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    Automobil Telematiksystem-Design

    Zachariah Peterson
    |  September 5, 2019
    Automobil Telematiksystem-Design

    Im Jahr 2015 überstiegen die Kosten der Elektronik in Neuwagen die Kosten des Rohstahls zum ersten Mal im Laufe der Geschichte. Es sollte uns nicht überraschen, denn die steigende Anzahl an in Autos verbauten Elektroniksystemen hat mit der Zeit dafür gesorgt, dass dieser Wandel der Kostenstruktur nicht mehr zu vermeiden war. Autos funktionieren immer automatischer, vernetzter und enthalten mehr Komfortfunktionen. Dieser Trend wird sich weiter steigern. 

    Seit das OnStar System von General Motors in den 1990ern populär gemacht wurde, gelten Telematiksysteme in Automobilen als fester Bestandteil der Branche. Heute ermöglicht ein Telematiksystem für Automobile es den Herstellern, Daten von Unfalldatenspeichern, Kommunikationssystemen, GPS-Systemen und Sicherheitssystemen zu erfassen. Kürzliche Fortschritte in der Technologie und der Schritt zu vollständig fahrerlosen Fahrzeugen in der Zukunft verlangt eine gesteigerte Nutzung dieser Systeme und Designer sollten sich darüber Gedanken machen, wie sie diese Systeme herstellen und in neue Fahrzeug integrieren können.

    Die Landschaft des Telematiksystems

    Es wird erwartet, dass allein die Umsätze für PCB im Automobilbereich mit den Jahren um 5-10% steigen werden. Wie kommt es zu dem Wachstum in diesem Bereich? Neben neueren Sicherheitsfunktionen, Infotainment-Systemen und Vernetzbarkeit werden Telematiksysteme immer öfter in konventionellen Fahrzeugen eingesetzt. In einer Zukunft der selbstfahrenden Fahrzeuge werden sie immer gefragter.

    Telematiksysteme sind ein Bereich, in dem Automobilelektronikunternehmen und die großen Autohersteller ein deutliches Wachstum verzeichnen, da diese Systeme höchstwahrscheinlich in mehr konventionellen Neuwagen und selbstfahrenden Autos nötig sein werden. Seit 2018 verlangt die EU-Regulierung 2015/758, dass alle verkauften Neuwagen in der EU offiziell über ein Telematiksystem verfügen. In verschiedenen US-Bundesstaaten herrschen unterschiedliche Regeln zu Telematiksystemen, doch die General Services Administration erkennt ihre Bedeutsamkeit für aktuelle Fahrzeugflotten aus einer kostensparenden Perspektive an.

    Im Zuge der stetigen Entwicklung selbstfahrender Autos ermöglichen Telematiksysteme, dass Fahrzeughersteller, Forscher und Versicherungen Daten über diese Neuwagen sammeln können, bevor diese überhaupt das erste Mal öffentlich gefahren wurden. Der durchschnittliche menschliche Fahrer fährt knapp 80.500 Kilometer, bevor er einen Unfall hat, während die durchschnittliche Distanz, die ein selbstfahrendes Fahrzeug im Zuge der DARPA Grand Challenge zurücklegte, rund 160 Kilometer betrug. Die unzähligen Daten des Fahrzeugs können mithilfe eines Telematiksystems erfasst werden und Ingenieuren Einblicke darüber gewähren, wie sie ihre Technologie verbessern können. Die gleichen Daten werden von Versicherungen genutzt, um die Preisgestaltung gemäß nutzungsbasierter Versicherungsmodelle zu erstellen.

    Das eCall Automobil-Telematiksystem ist mittlerweile in der EU verpflichtend
    Das eCall Automobil-Telematiksystem ist mittlerweile in der EU verpflichtend

     

    PCB für Telematiksysteme in Fahrzeugen

    Ob man an einer Lösung für Versicherungen, fahrerlose Autos, Fahrzeugdiagnostik, automatisierte Notrufe und Unfallmaßnahmen oder für Systeme zur Kommunikation zwischen Fahrzeugen arbeitet, Telematikservices werden sich wohl von ihren aktuellen Anwendungsbereichen steigern. Diese Änderungen spiegeln sich auf PCB- und eingebetteter Software-Ebene wider, während die unzähligen in Neuwagen zu erfassenden Daten verarbeitet und in Echtzeit kommuniziert werden müssen.

