Automobil-Sensor Kompakter Sensor erkennt zuverlässig Regen und Dunkelheit

Der kompakte SoC-Sensor RLT E527.06 erkennt zuverlässig Regen und Dunkelheit. Dank des HALIOS-Prinzips kann er Licht unabhängig von äußeren Bedingungen erkennen. Das ist insbesondere für die kostengetriebene Automobilbranche von Vorteil.

Der Trend zum „Software-Defined Vehicle“ wirkt sich auch auf die Sensorik in Fahrzeugen aus. Es verlagern sich immer mehr Funktionen in die Software, zugleich werden an die Konnektivität höhere Anforderungen gestellt. Wie diese Anforderungen praxisgerecht umgesetzt werden können, zeigt ein Kooperationsprojekt für die Neuentwicklung eines RLT- (Regen-Licht-Tunnel-)Sensors als System-on-a-Chip (SoC). Hierbei hat der Entwicklungsdienstleister Intellias umfassende Unterstützung für Elmos und dessen Tochtergesellschaft Area 21 geleistet.

Sensor als SoC mit Regler, Verstärker und LIN

Mit der Bezeichnung RLT E527.06 bringt Area 21 einen Sensor zur Marktreife, der speziell für Tier 1 in der Lichttechnik und bei Scheibenwischern angeboten wird. Der Sensor bietet ein hohes Maß an Integration und eine kompakte Bauform. Entwickelt als System on a Chip (SoC) vereint er Regler, Verstärker, LIN-Transceiver und einen integrierten Mikrocontroller für die Datenverarbeitung in einer einzigen Einheit. Anwender müssen lediglich Sende- und Empfangselemente wie Leuchtdioden und Photodioden anschließen und den IC auf der Leiterplatte verlöten.

Der SoC des Regen-Licht-Tunnel-Sensors ist ein hochintegriertes Bauteil, das durch die kluge Arbeitsteilung von Hard- und Software besticht. Externe Photodiodenströme werden durch die Hardware bewertet, wobei Signalverstärkung und -filterung hardwareseitig erfolgen. Die entscheidende Interpretation der Signale, wie etwa das Erkennen von Regen, übernimmt die Software, die auf dem integrierten 32-Bit-Mikroprozessor läuft. Über das eingebaute LIN-Interface werden die Daten an ein externes Steuergerät gesendet, das dann entscheidet, ob der Scheibenwischer aktiviert oder das Abblendlicht ein- oder ausgeschaltet wird.

Eine mehrkanalige Signalverarbeitung

Zusätzlich zur Regenerkennung gehört die Umgebungslichtdetektion zu den Hauptfunktionen des Sensors. Diese Funktionalitäten sind essenziell für die Kontrolle des Abblendlichts sowie die Klimazonenregelung und die Helligkeitsanpassung eines Head-Up-Displays.

Für die zentrale Funktion der Regenerkennung stehen zwei Kanäle bereit. Diese ermöglichen eine flexible Verteilung der optischen Pfade, um eine maximale sensitive Fläche zu gewährleisten. Konfigurierbare Algorithmen zur Regenerkennung und Störunterdrückung optimieren dieses System weiter.

In der Umgebungslichtdetektion können sogar sechs Kanäle mit logarithmischen Verstärkern genutzt werden. Diese Verstärker decken einen hohen dynamischen Bereich ab. Zwei dieser Kanäle können zudem auf einen Verstärker mit besonders hoher Verstärkung geschaltet werden, der speziell für Photoströme im pA-Bereich ausgelegt ist.

Alles an Bord: Hohes Maß an Integration

Dank des integrierten Konzepts ist eine kompakte Bauform von etwa 5 mm x 5 mm möglich. Trotz der geringen Größe sind alle notwendigen externen Komponenten integriert, einschließlich des LIN-Interfaces. Somit ist eine autarke Auswertung der Signale möglich.

Benedikt Ehler, Software Segment Lead bei Area 21: „Der Sensor kann eigenständig feststellen, ob sich das Fahrzeug in einem Tunnel befindet. Das erkennt der Sensor vollständig automatisiert auf dem Chip, ohne dass die Daten an eine externe Steuer- oder Auswerteeinheit übermittelt werden müssen.“ Diese Autonomie ermöglicht eine effiziente und schlanke Signalauswertung.

Für die Software bietet Area 21 ein Software Development Kit (SDK) an, mit dem Anwender individuell festlegen können, bei welchem Grad von Dunkelheit oder Regen die Beleuchtung oder die Scheibenwischer aktiviert werden. Dabei werden die Messwerte, die das SDK bereitstellt, optimal genutzt, um spezifische Anforderungen umzusetzen. Diese Lösung bietet Entwicklern die Flexibilität, Systeme effizient an unterschiedliche Szenarien anzupassen.

