Digitale Anzeige- und Bedienkonzepte halten zunehmend Einzug in Fahrzeugklassen, die traditionell mit mechanischen oder einfachen LCD-Instrumenten ausgestattet waren – etwa Zweirädern, dreirädrigen Fahrzeugen, leichten Nutzfahrzeugen oder Booten. Die Anforderungen und Möglichkeiten dieser Anwendungen gehen heute über die reine Geschwindigkeits- oder Tankanzeige hinaus: Nutzende erwarten eine klare, gut ablesbare Visualisierung sicherheitsrelevanter Informationen, Personalisierungsmöglichkeiten sowie Schnittstellen zur Smartphone-Integration.
Im Kontext software-definierter Fahrzeuge (Software-defined Vehicles, SDV) werden Funktionen zunehmend über Software realisiert und können während der Produktlebensdauer angepasst oder erweitert werden. Dies gilt insbesondere für Anzeigeeinheiten, die nicht nur Fahrdaten visualisieren, sondern auch Sicherheits- und Komfortfunktionen einbinden und sich mit Smartphones oder anderen Geräten vernetzen lassen.
Zur Umsetzung solcher Systeme werden Mikrocontroller benötigt, die neben der klassischen Steuerfunktionalität auch die Grafikverarbeitung und Sicherheitsfunktionen übernehmen können. Das Herzstück der Ansteuerelektronik sind Mikrocontroller mit integrierter Graphics Processing Unit (GPU). Zu dieser Kategorie gehören Infineons neue 32-Bit-Mikrocontroller der Baureihe TRAVEO T2G Graphics. Abbildung 1 zeigt eine mögliche Implementierung.
Skalierbare Grafikcontroller für Embedded-Anzeigeanwendungen
Die Mikrocontrollerfamilie ist auf verschiedene Anzeige- und Bedienlösungen in kleinen Fahrzeugen und Booten ausgelegt. Die Produktauswahl orientiert sich an den spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung – vom einfachen Segmentdisplay bis hin zur grafikintensiven Anzeigeeinheit mit Videoausgabe (Abb. 2).
Für Anwendungen mit geringen grafischen Anspruch, etwa einfache Tachoeinheiten mit LCD-Segmenten oder Zeigerinstrumente mit Schrittmotoren, eignet sich die Unterfamilie CYT2CL. Diese Bausteine bieten die erforderliche Ansteuerlogik und I/O-Funktionalität, ohne eine vollwertige Grafikengine. Der Fokus liegt auf einem niedrigen Stromverbrauch und einer kosteneffizienten Umsetzung.
Anwendungen mit frei gestaltbaren grafischen Benutzeroberflächen, beispielsweise digitale Cockpits, Rollerdisplays mit Navigationseinblendung oder Rückfahrkamerasysteme, lassen sich mit den Unterfamilien CYT3DL, CYT4DN und CYT4EN umsetzen. Diese Mikrocontroller integrieren eine 2D-Grafikengine und unterscheiden sich hauptsächlich in ihrer RAM-Ausstattung und Displayunterstützung. Ziel sind Grafikdisplays ab einer WVGA-Auflösung (800 × 480 Pixel):
- CYT3DL: interner Video-RAM (bis 2 MB) für einfache 2D-Grafiken bei mittlerer Auflösung
- CYT4DN: erweitertes Rendering mit bis zu 4 MB internem Video-RAM, unterstützt mehrere Displaylayer und Warping (Abb. 3)
- CYT4EN: externer LPDDR4-RAM bis 1 GB für hochauflösende Displays oder größere Bildpuffer
Für komplexe Systeme wie Head-Up-Displays, digitale Rückspiegel oder Multidisplay-Konzepte mit projektions- oder kamerabasierten Eingängen ist die Unterfamilie CYT4EN vorgesehen. Diese Derivate kombinieren hohe Grafikleistung bei geringem Energieverbrauch mit zwei unabhängigen Videoausgängen (z. B. Cockpit + HUD), Warping zur Projektionsflächenkorrektur und optionalem externem LPDDR4-Speicher. Sie bieten die notwendige Flexibilität für künftige Anzeige- und Assistenzfunktionen.
Alle Derivate der CYT3- und CYT4-Familien integrieren neben der Grafikengine ein Soundsubsystem sowie zahlreiche Peripherieblöcke. Das Grafiksubsystem bietet unter anderem folgende Leistungsmerkmale:
- On-Chip Video-RAM bei CYT3DL und CYT4DN. Das On-Chip-Video-RAM erhöht die Integration des Gesamtsystems und spart externe Speicherbausteine ein. Die interne Busanbindung ermöglicht schnelle Zugriffszeiten. Beim CYT4EN wird das bis zu 1 GB große Video-RAM als externer Speicher mit LPDDR4 ausgeführt.
