Grafik im Fahrzeug gewinnt immer mehr an Bedeutung. Besonders getrieben wird dieser Trend von Driver-Assistance-Systemen und Multimedia. Die Kunst besteht aber darin, all diese Informationen so zu präsentieren, dass der Fahrer nicht abgelenkt wird. Um Entwicklern bei dieser Herausforderung zu helfen, hat Toshiba Electronics seine Mikrocontroller-Familie Capricorn um drei neue Mitglieder erweitert. „Es ist eine Art Unterfamilie für den speziellen Markt der primären Anzeigen im Fahrzeug“, erklärt Klaus Neuenhüskes, Senior Product Marketing Engineer System LSO Marketing bei Toshiba Electronics Europe. Die Informationsanzeige im Fahrzeug findet üblicherweise an drei Stellen statt: In der primären Anzeige hinter dem Lenkrad, in der sekundären Anzeige in der Mitte des Armaturenbretts oder zunehmend als Head-up-Display (HUD) auf der Windschutzscheibe. „Die neuen Mitglieder der Capricorn-Familie sind vor allem für die primäre Anzeige gedacht. Es sind aber durchaus Installationen denkbar, bei denen Capricorn-Controller kleinere Displays oder HUDs steuern“, so Klaus Neuenhüskes. Gesteuert werden sollen mit den neuen Capricorn-Controllern vor allem 3- bis 8-Zoll-Displays. „Das ist ein sehr starker Wachstumsmarkt, der auch weiterhin deutlich zulegen wird“, so Klaus Neuenhüskes. „Der Grund dafür ist die Informationsflut, die auf den Fahrer einströmt und auf eine sinnvolle Art und Weise dargestellt werden muss. Es geht darum, die Informationen zu verdichten und zur richtigen Zeit anzuzeigen. Das ist auf die traditionelle Art und Weise mit mechanischen Anzeigen gar nicht mehr möglich.“
Nur noch ein Controller
Ein weiterer wichtiger Grund für die Weiterentwicklung von Capricorn ist die Nachfrage nach kostengünstigen Lösungen, die sich fast zwangsläufig aus dem Massengeschäft ergibt. Diesem Trend trägt Toshiba Electronics mit einer All-in-one-Lösung Rechnung. Für den Einsatz in der Armaturentafel wird nur noch der Capricorn-Controller benötigt. Bisher wurde immer ein zusätzlicher Controller für das Gesamtmanagement benötigt. „Man braucht zwar immer noch eine Stromversorgung, aber interne Spannungen werden im Controller erzeugt“, erläutert Klaus Neuenhüskes das Konzept. „Controller für Schrittmotoren zur Steuerung mechanischer Anzeigen sind ebenso integriert wie die Ansteuerungsmöglichkeiten für ein oder zwei TFTs. Damit unterstützen wir unsere Kunden bei der Kostenreduzierung.“
3D zum Preis von 2D
Natürlich steht aber die Verbesserung der Bildqualität im Mittelpunkt der Neuerungen bei Capricorn. „Was wir mit Capricorn realisieren können, wäre auch mit einem 3D-Controller aus dem Highend-Bereich möglich“, so Klaus Neuenhüskes. „Aber mit den neuen Capricorn-2,5D-Controllern erreichen wir das eben zu einem deutlich günstigeren Preis - ohne dass dabei der Unterschied zu einem 3D-Controller sichtbar wird.“ Die Basis aller drei Controller ist ein für den Automotive-Einsatz zertifizierter ARM Cortex R4. Ihm stehen im Controller selber 768 und 64 kByte RAM zur Verfügung. „Der interne Speicher wird für die Software benötigt. Es lassen sich aber auch kleinere Displays damit betreiben“, erläutert Klaus Neuenhüskes. „Solange man mit Quarter VGA oder Wide Quarter VGA arbeitet, ist kein externer Speicher notwendig.“ Aber selbstverständlich verfügen alle drei Controller über eine Serial-Flash-Schnittstelle. Das ist aus Sicht von Klaus Neuenhüskes auch notwendig, denn alleine der Trend zu 8-Zoll-Displays wird die Anbindung von externem Speicher notwendig machen. „In absehbarer Zukunft werden wir im Automobil-Bereich eine Zunahme der Pixel-Dichte erleben, wie wir es heute schon von mobilen Geräten kennen“, führt er aus. „Und dann wird es zwingend notwendig sein, mehrere Megabyte externen Speicher anschließen zu können. Dementsprechend verfügen die Capricorn-Module auch über einen DRAM-Controller.“ Als einziges der neuen Familienmitglieder bringt der C0 noch 4 MByte internen Flash mit. Das erklärt Klaus Neuenhüskes ganz einfach mit der Nachfrage der Kunden: „Manche unserer Kunden bevorzugen internen Flash-Speicher. Die Gründe dafür sind völlig unterschiedlich, es können beispielsweise Sicherheits- oder Fertigungsgründe sein.“Während der Bt0 im BGA-244-Gehäuse untergebracht wird, stecken sowohl der Bt1 als auch der C0 in einem BGA-324-Gehäuse. Das ist laut Klaus Neuenhüskes notwendig, da die beiden letztgenannten Controller über einen zweiten Display-Anschluss verfügen. Zudem stehen hier durch das größere Gehäuse auch zusätzliche Kanäle für die Standard-Peripherie zur Verfügung. Zu den unterstützten Schnittstellen gehören CAN, I2C und I2*S, Bt1 und C0 bieten zudem noch ein Media-LB-Interface. Außerdem sind ein Window Watchdog Timer, eine selbstkalibrierende Echtzeituhr und PWM-Funktionen integriert.