Modulare Software, hohes Niveau an funktionaler Sicherheit

Der RLT-Sensor zeichnet sich durch ein weiteres wesentliches Merkmal aus: seine modulare Softwarearchitektur. Diese ist strukturiert in funktionale Blöcke, die die komplexe Auswertung der Sensorsignale ermöglichen. Während der integrierte Schaltkreis (IC) die Daten über Photodioden und Lichtquellen erfasst, analysiert die Software diese Signale mithilfe intelligenter Algorithmen. Diese Analysen umfassen beispielsweise die kanalbezogene Gewichtung zur Umgebungslichtinterpretation, die für die Erkennung von Tunneln oder die Steuerung der Innenraumbeleuchtung verwendet wird, sowie umfassende Diagnosefunktionen, die eine hohe funktionale Sicherheit gewährleisten. Die Architektur des Sensors erfüllt bei der Licht- und Regenfunktionalität die Sicherheitsanforderungen nach ASIL-B.

Darüber hinaus bietet die Systemarchitektur eine Vielzahl an Diagnose- und Kalibrierfunktionen, die eine robuste und sichere Nutzung im Fahrzeugbetrieb garantieren. Oleksandra Zubal, Delivery Manager In-Car bei Intellias, hebt einen weiteren Vorteil des modularen Designs hervor: „Die Nutzer des RLT-Sensors können ihre eigene Software mit individuell entwickelten Algorithmen in den IC des Sensors einbringen. Sie haben oft jahrzehntelange Erfahrung darin, wie beispielsweise das Lichtsystem auf unterschiedliche Helligkeitsbedingungen reagieren soll. Der Sensor liefert die benötigten Messgrößen, und wir haben gemeinsam daran gearbeitet, den Anwendern zu ermöglichen, ihre Codes möglichst einfach in den Sensor zu integrieren und mit unserem Messsystem zu verbinden.“

Diese Flexibilität bei der Softwareintegration sorgt dafür, dass die Anwender ihre Fachkenntnisse effektiv nutzen und anpassen können, um ihre spezifischen Anforderungen im Bereich der Fahrzeugbeleuchtung optimal zu erfüllen.

Unempfindliche und Zuverlässige Lichterkennung

Eine bemerkenswerte Entwicklung haben Area 21 zusammen mit Intellias in der Lichterkennung realisiert: das HALIOS-Prinzip der optischen Messtechnik. Benedikt Ehler: „HALIOS steht für High Ambient Light Independent Optical System – ein Messprinzip, das sich durch seine besondere Unabhängigkeit vom Umgebungslicht auszeichnet.“ Im Gegensatz zu traditionellen Systemen, die absolute Lichtwerte nutzen, arbeitet HALIOS mit einem differenziellen Verfahren, bei dem zwei Lichtquellen und ihre Rückstrahlungen verglichen werden.

Das Verfahren funktioniert wie folgt: Der IC aktiviert eine Lichtquelle, deren Strahl in einem definierten Winkel auf die Windschutzscheibe auftrifft. Bei korrekt gewähltem Winkel erfolgt eine totale Reflexion innerhalb der Scheibe, sodass das Licht gefangen bleibt. Eine angeschlossene Photodiode misst den Anteil des reflektierten Lichts. Der Koppelfaktor, also das Verhältnis von ausgesendetem zu empfangenem Licht, bestimmt die Menge des zurückreflektierten Lichts und den entsprechenden Photostrom. HALIOS nutzt zwei Lichtquellen bzw. optische Pfade. Durch den Vergleich ihrer Photoströme wird eine Differenz gebildet: Liegen keine Regentropfen vor, ist die Differenz der Ströme beider Pfade nahezu null. Bei Lichtauskopplung durch Regentropfen entsteht ein Differenzwert, der ein Regensignal auslöst.

Welche Vorteile bietet dieses Messprinzip? Durch die Differenzbildung ist das System äußerst empfindlich und erkennt selbst kleinste Veränderungen zuverlässig. Die hohe Empfindlichkeit erlaubt den Einsatz kleiner LED-Ströme, was den Energieverbrauch minimiert. Das Verfahren ist zudem robust und unempfindlich gegenüber wechselnden Lichtverhältnissen: Hohes Umgebungslicht beeinflusst den Signal-Rauschabstand nicht, da es beide Lichtpfade gleichermaßen betrifft und keinen Differenzwert erzeugt. Der Sensor kann somit zwischen Regentropfen und anderen Lichtquellen wie der tiefstehenden Sonne unterscheiden.

Diese Eigenschaften machen HALIOS zu einer besonders effizienten und zuverlässigen Lösung für die Herausforderungen moderner Licht- und Regenerkennung.