- Grafikkern (Graphics Processing Unit, GPU) für On-the-Fly 2D-Rendering mit Block Image Transfer (BLIT), Bildskalierung und -rotation, perspektivische Korrektur für 3D-Effekte (2.5D) und Command-Sequenzer.
- Display- und Composition-Engine mit fünf Grafiklayer für Alpha-Blending, davon einer mit Entzerrfunktion (Warping), z. B. für Objektiv- oder Projektionsflächenkorrektur sowie zwei unabhängige Video-Ausgangssignale, z. B. für Hauptdisplay und Head-up-Display.
- Capture-Engine für einen Video-Stream
- Video I/O-Interface
- JPEG-Dekoder
Die Schlüsselfunktion ist die Option, Videos und Grafiken über einen Mehrzeilenpuffer direkt auf das Display zu rendern (On-the-Fly), anstatt sie zuerst in einen großen Frame-Buffer im RAM zu laden. Dadurch reicht der interne Video-RAM für 720p-Grafiken aus und die BOM-Kosten können gesenkt werden, da das System keinen externen DDR-RAM benötigt. Diese Technik ist für einfache Sprite-Grafiken üblich, im Zusammenhang mit 2D-GPUs und anspruchsvollen Operationen wie Bilddrehung und perspektivischer Korrektur (2,5D) jedoch einzigartig.
Sicherheitsfunktionen in Anzeigeeinheiten
In vielen Fahrzeuganwendungen übernehmen Anzeigeeinheiten nicht nur eine Komfortfunktion, sondern auch sicherheitsrelevante Aufgaben. Dazu gehört beispielsweise die Darstellung von Warnsymbolen wie „Airbag deaktiviert“ oder „Tür offen“. Um sicherzustellen, dass diese Inhalte korrekt und dauerhaft sichtbar sind, sind spezifische Maßnahmen zur funktionalen Sicherheit erforderlich.
Ein zentrales Element ist der sogenannte Signature Driver. Dieser berechnet auf dem Mikrocontroller eine Prüfsumme (CRC) für definierte Bildbereiche. Diese Prüfsumme wird kontinuierlich mit einem Referenzwert verglichen. So lässt sich erkennen, ob sicherheitsrelevante Anzeigeinhalte wie vorgeschrieben dargestellt werden. Aufgrund dieser Eigenschaften eignet sich der Mikrocontroller auch als Safety Companion MCU für Anzeigeeinheiten, die in Verbindung mit einem SoC betrieben werden – etwa unter Linux mit Unterstützung von Android Auto oder Apple CarPlay. In solchen Systemen übernimmt der Mikrocontroller die sicherheitsrelevante Darstellung von Symbolen (z. B. Gurtwarnung oder Airbag-Status), während der Hauptprozessor für die übrige Anzeige verantwortlich ist. So kann das Gesamtsystem sicherheitskritische Inhalte gemäß einer ASIL-Klassifizierung absichern, ohne dass der Haupt-SoC selbst funktionale Sicherheit erfüllen muss.
Ergänzend zur funktionalen Sicherheit steht für alle Bausteine außerdem optional ein integriertes Hardware Security Module (HSM) zur Verfügung. Dieses erfüllt die EVITA-Full-Spezifikation (E-Safety Vehicle Intrusion Protected Applications) und ermöglicht unter anderem den gesicherten Systemstart sowie die hardwaregestützte Ausführung kryptografischer Funktionen. Die Konformität mit der Norm ISO/SAE 21434 für Cybersicherheit in der Fahrzeugentwicklung ist in Vorbereitung; eine Zertifizierung wird bis Ende 2025 angestrebt.
Tabelle 1: Skalierungsbereich innerhalb der MCU-Familie von Minimal- bis High-End-Einsatz: CYT2CL vs. CYT4EN
| Kriterium | CYT2CL | CYT4EN |
| Anwendungsbereich | Einfache LCD-Segmentdisplays, Zeigerinstrumente mit Schrittmotoren | Hochauflösende grafikintensive Displays, Systeme mit größerem Speicherbedarf |
| Grafikfeatures | Keine vollwertige GPU, einfache Ansteuerlogik | 2D-GPU mit On-the-Fly-Rendering, Warping, perspektivische Korrektur (2.5D), ausgelegt für höhere Auflösung und größere Bilddatenmengen |
| Speicherausstattung | Kein interner Video-RAM | Externer LPDDR4-RAM bis 1 GB, HYPERRAM/FLASH möglich |
| Displayunterstützung | Einfache Auflösungen (z. B. Segment-LCDs) | WVGA bis HD+, für grafiklastige Oberflächen und große Framepuffer |
| Schnittstellen | Basis-I/O (CAN, LIN, SPI) | MIPI-CSI-2 (Kameraeingang), LVDS, Ethernet, CAN, SPI, I²C; Dual-Video-Ausgabe möglich |
| Energieeffizienz | Optimiert für niedrigen Stromverbrauch | Höherer Verbrauch durch externe RAM-Anbindung, für leistungskritische Aufgaben toleriert |
| Kostenfokus | Kosteneffizient durch Verzicht auf externe Speicher | Höhere Kosten durch externen RAM und High-End-Grafikfunktionalität |
Entwicklertools und Evaluierungsplattformen
Zur Entwicklung grafikfähiger Anwendungen steht mit „Drive Core Graphics“ eine speziell auf die Mikrocontrollerfamilie abgestimmte integrierte Softwarelösung zur Verfügung [1]. Sie umfasst Compiler, Debugger und Middleware zur Hardwareabstraktion sowie Grafikbibliotheken, die die Beschleunigungsfunktionen der Hardware nutzen. Unter anderem wird die Anbindung an die Werkzeuge von IAR (Compiler, Debugger) sowie die Verwendung der Qt-basierte Grafikentwicklung unterstützt. Die Evaluierungslizenz ist kostenlos verfügbar (zeitlich begrenzt auf drei Monate) und an den Erwerb der Hardware gebunden.
