Modellbasierte Entwicklung und Verifikation von Sensor-SiPs · PDF fileMEMS Sensor...
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AE/EIM-Oetjens | 09.07.2014 | © Robert Bosch GmbH 2014. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion,
Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.
MATLAB EXPO ─ München, 09.07.2014
Automotive Electronics
Modellbasierte Entwicklung und Verifikation
von Sensor-SiPs
Dr. Jan-Hendrik Oetjens
Dr. Ralph Görgen
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Modellbasierte Entwicklung und Verifikation von Sensor-SiPs
Automotive Electronics
Bosch – the MEMS Pioneer
Start of MEMS production in 1993
More than 4 billion MEMS sensors produced
More than 1.000 MEMS patents
100% in-house from MEMS design to manufacturing
Bosch is #1 MEMS sensor supplier worldwide
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Modellbasierte Entwicklung und Verifikation von Sensor-SiPs
MEMS Sensor
“MEMS” = “Micro-Electro-Mechanical System”
(Systems with mechanical structures in micrometer range and
electronic structures, combined on a substrate or chip)
Automotive Electronics
e.g.: acceleration sensor
ASIC Micromechanical
sensor element
50 µm
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Modellbasierte Entwicklung und Verifikation von Sensor-SiPs
Automotive Electronics
Gliederung
MEMS-Sensoren
Einsatzgebiete
Modellierung
Anforderungen
Entwicklungsprozess
Design
Verifikation
Zusammenfassung
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Modellbasierte Entwicklung und Verifikation von
Sensor-SiPs
MEMS sensors – automotive applications
Airbag systems
Acceleration (high-g) and pressure sensors for
occupant protection
Acceleration sensors (low-g) and angular rate
sensors for rollover sensing
Engine management
Pressure sensors for efficient and clean
engine management concepts
Transmission control
Medium pressure sensors for hydraulic pressure
Vehicle Dynamics Control
Acceleration sensors (low-g), angular rate sensors
and combi modules for VDC (ESP®)
Automotive Electronics
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Modellbasierte Entwicklung und Verifikation von Sensor-SiPs
Automotive Electronics
Simulink-Modell eines MEMS-Sensor-SiP
Signalpfad einer industriellen Sensorauswerteschaltung:
Drucksensor + Temperatursensor
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Modellbasierte Entwicklung und Verifikation von Sensor-SiPs
Automotive Electronics
Requirements for Automotive MEMS
High functional requirements:
High accuracy, self test, advanced safety concepts
High reliability / quality: 15 years, < 1 ppm
extreme environmental conditions (-40 .. 120°C)
Additional 15 years of aftermarket supply
Product life cycle up to 10 years, product development 3 years
High volume, reliability and quality are main success factors
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Gliederung
MEMS-Sensoren
Einsatzgebiete
Modellierung
Anforderungen
Entwicklungsprozess
Design
Verifikation
Zusammenfassung
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Entwicklung von MEMS-SiPs (top down) 9
26.08.2014
Mechanik/Optik/… Analoge Elektronik
z.B. SPICE
Digitale Elektronik
z.B. HDLs
Software
z.B. Virtuelle Plattform und ISS
Entwicklung von MEMS-SiPs 10
26.08.2014
Methode zur Integration von Implementierungsmodellen (hier: digitale Hardware) inklusive integrierter Fehlermodelle in System Level Modelle (Simulink)
Entwicklungsprozesse sind nicht durchgängig
Unterschiedliche Entwicklungsumgebungen
Kooperation zwischen Unternehmen oder Abteilungen
… und sie verlaufen nicht nur top-down
Validierung von verfeinerten Komponenten im Systemkontext
Inkl. Fehlermodellen zur Fehlereffektanalyse
Integration von IP-Komponenten
Datenpfad- Modell
Entwicklungsprozess einer MEMS-Komponente 11
26.08.2014
1. System Level Modell in Simulink
2. Grenze zwischen analogen und digitalen Teilen + ADC
Digitale Signalverarb. als Simulink-Datenpfad-Modell
3. Ersetzen des Datenpfad-Modells durch DSP + Prog.
Auswahl der passenden DSP Komponente
Finden der optimalen DSP Konfiguration
Implementierung und Test des DSP Programms
Ziel: DSP + Programm äquivalent zu Datenpfad-Modell
Entwicklungsprozess einer MEMS-Komponente 12
26.08.2014
1. System Level Modell in Simulink
2. Grenze zwischen analogen und digitalen Teilen + ADC
Digitale Signalverarb. als Simulink-Datenpfad-Modell
3. Ersetzen des Datenpfad-Modells durch DSP + Prog.
Auswahl der passenden DSP Komponente
Finden der optimalen DSP Konfiguration
Implementierung und Test des DSP Programms
Ziel: DSP + Programm äquivalent zu Datenpfad-Modell
DSP + Programm
ENTITY dsp is
port ( d1, d2, d3: in std_logic;
q1, q2, q3 : out std_logic );
END ENTITY;
ARCHITECTURE struct OF dsp IS
BEGIN
…
END ARCHITECTURE;
?
