Im Wandel der Zeit: Herausforderungen bei den Kfz-Instrumentenkombinationen

Bis vor wenigen Jahren dominierten analoge Instrumente in unseren Fahrzeugen. Es folgten Hybrid-Varianten mit aktiver Grafikunterstützung und münden nun verstärkt in rekonfigurierbaren digitalen Instrumentenkombinationen. Doch wie kann die Systemkomplexität reduziert werden?

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Zwar ist die Entwicklung bei den Instrumentenkombinationen in unseren Autos in den letzten Jahren wahrlich nicht stehen geblieben, jedoch haben wir es im Wesentlichen in der Tat immer noch mit denselben Informationszentralen zu tun, die schon unseren Großeltern vertraut waren. Schließlich sind die Instrumentenkombinationen aus einem Instrumenten-„Brett“ mit analogen (mechanischen) Anzeigeinstrumenten hervorgegangen, die Auskunft über Geschwindigkeit, Wegstrecke, Motortemperatur und Öldruck gaben (Bild 1). Diese für den Fahrer wichtigen Informationen findet man natürlich auch in den Instrumentenkombinationen moderner Fahrzeuge, aber dank des technischen Fortschritts sind neue Fähigkeiten hinzugekommen.

Während die Instrumentenkombination nach außen hin ihr traditionelles Erscheinungsbild behalten hat, steht hinter ihr mittlerweile ein Mikrocontroller (MCU), der über einen CAN-Bus (Controller Area Network) Informationen über den Fahrzeugstatus empfängt. Den Fahrern werden die Informationen nach wie vor im gewohnten Format präsentiert, doch sind es Schrittmotoren und der Mikrocontroller der Instrumentenkombination, die die mechanischen Anzeigen und Anzeigenadeln steuern. Allgemeinverständliche Anzeigeleuchten und Signaltöne stellen ergänzende Informationen bereit.

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Mit zunehmender Entwicklung der Elektronik wurde bereits vor längerer Zeit der mechanische Kilometerzähler durch ein alphanumerisches Display ersetzt, das Funktionen und Informationen wie den Kraftstoffverbrauch, die Außentemperatur und den Tageskilometerzähler anzeigte, während die traditionelle Informationsanzeige mithilfe elektromechanischer Anzeigeinstrumente beibehalten wurde. Diese Art von Hybrid-Instrumentenkombination mit Unterstützung für informative Grafiken (Bild 2) ist kostengünstig und hinsichtlich der Elektronik auch relativ einfach. Der Mikrocontroller, der sowohl für die analoge Instrumentenkombination als auch für die einfachere Hybridlösung benötigt wird, bringt integrierte CAN-Schnittstellen und Schrittmotor-Treiber mit.

Dieses einfache digitale Display stellte bereits einen Fortschritt dar, ist aber dennoch nicht mehr als ein Zwischenschritt auf dem Weg zu noch immersiveren LCDs (Liquid Crystal Displays), die ihre Informationen wie in Bild 3 gezeigt präsentieren. Da diese Anzeigen an Umfang gewonnen haben, verursachen die von ihnen dargestellten Grafiken einen größeren Verarbeitungsaufwand. Nach wie vor sind die Instrumentenkombinationen mit dem gewohnten Mikrocontroller bestückt, der als Datenschnittstelle dient und die Schrittmotoren ansteuert. Hinzu kommt hier jedoch ein separater Grafikprozessor oder ein System-on-Chip (SoC), um Videobilder und Grafiken so zu erzeugen, dass der Autofahrer individuell wählen kann, welche Informationen angezeigt werden sollen und in welchem Format. Noch leistungsfähigere Systeme, wie man sie meist in Oberklasse-Fahrzeugen findet, integrierten zusätzlich aktive Videobilder aus externen Kameras oder bieten eine Fahrerüberwachungs-Funktion.

Die in einer Instrumentenkombination dargestellten grundlegenden Informationen bleiben zwar unverändert, aber dennoch müssen Tier-1-Zulieferer und die Automobilhersteller das Design ihrer Instrumenten-Cluster verändern, damit sie sich nicht nur zwischen den verschiedenen Fahrzeugmodellen unterscheiden, sondern sich auch von den Lösungen der Mitbewerber abheben. Die Automobilhersteller haben darüber hinaus den Trends bei den Konsumenten Rechnung zu tragen, denn schließlich erwarten die Autofahrer, dass neue Fahrzeuge mit der aktuellsten Technik und den neuesten Features ausgestattet sind.

Differenzierung trotz derselben skalierbaren Elektronikplattform

Beide Faktoren haben zur Entwicklung der rekonfigurierbaren digitalen Instrumentenkombination geführt, die Schrittmotor-Anzeigen und Anzeigeleuchten durch ein großes LCD ersetzt. Dieses nimmt den gesamten Platz ein, der bisher von den Anzeigeinstrumenten belegt war. Mit diesem Entwicklungsschritt werden die bisherigen elektromechanischen Bauteile durch eine virtuelle Darstellung ersetzt, die den Autofahrern den täuschend echten Eindruck vermitteln, dass die Anzeigenadeln und Instrumente nach wie vor vorhanden sind.

Fakt ist jedoch auch, dass derart große Displays dem Prozessor noch mehr Leistung abverlangen. Um etwa einen Geschwindigkeitsmesser digital zu animieren, muss das Videodisplay der Instrumentenkombination hohe Frameraten unterstützen, damit sich die dargestellte Anzeigenadel oder ein Balkendiagramm ruckelfrei bewegen. Selbstverständlich verbraucht ein solches System auch mehr Strom.

Der Vorteil für Tier-1-Zulieferer und Automobilhersteller besteht darin, dass sich mit ein und derselben skalierbaren Elektronikplattform die Differenzierung zwischen verschiedenen Fahrzeugen realisieren lässt. Da die visuelle Präsentation der Informationsinhalte individuell anpassbar ist, kann jeder Fahrer diejenige Instrumentenanordnung wählen, die er für besonders ansprechend oder zweckmäßig hält. Diese Funktionalität ist überdies in das übrige Infotainmentsystem integrierbar, wobei die Instrumentenkombination die Funktion eines abgesetzten Displaysystems einnimmt. Rekonfigurierbare digitale Instrumentenkombinationen, wie sie Bild 4 zeigt, werden derzeit nur von Premiumfahrzeugen geboten. Mit zunehmenden Produktionsstückzahlen aber werden die Fertigungskosten sinken, sodass Instrumenten-Cluster dieser Art immer mehr auch in der Mittelklasse und in preisgünstigen Fahrzeugen Einzug halten werden.

Weitere Ressourcen

• Stromversorgungs-Design für Ihre Instrumentenkombination

• Die Rolle der Prozessoren in digitalen Cockpits

• Infotainment- und Cluster-Lösungen von TI

* Mark Knapp, Infotainment Systems Engineer, Texas Instruments

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