert. Durch die hohe
Modularität dieses Ansatzes können
auch schnell andere Konfigurationen
realisiert werden, somit eignet sich die
Technologie auch für den bevorstehenden
Umbruch im Bereich der kamerabasierten
Fahrerassistenzsysteme von analogen
auf digitale Kameras.
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ll Bild 5. Volldigitales 360°-Rundumsicht-Fahrerassistenzsystem mit aktiver Fußgängererkennung.
(Bild: DSP Weuffen)
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* Mit dem Ausfüllen stimme ich dem Erhalt von Serviceangeboten zu. Die Zustimmung kann jederzeit durch Löschung der Kommunikationsdaten widerrufen
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AI019
Kfz-Elektronik llll Kommunikation
ll Bild 6. Konzept für die Vernetzung von Displaysystemen über APIX 2 für die
Verteilung unkomprimierter Videoströme in Echtzeit und den sicheren Austausch
von Steuerdaten. (Quelle: BMW)
Boom bei kameragestützten Fahrerassistenzsystemen
Auch Hersteller von Grafikprozessoren arbeiten an Produktkonzepten
mit mehreren APIX-2-Receiver-Blöcken. Nachdem
ein taiwanischer Hersteller bereits erste volldigitale Zwei-
Chip-Kameramodule mit HD-Megapixel-Sensoren von Omnivision
und Aptina und dem APIX-2-Sendebaustein vorgestellt
hat, wird ein Grafikprozessor mit vier oder mehr APIX-
2-Eingängen das nächste Schlüsselprodukt im APIX-Portfolio
werden.
Damit lassen sich dann sehr ökonomisch leistungsfähige
Multiview-Kamerasysteme realisieren, die nicht nur Rundumsichtbilder
in perfekter HD-Qualität anzeigen werden, sondern
diese auch scannen und den Fahrer warnen, wenn etwa ein
Fußgänger vor dem Auto plötzlich die Straße überquert.
Diese kameragestützten Fahrerassistenzsysteme werden in
den nächsten Jahren einen wahren Boom erleben: Experten
sehen den bildgebenden Kameramarkt in Europa und Nordamerika
– hier vor allem durch neue gesetzliche Verordnungen – in
den nächsten fünf Jahren um 400 % wachsen, wobei Systeme
mit Mehrfachkameras mit 27 % jährlichen Durchschnittswachstums
einen überproportionalen Anteil haben werden.
Als Vorstufe für die geplante Vollintegration mehrerer APIX-
2-Receiver in einen Grafikprozessor zeigte Inova Semiconductors
auf der „embedded world“ zusammen mit Nvidia und
dem Systemspezialisten DSP Weuffen bereits ein volldigitales
Rundumsichtsystem mit Fußgängererkennung, bei dem vier
HD-Kameras mit Omnivision-OV10630 HDR-Sensor über
APIX 2 an ein PC-Graphiksystem von Nvidia angebunden sind
(Bild 5).
Multimedia und Dateninflation im Auto
Die Displays im Fahrzeug werden nicht nur größer, sondern auch
immer zahlreicher. Oberklasse-Modelle werden in Zukunft bis
zu sechs Displays eingebaut haben, die mit den Kamerasystemen
zum Teil auch vernetzt werden. Zu den klassischen Anzeigen
von Geschwindigkeit, Kilometerstand, Tankinhalt, Kühlwassertemperatur
u.a kommen dann auch hochauflösende Bilder
von Rundum- und Nachtsichtsystemen, Fahrzeugnavigation mit
3D-Grafik und in die Windschutzscheibe via Head-up-Display
eingeblendete Informationen.
www.elektroniknet.de

Robert Kraus
ist Mitgründer und Geschäftsführender Gesellschafter
der Inova Semiconductors. Nach dem
Studium der Nachrichtentechnik in München
begann er 1986 bei Motorola Halbleiter. Nach
Management-Positionen in verschiedenen Engineering-Bereichen
war er ab 1995 auch für
den Aufbau von Design-Zentren und strategischen
Kooperationen in Osteuropa verantwortlich.
Ab 1997 leitete er als Senior Manager
die weltweite Entwicklung neuer Standardprodukte
für den Automotive-Bereich.
Seit Gründung der Inova Semiconductors im
Februar 1999 ist er dort für die Geschicke des
Unternehmens verantwortlich.
rkraus@inova-semiconductors.de
www.elektroniknet.de
Die „Generation iPhone“ erwartet darüber hinaus, dass sie
ihre mobilen Begleiter auch im Auto uneingeschränkt einsetzen
kann. Neben dem Abspielen von Musik oder Videos und dem
Zugang zu Internet und E-Mail gehört dazu bald auch die individuelle
Gestaltung der Anzeigen auf den Displays.
