Ambiente Beleuchtung im Fahrzeug LEDs per Software-definiertem Innenlichtsystem einfach ansteuern

Anbieter zum Thema

Inova Semiconductors GmbH

MicroConsult Academy GmbH

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Automobilhersteller und Zulieferer reagieren auf die steigende Nachfrage nach individuell gestaltbarer Innenbeleuchtung mit mehr Funktionen und Benutzerfreundlichkeit. Die leistungsstarken LEDs im Innenraum werden mit ISELED und ILaS angesteuert und geregelt.

In modernen Fahrzeugen sind LEDs als Lichtquelle weit verbreitet. Bei den aktuellen Fahrzeugmodellen lässt sich neben Helligkeit auch zwischen verschiedenen Farben wählen. In zukünftigen Fahrzeugen werden mehrere hundert LEDs im Innenraum verteilt sein. Türen mit Konturlicht und beleuchteten Ablagefächern, Dach mit Loungelicht und Leselicht, Fußraum, Armaturenbrett mit hinterleuchteten Touch-Buttons oder Slider und sogar die Sitze werden stimmungsvoll beleuchtet.

Die Lichtelemente werden auch dynamisch Farbe und Helligkeit ändern oder ein- und ausgeschaltet werden. Die Ansteuerung wird durch ebenfalls am und im Fahrzeug verbaute Sensoren unterstützt bzw. ausgelöst. Funktionale Lichtanwendungen werden Fahrer und Passagiere beispielsweise in Gefahrensituationen beim Ein- und Aussteigen unterstützen. Komplexe Lichtszenarien für Türleuchten und LEDs in der Instrumententafel sind denkbar. Kurzum: Licht im Fahrzeug wird dynamisch und funktional, und es wird deutlich mehr Lichtquellen geben. Nach heutigem Stand der Technik werden Innenbeleuchtungssysteme lokal von einem Mikrocontroller über LED-Treiberbausteine angesteuert. Die Einheiten sind häufig an das LIN- oder CAN-Netzwerk angeschlossen und erhalten dort einfache Befehle wie das Einschalten des Lichts oder den Farbwechsel.

Farben mit LEDs mischen ist komplex

Bei farbigem Licht, das durch Farbmischung mit RGB-LEDs erzeugt wird, übernehmen die Mikrocontroller auch die Farbkalibrierung der LEDs. Das ist ein recht komplexer Vorgang, der dadurch entsteht, dass farbige LEDs nicht auf einer exakten Wellenlänge im Farbspektrum hergestellt werden können. Jede einzelne LED weist hier Abweichungen von der gewünschten Wellenlänge auf, worauf das menschliche Auge sehr empfindlich reagiert. Deshalb werden farbige LEDs in Wellenlängenklassen eingeteilt – das sogenannte „Binning“.

Das ist aber noch nicht genau genug. Deshalb werden die LEDs bei der Produktion des LED-Systems optisch auf die gewünschte Farbe eingestellt und für jede einzelne LED ein entsprechender Kalibrierwert festgelegt. Die Referenzwerte werden in Tabellen im Mikrocontroller gespeichert. Nach jedem Einschaltvorgang wird das Lichtsystem mithilfe der Kalibrierwerte in einem aufwendigen Verfahren so eingestellt, dass keine Farbabweichungen wahrnehmbar sind.

500 LEDs im Fahrzeug ansteuern

Wie lassen sich künftig 500 LEDs im Fahrzeug sinnvoll ansteuern und wie lassen sich mehrere der unabhängigen Leuchteinheiten so homogenisieren, dass alle Farben identisch sind, möglicherweise von verschiedenen Herstellern? Wie kann eine hohe Lichtdynamik gesteuert werden? LIN- und CAN-Busse sind hier viel zu langsam. Wie können einfache Sensoren und Aktoren in das Lichtsystem integriert werden? Wie sieht die Verkabelung aus? Die Lokalisierung im Fahrzeuginneren soll überall möglich sein und alles soll bezahlbar bleiben.

Mit ISELED und ILaS sind Technologien verfügbar, die Beleuchtungssysteme für zukünftige Anforderungen ermöglichen. ISELED steht für „Integrated Smart Ecosystem Light Emitting Diode“ und hat zum Ziel, LEDs im Fahrzeuginnenraum einfach anzusteuern und dynamische Lichtszenarien mit hoher Farbtreue zu ermöglichen. Vor allem RGB-LEDs werden jetzt smart, indem ein kleiner Chip in das LED-Modul integriert wird. Dadurch ergeben sich viele Möglichkeiten, Lichtsysteme zu vereinfachen und Funktionen hinzuzufügen, die bisher nicht möglich waren.

Die Ansteuerung der LEDs erfolgt über einen einfachen Mikrocontroller und die LEDs sind über einen differentiellen Zweidrahtbus in einer Daisy-Chain-Kette in Reihe geschalten. Die Aufgaben des Chips: Betrieb des differentiellen Busses, Ansteuerung der LEDs, Diagnoseaufgaben (Temperaturüberwachung) und Farbkalibrierung der einzelnen LEDs.