    Grundlegende Anforderungen

    Diese Systeme können an beliebigen Stellen unter der Motorhaube oder am Armaturenbrett angebracht oder als Ersatzteil über den OBD-II Port des Fahrzeugs hinzufügt werden. In jedem Fall ermöglicht dieses Gerät über das ESG direkten Zugriff auf die Daten des Fahrzeugs. Diese Geräte haben einen kleinen Formfaktor (unter 10 cu.in.) und werden mit der Gleichstromversorgung des Autos betrieben. Die Sensoren des Fahrzeugs erfassen die in den ESG gespeicherten Daten und senden diese an die Telematikeinheit, wo sie verarbeitet, gespeichert und übermittelt werden. Eine Option für ein Ersatzteilgerät ist die Integration eines USB Ports oder eines Port für eine MicroSIM Karte wie im beliebten Freematics ONE+ System (siehe Schaltplan unten).

     Design des Freematics ONE+ Telematiksystems
    Design des Freematics ONE+ Telematiksystems

     

    Diese Systeme laufen in der Regel auf zehner oder hunderter MHz Taktfrequenzen und benötigen keine extreme High-Speed Logik. Wenn die Telematiksysteme unter dem Armaturenbrett angebracht sind, kann man die Platine auf FR4 bauen. Ein Telematiksystem, das im Motorraum angesiedelt ist, wird am besten auf einem Keramik-PCB gebaut, obwohl diese Einordnung keine Vorteile in Bezug auf Funktionalität mit sich bringt. 

    Drahtlose Kommunikation

    Das Integrieren von WLAN und/oder Bluetooth in ein Telematikmodul sorgt dafür, dass die Telematikdaten auf ein externes Gerät geladen werden können, obwohl neuere Telematikmodule, die Daten an Versicherungen; Hersteller oder Arbeitgeber liefern, Mobilfunknetze benötigen, um Daten zu übermitteln. Eine Option besteht darin, die Übermittlung per WCDMA, HSPA+ oder drahtlosem Protokoll durchzuführen. Egal welches Protokoll man für die Kommunikation nutzt, es muss ein Sendeempfänger und die Verbindung zu einem Chip (für integrierte Module) oder einer Gummi-Antenne (normalerweise für Ersatzteile) integriert werden.

    Dadurch gelangt das Telematiksystem in die Ordnung gemischter Signale, wofür eine RF-Erdungsstrategie benötigt wird. Analoge und digitale Signale sollten in unterschiedliche Bereiche der Grundplatte aufgeteilt werden, um Beeinträchtigungen zu vermeiden. Eine Platine mit vier Schichten und einzelner solider Grundplatte ist in der Regel gut für diese Systeme geeignet, obwohl es eine gute Strategie ist, eine Grundplatte zu verwenden, um RF und digitale Bereiche voneinander abzuschirmen. Hier kommt man auf einen Wert bis 5 GHz, je nach drahtlosem Protokoll.

    GPS-Integration

    Neuere Autos sind normalerweise schon mit GPS-Navigationssystemen ausgestattet, die in das Infotainment-System integriert sind. Diese Navigationsdaten bewegen sich zwischen dem Display (entweder Infotainment oder digitales Armaturendisplay) und einem zentralen ESG. Sie können über den OBD-II Port an die Telematikeinheit gesendet werden. Dafür ist in der Regel ein Software-Patch und möglicherweise eine Änderung des OBD-II Designs nötig.

    Für ein Ersatzteil-Telematiksystem sollte die GPS Antenne als externe Einheit durch die Seite des Pakets verbunden und an einem passenden Ort installiert werden, um den besten Empfang zu gewährleisten. Die obere Seite des Armaturenbretts am mittleren Punkt der Windschutzscheibe ist ein idealer Ort für die Antenne, allerdings kann diese auch umgedreht an der Front- oder Rückscheibe angebracht werden.

    Die Aufgabe eingebetteter Software in Telematiksystemen

    Die regulatorischen Aspekte des Datenschutzes werden in Zukunft, insbesondere in der EU, eine wichtigere Rolle bei der Software als bei der Hardware spielen. Allerdings kann man in Industrienationen von Telematiksystemen bessere Mindestanforderungen an die Funktionalität erwarten, da sich die Technologie stetig weiter entwickelt. Die Sicherheitsprobleme in Fahrzeugen spiegeln diejenigen wider, die in IoT Geräten auftreten, da die Fahrzeuge immer stärker vernetzt werden, was für die Ingenieure eingebetteter Software ernsthafte Herausforderungen darstellt. Ingenieure sollten sich auf skalierbare offene Software- und Hardware-Plattformen vorbereiten, während Smartphones und Tablets zur vorherrschenden Form der Interaktion mit Telematiksystemen in Fahrzeugen werden.

    Elektronikdesigner in der Automobilbranche benötigen Zugriff auf Designtools mit dem richtigen PCB-Layout und eingebettete Designtools für Telematiksysteme sowie eine Vielzahl anderer Systeme. Altium Designer® enthält Designfunktionen für diese Automobilanwendungen und vieles mehr. All das innerhalb einer einheitlichen Designumgebung.

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    Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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