BMW, führend in der Gestaltung moderner Multimedia- und
Display-Konzepte im Fahrzeug, sieht die Lösung in einer konsequenten
Integration von Funktionen. Dr. Wolfgang Rieger,
Leiter FIS-Konzepte, Software & Displaytechnologie bei BMW,
sagt: „Aus Kostengründen wird damit auch eine höhere Integrationsdichte
verbunden sein, d.h., heute vorhandene Funktionen
in kleineren Steuergeräten werden in Zukunft auf eine bestimmte
Anzahl leistungsfähiger ECUs verteilt werden. Das
APIX-2-Bussystem gewinnt damit einen neuen Stellenwert in
der Systemarchitektur bei der Vernetzung von Anzeigesystemen,
wo insbesondere Videodatenströme zu betrachten sind.“
In Bild 6 ist beispielhaft ein Konzept von BMW gezeigt, bei
dem zwei Anzeigesysteme über APIX 2 miteinander vernetzt
sind. Damit ist neben der Verteilung von unkomprimierten
Videoströmen auf die entsprechenden Anzeigen in Echtzeit auch
der sichere Austausch von Steuerdaten zwischen den beiden
Rechnereinheiten möglich. Mit APIX 2 ist so nicht nur ein
System geschaffen, das hohes Videodatenvolumen bewältigt.
Es besteht mit dieser Architektur auch die Möglichkeit, im
Bereich „House Keeping“ den Datendurchsatz im Fahrzeug
drastisch zu erhöhen.
Die Entwicklung hin zu immer leistungsfähigeren Multimedia-
Anwendungen auch im Auto wird sich fortsetzen. Die Bewältigung,
Bündelung und Kanalisierung der resultierenden Datenströme
wird in Zukunft ein zentrales Thema bei der Fahrzeugelektronik
werden. Auch die Bedürfnisse der Innenraum-Designer
nach mehr Freiheitsgraden bei der Gestaltung von Cockpit und
Armaturenbrett werden dazu führen, dass bestimmte Steuergeräte
von ihren klassischen
Einbauplätzen
weichen müssen und
etwa in den Kofferraum
umgesiedelt
werden und ihre Anzahl
durch hochintegrierte
SoCs reduziert
wird. Mit APIX bieten
Inova Semiconductors
und seine Partner dafür
bereits heute ein
durchgängiges Lösungskonzept
an. Und
die Entwicklung wird
bei APIX 2 nicht stehenbleiben.
Bei Inova
Semiconductors gibt
es heute bereits schon
erste Überlegungen
zu einem „APIX
next“. jk
Literatur
[1] Kraus, R.: APIX auf der
Überholspur. Elektronik
2010, H. 11, S. 20ff.
LEISTUNGSANALYSATOR
Für den Bereich der elektrischen
Energie- und Antriebstechnik
Innovative Messfunktionen des WT1800
zur Steigerung der Effizienz
Motor, Umrichter, Beleuchtung, elektrische- und
hybride Antriebstechnik, Batterie, Stromversorgung,
Luftfahrt, Erneuerbare Energien
Der neue Präzisions-Leistungsanalysator WT1800
erweitert ab sofort die erfolgreiche Produktreihe der
Leistungsmessgeräte von Yokogawa.
• Modular bis zu 6 Phasen
• Direkteingänge bis 1000 V / 50 A
• Simultane Breitband- und Harmonischen Messung
• Duale Oberschwingungsanalyse an zwei
unterschiedlichen Leistungskreisen
• Bandbreite 5 MHz, Abtastung 2 MS/s
• Digitale Filter im 100 Hz Raster
• Motorversion für Drehzahl und Drehmoment
• Schnittstellen (Standard): IEEE-488, Ethernet, USB
Weitere Details unter: www.tmi.yokogawa.com/de
Halle 12
Stand 329
Wir stellen Ihnen dort
den neuen 6-phasigen
Leistungsanalysator
-Modell WT1800- vor.
Yokogawa Deutschland GmbH
Niederlassung Herrsching
Test- und Messtechnik
Gewerbestr. 17
D-82211 Herrsching
Tel. +49 (0) 81 52-9310-0
Fax+49 (0) 81 52-9310-60
info.herrsching@de.yokogawa.com
http://tmi.yokogawa.com/de