Für die Softwarebibliotheken AUTOSAR MCAL, Qt Runtime und das Grafikpaket von Infineon stehen verschiedene Lizenzmodelle zur Verfügung. Bei dem herkömmlichen Modell erhält der Anwender die Lizenz beim jeweiligen Softwareanbieter und kümmert sich hierum selbst. Es eignet sich besonders für hochvolumige Projekte, erfordert aber ein Investment – spätestens bei Anlauf der Serienproduktion. Bei dem anderen Lizenzmodell hat Infineon die Lizenzkosten bereits auf den Bauteilpreis umgelegt. Eine separate Vorabzahlung ist somit nicht erforderlich und es ist auch kein zusätzlicher Lizenzvertrag mit einem Drittanbieter notwendig. Die Nutzung erfolgt über eine klickbare Endnutzervereinbarung (EULA). Dieses Modell erleichtert insbesondere kleineren und mittleren Projekten mit begrenzten Stückzahlen, wie sie im Distributionsumfeld häufig vorkommen, den Zugang zu serienfähiger Software.
Um das volle Potenzial der grafikfähigen Mikrocontroller auszuschöpfen, ist es wichtig, dass die Grafikbibliotheken der Softwarepartner die Hardwarebeschleunigung des TRAVEO T2G tatsächlich auch nutzen. Infineon hat einige Bibliotheken daraufhin geprüft und freigegeben. Zu den freigegebenen Bibliotheken gehören: Altia Design, DeepScreen, Candera CGISTUDIO und Qt for MCUs.
Für den praktischen Einstieg bietet der Hersteller verschiedene Evaluierungsplattformen an. Ein Beispiel ist das Board KIT_T2G_C-2D-4M_LITE (Abb. 4), das mit einem CYT3DL-Controller, internem Video-RAM, sowie externem HYPERFLASH- und HYPERRAM-Speicher ausgestattet ist. Es ermöglicht die Entwicklung einfacher bis mittlerer grafischer Benutzeroberflächen und unterstützt typische Schnittstellen wie LVDS, MIPI-CSI-2, Ethernet und CAN.
Die Referenzboards sind für eine Vielzahl von Anwendungen ausgelegt – von Stand-alone-Bedienelementen bis hin zur Rolle als Safety Companion in komplexeren Systemarchitekturen. Umfangreiche Anschlüsse und Schnittstellen erleichtern die Integration in bestehende Entwicklungsumgebungen. Rutronik führt zudem die Hardware-Debugger und die Flasher der Firma Segger Microcontroller.
Potenzial im Fahrzeugdisplay-Markt
Die vorgestellte Mikrocontrollerfamilie adressiert gezielt grafische Anzeige- und Bedienlösungen im Bereich kleinerer Fahrzeuge, Wasserfahrzeuge und mobiler Systeme mit begrenztem Platzangebot. Durch die Kombination aus integrierter Grafikverarbeitung, Speicheroptionen, Sicherheitsfunktionen und einem abgestimmten Softwarepaket lässt sich ein breites Anwendungsspektrum abdecken – von einfachen Displays bis zu sicherheitsgerichteten Anzeigeeinheiten mit SoC-Kopplung.
Dank des Lizenzmodells und der verfügbaren Werkzeuge ist die Umsetzung auch für Hersteller mit kleineren Stückzahlen oder kurzen Entwicklungszyklen realisierbar. Mit den leistungsfähigeren Varianten lassen sich perspektivisch auch Head-Up-Displays und kamerabasierte Systeme umsetzen. Die angekündigte Zertifizierung im Bereich Cybersicherheit erweitert die Einsatzmöglichkeiten zusätzlich.
Rutronik unterstützt Entwickler dabei, aus dem verfügbaren Portfolio die passende Lösung für die jeweilige Anwendung zu identifizieren – von der ersten Idee bis zur serienreifen Implementierung.
Quelle