Mit Magic Square zu besseren Bildern
Aber natürlich hat Toshiba auch bei den Grafikfunktionen nachgelegt. Funktionen wie Verzerrungen, Blitting, Skalierung oder Zeichnen sind selbstverständlich integriert. Darüber hinaus gibt es aber einige Neuerungen. Dazu gehört das Dithering-Modul Magic Square, mit dem sich die Anzeigequalität preiswerter Displays verbessern lässt. „Üblicherweise kommen im Fahrzeug aus Kostengründen keine 24-Bit-Displays mit 16,7Millionen Farben, sondern preiswerte 18-Bit-Displays mit lediglich 262.000 Farben zum Einsatz“, erklärt Klaus Neuenhüskes. „Die Anzeige dieser Displays ist oft nicht überzeugend. Mit Magic Square lässt sich auch bei diesen Displays ein 24-Bit-Look-and-feel erreichen.“ Toshiba Electronics verwendet dafür einen speziellen, patentierten Algorithmus, der vor allem bei farbigen Hintergründen harte Übergänge zwischen den Farben mindert und eine höhere Farbtiefe suggeriert. „Den Übergangseffekt beispielsweise bei Graustufen können wir mit Magic Square fast vollständig eliminieren“, beschreibt Klaus Neuenhüskes das Ergebnis. „Und auch mit diesem Merkmal greifen wir den Low-Cost-Trend im Markt auf.“ Schnell bewegende animierte Zeiger-Rotationen werden von der Hardware-Bitmap-Rotation-Engine erzeugt, wobei diese mit einer Winkelaufläsung von nur 0,1 Grad Genauigkeit arbeitet. Eine hochwertige Filterung mit patentierter Methodik kommt für die ruckelfreie grafische Darstellung schneller Zeigerrotationen zum Einsatz. Eine weitere Grafikfunktion ist die perspektivische Umwandlung, mit der sich 3D-Effekte wie Cover Flow oder Spiegelungen erzeugen lassen, was zu einer realistischeren Betrachtungsperspektive führt. „Solche Darstellungen lassen sich normalerweise nur mit einer 3D-Engine realisieren, was aber mit deutlich höheren Kosten verbunden ist“, führt Klaus Neuenhüskes aus. „Dabei geht es nicht nur um den höheren Preis für die Engine, das gesamte System wird dadurch teurer.“
Platz und Bandbreite einsparen
Und auch mit der „On-the-fly“-Dekodierung von PNG-Dateien unterstützt Toshiba Electronics den Low-Cost-Trend. PNG (Portable Networks Graphics) ist ein verlustfreies Grafikformat, das vor allem im Internet verwendet wird. Eine entsprechende Decoder-Engine im Grafik-Controller ermöglicht die direkte Verwendung von PNG-Bildern aus dem Speicher für die weitere Grafikaufbereitung und Ausgabe auf dem Display. „Das können beispielsweise Hintergrundbilder, aber auch Symbole oder Piktogramme sein, die im Speicher komprimiert abgelegt werden. Dadurch wird deutlich weniger Speicher benötigt“, umschreibt Klaus Neuenhüskes den Vorteil. „PNG-Dateien können bis zu 80 Prozent komprimiert werden.“ Aber die Einsparungen beim Speicher sind nicht der einzige Vorteil, denn es wird entsprechend auch weniger Bandbreite benötigt. „Ich habe nicht nur den Vorteil, durch die kleineren Bilder weniger Speicher in Anspruch zu nehmen, ich muss auch entsprechend geringere Datenmengen über den externen Bus übertragen“, erläutert Klaus Neuenhüskes. „Und das ist in diesen Systemen immer der Flaschenhals, wenn es darum geht, einen höheren Systemdurchsatz zu erreichen. Wenn ich hier nur die Grafik nehme, habe ich 80 Prozent mehr Bandbreite verfügbar - und dadurch kann das gesamte System mit einer deutlich höheren Leistung arbeiten.“
Schutz für die Fahrzeugelektronik
Auch die Sicherheit spielt in den Capricorn-Controllern eine wichtige Rolle. So wurde Toshibas Security Modul (TSM) integriert, das unter anderem SHE (Secure Hardware Extensions) unterstützt, einen Standard der deutschen Automobil-Industrie. Das Modul verschlüsselt Daten, um die Fahrzeugelektronik beispielsweise vor Hackerangriffen, Manipulation oder Software-Diebstahl zu schützen. „Die Verschlüsselung ist sehr sicher, da sie dieselbe Verschlüsselungsart wie beim Online-Banking verwendet“, erläutert Klaus Neuenhüskes. Darüber hinaus verfügen die Capricorn-Controller über weitere Sicherheitsfunktionen wie etwa eine Display-Rücklesefunktion, Fehlerkorrektur (ECC) und Schutz nach AUTOSAR 4.0.
Zukunftsfähige Ansteuerung
Die Mechanik weicht im Fahrzeug immer mehr der Elektronik, das gilt vor allem auch für die grafische Darstellung. Neben TFTs werden zudem immer mehr Head-up-Displays installiert, um eine schnelle und möglichst ablenkungsfreie Darstellung von Informationen für den Fahrer zu ermöglichen. Um die Vorteile dieser Anzeigemöglichkeiten voll ausschöpfen zu können, bedarf es aber einer entsprechenden Ansteuerung. Mit den neuen Capricorn-Controllern bietet Toshiba Electronics die Möglichkeit, 3D-Qualität zum Preis von 2D ins Fahrzeug zu holen - und das nicht nur für aktuelle, sondern auch für zukünftige Displays. Und dass sich die Capricorn-Familie schon bewährt hat, zeigen mehr als 10 Millionen weltweit verbaute Controller.