Software steuert die Lichteffekte im Fahrzeug

Durch den Einsatz eines Chips in jedem LED-Modul erfolgt die optische Vermessung und Farbkalibrierung nicht mehr beim Lichtsystemhersteller, sondern direkt beim LED-Hersteller. Die Kalibrierwerte werden am Ende des Produktionsprozesses der LED ermittelt und individuell in einen Speicher im Chip eingebrannt. Das hat folgende Effekte: Die LEDs weisen keine Farbabweichungen mehr auf und ein Binning ist nicht mehr notwendig. Die aufwendige Kalibrierung im System durch den Mikrocontroller entfällt komplett.

Die Software zur Steuerung der Lichteffekte ist einfach. Jede LED hat eine Adresse und es muss nur ein 24-Bit-Farbwert und ein Helligkeitswert über den Bus übertragen. Damit lassen sich für ungefähr 250 LEDs in einer Kette schnelle dynamische Lichteffekte erzeugen, die vom menschlichen Auge harmonisch und angenehm wahrgenommen werden. Das ISELED-Bus-Protokoll kann theoretisch bis zu 4.079 einzelne LEDs in einer Kette adressieren. Das Protokoll läuft auf einem 2 MBit schnellen, schaltbaren Bus und unterstützt optional CRC. Diagnosefunktionen können von jeder einzelnen LED ausgelesen und zur Auswertung an den Mikrocontroller zurückgesendet werden. Damit ist eine Funktionsüberwachung jeder einzelnen LED möglich.

Einzelne Lichtsysteme besser vernetzen

Es sind bereits ISELED-Beleuchtungsanwendungen mit dem klassischen System mit lokalem Mikrocontroller in Fahrzeugen verbaut. Doch die einzelnen Lichtsysteme müssen besser vernetzt werden. Das übernimmt ILaS „ISELED Light & Sensor“ Network und vernetzt das ISELED-Protokoll über mehrere Meter mit ungeschirmten Zweidrahtleitungen wie einem CAN-Kabel. Die ILaS-Chips verfügen über einen hochspannungsfesten Physical Layer, der die robusten Anforderungen der Datenübertragung im Fahrzeug erfüllt.

Neben allen Diagnosefunktionen verfügt der Chip über einen integrierten DC/DC-Controller, der von 12 auf 5 V herunterregelt. Ein Beleuchtungssystem lässt sich über Batteriespannung betreiben. So können mehrere Lichtsysteme gesteuert werden. Es lassen sich komplexe Netzwerke mit theoretisch mehreren ILaS-Netzwerkknoten aufbauen. Lokale Mikrocontroller auf den Beleuchtungsmodulen sind nicht nötig. Dynamische Beleuchtungskonzepte, Ein-/Ausgangsszenarien oder Gefahrenszenarien sind einfacher zu steuern. Eine Homogenisierung von dynamischen Lichtszenarien, bei der sogar alle vernetzten LEDs im Fahrzeug gleichzeitig angesteuert werden können, ist möglich. An die GPIOs des Chips können nun einfache Sensoren oder Aktoren angeschlossen und ohne weitere Verkabelung direkt in das ILaS-Netzwerk eingebunden werden.

Eine zentrale Lichtsteuerung per Software definiert

Mehr elektronische Funktionen im Fahrzeug erzeugt eine komplexere Ansteuerung und Verkabelung der Steuergeräte. Dadurch verändert sich die Vernetzung der Elek­tronik im Fahrzeug. Für weniger elektronische Baugruppen wandern mehr Funktionen in zentrale Rechner. Zwei grundsätzliche Ansätze. Zum einen zentrale Rechner für bestimmte Funktionen wie Infotainment, Powertrain oder ADAS. Der zweite Ansatz zentralisiert alle Funktionen, aber in verschiedenen Bereichen des Fahrzeugs. Bei allen Konzepten sind die zentralen Rechner miteinander vernetzt.

Die Automobilhersteller setzen auf Automotive Ethernet. Dank neuer Chips von anderen Halbleiterherstellern mit ILaS-Protokoll lässt sich die vorhandene Ethernet-Infrastruktur nutzen. Über Ethernet-to-ILaS-Bridges erfolgt die ILaS-Verkabelung vor Ort an den Beleuchtungsmodulen. Mit ISELED und ILaS ist ein hochskalierbares, effizientes Licht- und Sensornetzwerk im Fahrzeug möglich und in bestehende und zukünftige Fahrzeugnetzwerke integrierbar.

Über eine zentrale Steuerung ist es mit einem Software-Stack möglich, jedes Lichtszenario umzusetzen. Alle Lichtmodule und das Netzwerk sind reine Hardwarelösungen. Software-Updates, Diagnosefähigkeit und Wartung sind einfach. Die Ansteuerung von hunderten LEDs funktioniert ähnlich wie die Ansteuerung eines Pixels in einem LC-Displays. Jedes Pixel wird dynamisch mit einem Farb- und Helligkeitswert angesteuert. In einem ILaS-Netzwerk ist jede LED einzeln adressierbar und dynamisch mit einem Farb- und Helligkeitswert steuerbar.

(ID:49249525)