Kostengünstige Regensensoren

Die patentierte Mess-Technik von Area 21 und Intellias vereint technische Raffinesse mit Kosteneffizienz. Das ist ausschlaggebend für den wettbewerbsintensiven Markt der Regensensoren. Seit der Einführung des ersten Regensensors durch Peugeot im Jahr 1994 hat sich die RLT-Sensorik auch in Kleinwagen durchgesetzt, womit die Kostenfrage in den Mittelpunkt rückt. Der Markt für Regensensoren ist extrem kostengetrieben. „Unser sensorisch hochintegriertes Modul bietet eine Lösung, um Kosten einzusparen. Kunden reduzieren nicht nur externe Komponenten und damit Bauteil- und Montagekosten, sondern gewinnen auch Platz auf der Leiterplatte“, sagt Benedikt Ehler.

Ein weiterer Kostenvorteil ergibt sich aus dem standardisierten Konzept des E527.06, das Skaleneffekte nutzt. Trotz der Standardisierung ermöglicht die modulare Softwarestruktur, dass Anwender ihre spezifischen Standards und Anforderungen integrieren können. Diese Flexibilität ist entscheidend, da die RLT-Sensorsignale nicht nur zur Regelung von Scheibenwischern und Beleuchtungssystemen, sondern auch für die Anpassung der Klimatisierung basierend auf der gemessenen Sonnenlichteinstrahlung verwendet werden können.

Diese hardwarebasierte Technologie von Elmos verdeutlicht, dass Hardware auch in einer zunehmend software-dominanten Welt eine zentrale Rolle spielt. Die integrierte Entwicklung von Hard- und Software unter einem Dach, wie bei Elmos und Area 21, stellt ein zukunftsorientiertes Konzept dar, das die Chancen maximiert, mit Innovationen im kostensensitiven Automobilmarkt erfolgreich zu sein.

Thermisches und mechanisches Design

Der von Elmos entwickelte RLT-Sensor zeichnet sich sowohl technisch als auch kostenseitig durch seine Robustheit und Praxistauglichkeit aus. Insbesondere in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) bietet der Sensor erhebliche Vorteile. Der Sensor erfordert keine außergewöhnlichen EMV-Maßnahmen und erfüllt dennoch sämtliche gängigen automobilen Anforderungen im typischen Frequenzbereich.

Auch das thermische Design ist State of the Art. Der Sensor gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb innerhalb der üblichen Betriebstemperaturbereiche für Automobile. Mechanisch überzeugt das kompakte Gehäuse, das eine unauffällige Integration im Fahrzeug ermöglicht, typischerweise oberhalb des Rückspiegels.

Besonders hervorzuheben ist eine bislang besondere Funktion des E527.06, die einen bedeutenden Fortschritt in der RLT-Sensorik darstellt. Die Software kann einen Testlauf durchführen, indem sie einen Regentropfen auf dem Sensor simuliert und überprüft, ob die gesamte Signalkette fehlerfrei funktioniert. Dieser Test kann beispielsweise bei jedem Fahrzeugstart erfolgen. Bei festgestellten Unregelmäßigkeiten wird der Fahrer umgehend informiert.

Diese durchdachte Kombination von thermischem und mechanischem Design, verbunden mit innovativer Funktionalität, gewährleistet eine robuste und praxistaugliche Sensorlösung, die den hohen Anforderungen des Automobilmarktes gerecht wird.

Unterstützung bei der Software-Entwicklung

Welche spezifischen Beiträge leistete Intellias in der Entwicklung des E527.06? Oleksandra Zubal erklärt: „Wir unterstützen Elmos und Area 21 bei ihren Entwicklungsprojekten und -prozessen. Unser Hauptfokus lag auf der Bare-Metal-Entwicklung, der Softwareentwicklung direkt auf der Hardware des ICs, sowie auf generischen Prozessen wie der Entwicklung des Bootloaders.“ Diese Zusammenarbeit ist vertraglich abgesichert und umfasst auch umfangreiche Testaufgaben, die im Software-Labor von Intellias in Portugal durchgeführt werden.

Benedikt Ehler beschreibt die Motivation für die Kooperation aus der Sicht von Area 21: „Unsere Gründungsidee war, die Software-Aktivitäten von Elmos zu zentralisieren und zu fördern, da Software einen immer größeren Bestandteil der Elmos-Produkte ausmacht. Gerade in vollständigen Fahrzeugen wird Software zum entscheidenden Faktor. Als junges Unternehmen benötigten wir einen Partner mit umfassender Erfahrung, den wir in Intellias gefunden haben.“

Intellias beschäftigt in seiner Mobilitätssparte, die das größte, aber nicht das einzige Geschäftsfeld der Software-Entwicklung darstellt, rund 1.000 Spezialisten. Dabei setzt das Unternehmen einen Schwerpunkt auf unterschiedliche Sensortechnologien. Diese vielfältige Expertise unterstützt die Entwicklung innovativer Lösungen, die marktgerecht und zukunftsorientiert sind. (heh)

* Volodymyr Melnyk ist Delivery Director bei Intellias.

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