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Ein auf dem Modul integrierter 10-Bit A/D-Wandler, Flash-Speicher für Daten, mehrere Timer und der CAN-Bus bieten die dafür nötige Flexibilität. Alle Boards werden über den CAN-Bus von der Hauptrecheneinheit (Renesas RX) aus gesteuert. Durch diese Funktionen lässt sich das gesamte Elektroniksystem über das zentrale Rechenmodul reprogrammieren. Renesas Electronics lieferte die Komponenten an Eco Solar Breizh für die Entwicklung dieses Boards, darunter MCUs, Optokoppler und Leistungs-MOSFETs.

RX-MCU mit FPU- und DSP-Funktionen

Die 32-Bit-MCU RX bietet für den Einsatz als Hauptrecheneinheit im Fahrzeug das beste Leistungs-/Stromverbrauchsverhältnis – dem wichtigsten Kriterium und die größte technische Einschränkung im Fahrzeug. Die Architektur bietet eine Rechenleistung von 1,65 DMIPS/MHz und bietet FPU- sowie DSP-Funktionen, mit denen sich eine effektive Rechenleistung von 165 MIPS mit einem Stromverbrauch von nur 50 mA bei der höchsten Taktfrequenz erzielen lässt. Dies ist entscheidend für das Fahrzeug, da die Hauptrecheneinheit für Leistungseffizienz ausgelegt ist, zugleich aber eine Signal- und Datenaufbereitung sowie Berechnungen ermöglicht. Die wichtigsten RX-Peripherie-Komponenten, die im Eco-Solar-Breizh-System zum Einsatz kommen, sind CAN, UART, USB, Timer sowie eine SD-Kartenschnittstelle.

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Wie erläutert, dient der CAN-Bus zur Datenkommunikation zwischen der Hauptrecheneinheit und den verschiedenen modularen R8C-Boards, dem DC/DC-Boost Maximum Power Point Tracker (MPPT) und den zwei Elektromotor-Controllern. Die von jedem Peripherie-Board empfangenen Daten-Frames lassen sich über den RX Controller in der Haupteinheit via RS-232 auf einem Terminal darstellen, falls dies für Tests beim Fahrzeug-Debugging erforderlich sein sollte. Die Timer dienen zur Taktung des Datenversands an das Smartphone über Bluetooth und triggern außerdem die Datenaufzeichnung für einen Data-Logger. Alle Messdaten werden auf einer SD-Karte gespeichert, so dass man die verschiedenen erfassten Fahrzeugdaten nach den Tests und dem Rennen analysieren kann.

Aufgrund der drastischen Einschränkungen des Stromverbrauchs durch bestimmte Sensoren und der Datenverwaltung hat das Team sich für die stromsparende RL78-MCUs entschieden, um die Entwicklung autonomer Systeme für die Energierückgewinnung im Fahrzeug zu ermöglichen. Die Entwicklungsarbeiten an dieser Funktion laufen noch und sind vertraulich, sie waren jedoch nur möglich durch den Snooze-Modus im RL78. Damit lässt sich die MCU so konfigurieren, dass sie regelmäßig Signale aus dem A/D-Wandler oder Daten über die serielle Schnittstelle entgegen nimmt, während die CPU im Standby-Modus verbleibt, wodurch sich der Gesamt-Batteriestrom senken lässt. Für die Energierückgewinnung ist diese Fähigkeit äußerst interessant, da sie die Möglichkeit bietet, Messungen mithilfe der kinetischen Energie des Fahrzeugs zu analysieren und zu speichern.

Stromverbrauch der RL78 MCU kombiniert Snooze-Modus und aktiven Betrieb

Bei der Auslegung des Federungskonzepts kam ein RL78G13 zum Einsatz. Dieser Baustein misst die Werte der Constraint-Sensoren, die Messwerte in Bezug auf die in die Struktur eingebrachten physikalischen Kräfte liefern. Bei diesem Systemkonzept gibt es keine Batterie und die mechanischen Vibrationen im Federungssystem sind die einzige Energiequelle. Der Stromverbrauch der RL78 MCU in seiner Kombination aus Snooze-Modus und aktivem Betrieb ist so niedrig, dass man damit ein autonomes System aufbauen kann. Die 10-Bit-A/D-Wandler-Messungen der Constraint-Sensoren werden einmal pro Sekunde über den RTC getriggert, ohne dass die CPU dafür aufgeweckt werden muss. Anschließend wird der A/D-Wandlerwert mit Maximal- und Minimal-Grenzwerten verglichen, die in zwei beschreibbaren Registern abgelegt sind.

Im Einsatzbeispiel dieses Fahrzeugs ist die Konfiguration so ausgelegt, dass die CPU nur aufgeweckt wird, wenn die A/D-Wandlerergebnisse außerhalb dieser Grenzwerte liegen. Dementsprechend verbraucht das System nur ein Zehntel der Energie, die ein System mit einer normalen Topologie im normalen Run-Modus verbrauchen würde. So benötigt der Snooze-Modus nur 0,5 mA anstelle von 5 mA im Run-Modus (einschließlich A/D-Wandler). Ein besonderer Vorteil des RL78 für die Eco-Solar-Breizh-Topologie ist auch die Fähigkeit, mit einer Betriebsspannung von 1,6 bis 5,5 V zu arbeiten und vor allem auch die Möglichkeit, A/D-Wandlungen bei einer Betriebsspannung von 1,6 V vorzunehmen.

So kann ein Subsystem auf der Basis eines RL78 selbst dann arbeiten, wenn die zurückgewonnene Spannung extrem niedrig ist. Neben diesen Elementen gibt es eine interne, analoge Referenzspannung (1,4 V), durch die Messungen unabhängig von der Versorgungsspannung möglich sind. Weiterhin gibt es einen internen Temperatursensor im RL78, den das Team zur Erfassung der Umgebungstemperatur nutzt.

* * Sébastien Walger ... ist Senior Engineer in der Industrial Business Group bei Renesas Electronics Europe.

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