synth. VHDL-Modell
Co-Simulation und Co-Emulation mit HDL Verifier 13
26.08.2014
HDL-Anteil wird in HDL-Simulator (z.B. ModelSim) simuliert
Simulator für Hardwarebeschreibungen
Anzeige/Verfolgung digitaler Signale
Visualisierung von Modellhierarchie
HDL Verifier übernimmt Datenaustausch und Synchronisation
Vollständiges HDL-Simulator-Werkzeug
Sehr gut für HDL-Debugging
Co-Simulation und Co-Emulation mit HDL Verifier 14
26.08.2014
FIL
HDL-Anteil wird in FPGA emuliert
Programmierbare Logikgatter
Rapid Prototyping für digitale Schaltungen
HDL Verifier übernimmt Datenaustausch und Synchronisation
Schneller als HDL-Simulation
Bottleneck ist Kommunikation/Synchronisation
SystemC basierte Co-Simulation über S-Function 15
26.08.2014
Modellübersetzung für VHDL-Modelle in SystemC
SystemC ist C++-Bibliothek für System/HW-Modellierung
Automatische Transformation
Äquivalentes Modellverhalten (zeitlich und funktional)
Integration in Simulink über C++-S-Function-Wrapper
Konvertierung der Datentypen
Synchronisation der Simulationszeit
Unterstützung für variable Schrittweiten
SystemC
Modul
S-Func-Wrapper
SystemC basierte Co-Simulation über S-Function
Einsatz für Systemmodellierung (intern oder bei Kunden)
Einfache Integration der HDL-Modelle in Simulink
Keine VHDL-/FPGA-Kenntnisse erforderlich
Instanziierung als S-Function Block
Bereitstellung als Simulink-Bibliothek
Schutz von internem Know How
Bereitstellung als kompilierte S-Function
Konvertierung der Daten kann vom Anwender flexibel über Block-Parameter angepasst werden
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26.08.2014
HW-spezifische Interfaces in Simulink
HDL-Verifikationsumgebung
SystemC-basiert
Trennung zw. Testbench und Testfall
Controller auch in Simulink
Reuse von existierenden Testbench-Modulen in Simulink
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26.08.2014
DUV
IFS-Controller
IFS
IFS
IFS
IFS
IFS
IFS
IFS-Skript
Problem: HW-spezifische Low-Level Interfaces an DUV
Z.B: Konfiguration der Komponente über SPI oder I²C
Implementierung in VHDL oder SystemC vorhanden
Re-Implementierung in Simulink aufwändig/nicht erwünscht
HW-spezifische Interfaces in Simulink
HDL-Verifikationsumgebung
SystemC-basiert
Trennung zw. Testbench und Testfall
Controller auch in Simulink
Reuse von existierenden Testbench-Modulen in Simulink
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26.08.2014
DUV HDL-
CoSim
IFS-Controller
IFS
IFS
IFS-Skript
Simulink
Simulink
Simulink
Problem: HW-spezifische Low-Level Interfaces an DUV
Z.B: Konfiguration der Komponente über SPI oder I²C
Implementierung in VHDL oder SystemC vorhanden
Re-Implementierung in Simulink aufwändig/nicht erwünscht
Zusammenfassung
Zahlreiche Applikationen für Sensor-SiPs
Entwicklung ist eine große Herausforderung
Heterogenität
Zuverlässigkeit und Robustheit
Entwicklung ohne Modellbasierte Entwicklung nicht mehr handhabbar
Co-Simulation/-Emulation mit HDL Verifier
Debugging und Verifikation von HDL-Modellen im Systemkontext
Analyse von Fehlerfortpflanzung im Systemkontext
System-Level-Simulation mit ‚echtem‘ HDL-Modell (Implementierung von embedded Software)
Ergänzt durch Bosch-eigenen Ansatz
Einfacher Austausch von Simulationsmodellen mit Kunden
Re-Use von Testbench-Modulen (VHDL/SystemC) in Simulink
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26.08.2014