Die zunehmende Verbreitung von Kameras und Displays in modernen Fahrzeugen hat das Fahrerlebnis verändert und fortschrittliche Sicherheitsfunktionen, verbesserte Navigationssysteme und neue Unterhaltungsoptionen ermöglicht (Bild 1). Die steigende Verbreitung dieser Komponenten stellt die Automobilhersteller jedoch vor eine große Aufgabe: die Gewährleistung einer nahtlosen Konnektivität und Interoperabilität zwischen den verschiedenen Systemen. Eine der größten Herausforderungen ist dabei das Management der lokalen Konnektivität im Fahrzeug.
Schnell, zuverlässig und über größere Entfernungen
MIPI (Mobile Industry Processor Interface)-Protokolle auf höheren Schichten werden in vielen Fahrzeugen verwendet, um Sensoren und Displays mit Domainsteuergeräten und anderen Bordcomputern zu verbinden. Um die Kommunikation zwischen Kameras, Displays und anderen Bordsystemen zu ermöglichen, erfolgt die Datenübertragung traditionell über quellensynchrone Schnittstellen wie MIPI D-PHY und MIPI C-PHY. Während diese Schnittstellen für Verbindungen mit kurzer Reichweite effizient sind, stoßen sie bei der Datenübertragung über größere Entfernungen im Fahrzeug an ihre Grenzen.
Zur Lösung dieses Problems haben sich Verkabelungsschnittstellen wie MIPI A-PHY zur Verteilung von Kameras und Displays im Fahrzeug durchgesetzt. A-PHY ist eine asymmetrische Datenverbindung in einer Punkt-zu-Punkt-Topologie, die eine sehr schnelle, unidirektionale Datenübertragung mit eingebetteten bidirektionalen Steuerdaten und optionaler Stromversorgung über ein einziges Kabel ermöglicht.
Der Einsatz von A-PHY ermöglicht den Herstellern eine effiziente Übertragung über größere Entfernungen – Kabellängen von bis zu 15 Metern – sowie eine schnelle, zuverlässige und effiziente Kommunikation zwischen verschiedenen Komponenten im Fahrzeug. MIPI A-PHY v1.0 unterstützt fünf Geschwindigkeitsstufen (2, 4, 8, 12 und 16 Gbit/s) und bietet damit eine größere Designflexibilität. Die neueste Version MIPI A-PHY v1.1 verdoppelt die gesamte Downlink-Bandbreite von 16 auf 32 Gbit/s durch die Unterstützung von Star Quad (STQ)-Kabeln, die zwei differentielle Adernpaare in einem einzigen geschirmten Mantel bieten. Dadurch können zwei A-PHY-Ports über ein einziges Kabel bereitgestellt werden, was im Vergleich zur Verwendung von zwei separaten Koaxialkabeln oder geschirmten Twisted-Pair-Kabeln Kosten, Gewicht und Komplexität spart.
Brücke zwischen verschiedenen Schnittstellenprotokollen
Die Einführung von Schnittstellenstandards bringt jedoch eine Reihe von Herausforderungen mit sich. Verschiedene Hersteller verwenden proprietäre Protokolle oder Hardware-Schnittstellen, was zu Kompatibilitätsproblemen und fragmentierten Ökosystemen führt. Um die Einführung von Schnittstellenstandards zu vereinfachen, setzen Automobilhersteller auf programmierbare FPGA-basierte Schnittstellenbrücken.
Diese vielseitigen Lösungen dienen als Brücke zwischen unterschiedlichen Schnittstellenprotokollen und erleichtern die Kompatibilität und Flexibilität innerhalb der Fahrzeugarchitektur. FPGA-basierte Interface Bridges ermöglichen die Integration mehrerer Geräteschnittstellen und erlauben die Aggregation, Partitionierung, Steuerung und Initialisierung verschiedener Komponenten (Bild 2).
Sie bieten erweiterte Funktionen wie Vorverarbeitung und Pufferung für die Echtzeitverarbeitung von z. B. Kamera- und Displaydaten. Die Latenz von FPGAs ist mit <15 ms deutlich geringer als beispielsweise bei SoC-basierten Lösungen mit ca. 30 ms. Darüber hinaus unterstützen sie Kompressionsverfahren, die eine höhere Auflösung sowie höhere Bild- und Datenraten über die Kabelverbindung ermöglichen. Damit können Automobilhersteller ihren Fahrern und Passagieren ein hochmodernes visuelles Erlebnis bieten, ohne Kompromisse bei Leistung oder Effizienz eingehen zu müssen.
Der Einsatz von Gowin FPGAs zur Ansteuerung von LED-Hintergrundbeleuchtungen in Automobilapplikationen bietet mehrere entscheidende Vorteile (Bild 3): Sie bieten eine kostengünstige, anpassbare Logik, die ein schnelles Prototyping und eine präzise Steuerung der LED-Helligkeit und -Farbe möglich macht und so die Lesbarkeit des Displays und den Fahrerkomfort verbessert. Darüber hinaus sind die FPGAs für einen geringen Stromverbrauch ausgelegt, was für die Energieeffizienz in Fahrzeugen entscheidend ist. Sie erfüllen die strengen Standards der Automobilindustrie hinsichtlich Zuverlässigkeit und Temperaturbeständigkeit. Ihre Integrationsfähigkeiten unterstützen die nahtlose Anbindung an andere Fahrzeugsysteme und die umfassende Steuerung und Überwachung auf einem einzigen Chip.
Fazit
Durch den Einsatz von FPGA-basierten Schnittstellenbrücken sind Automobilhersteller in der Lage, die Herausforderungen im Zusammenhang mit Kamera- und Display-Schnittstellen zu bewältigen und eine nahtlose Konnektivität und standardisierte Kommunikationsprotokolle in ihren Fahrzeugen zu gewährleisten.
Diese Lösungen verbessern nicht nur das Fahrerlebnis, sondern bereiten auch den Weg für Neuerungen in der Automobiltechnologie. Mit der weiteren Entwicklung der Branche werden FPGA-basierte Interface Bridges eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung der Zukunft vernetzter Fahrzeuge spielen.
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