Modellbasierte Entwicklung und Verifikation von Sensor-SiPs

Transkript

1 MATLAB EXPO München, Modellbasierte Entwicklung und Verifikation von Sensor-SiPs Dr. Jan-Hendrik Oetjens Dr. Ralph Görgen 1 Automotive Electronics AE/EIM-Oetjens Robert Bosch GmbH Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

2 Modellbasierte Entwicklung und Verifikation von Sensor-SiPs Bosch the MEMS Pioneer Start of MEMS production in 1993 More than 4 billion MEMS sensors produced More than MEMS patents 100% in-house from MEMS design to manufacturing Bosch is #1 MEMS sensor supplier worldwide 2 Automotive Electronics Marketing Robert Bosch GmbH Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

3 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) Micromechanical sensor element ASIC e.g.: acceleration sensor 50 µm 3 Automotive Electronics Marketing Robert Bosch GmbH Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

4 Modellbasierte Entwicklung und Verifikation von Sensor-SiPs Gliederung MEMS-Sensoren Einsatzgebiete Modellierung Anforderungen Entwicklungsprozess Design Verifikation Zusammenfassung 4 Automotive Electronics AE/EIM-Oetjens Robert Bosch GmbH Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

5 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 ) 5 Automotive Electronics Marketing Robert Bosch GmbH Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

6 Modellbasierte Entwicklung und Verifikation von Sensor-SiPs Simulink-Modell eines MEMS-Sensor-SiP Signalpfad einer industriellen Sensorauswerteschaltung: Drucksensor + Temperatursensor 6 Automotive Electronics AE/EIM-Oetjens Robert Bosch GmbH Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

7 Modellbasierte Entwicklung und Verifikation von Sensor-SiPs Requirements for Automotive MEMS High functional requirements: High accuracy, self test, advanced safety concepts High reliability / quality: 15 years, < 1 ppm extreme environmental conditions ( 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 7 Automotive Electronics Marketing Robert Bosch GmbH Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

8 8 Gliederung MEMS-Sensoren Einsatzgebiete Modellierung Anforderungen Entwicklungsprozess Design Verifikation Zusammenfassung

9 9 Entwicklung von MEMS-SiPs (top down) Mechanik/Optik/ Analoge Elektronik Digitale Elektronik Software z.b. SPICE z.b. HDLs z.b. Virtuelle Plattform und ISS

10 10 Entwicklung von MEMS-SiPs 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 Methode zur Integration von Implementierungsmodellen (hier: digitale Hardware) inklusive integrierter Fehlermodelle in System Level Modelle (Simulink)

11 11 Entwicklungsprozess einer MEMS-Komponente 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 Datenpfad- Modell

12 12 Entwicklungsprozess einer MEMS-Komponente 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

13 13 Co-Simulation und Co-Emulation mit HDL Verifier 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

14 14 Co-Simulation und Co-Emulation mit HDL Verifier 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

15 15 SystemC basierte Co-Simulation über S-Function S-Func- Wrapper System C Modul 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

16 16 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

17 17 HW-spezifische Interfaces in 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 HDL-Verifikationsumgebung IFS-Skript SystemC-basiert IFS-Controller Trennung zw. Testbench und Testfall IFS IFS Controller auch in Simulink Reuse von existierenden Testbench- Modulen in Simulink IFS IFS DUV IFS IFS

18 18 HW-spezifische Interfaces in 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 HDL-Verifikationsumgebung SystemC-basiert IFS-Skript Trennung zw. Testbench und Testfall IFS-Controller Simulink Controller auch in Simulink Reuse von existierenden Testbench- Modulen in Simulink IFS IFS DUV HDL- CoSim Simulink Simulink

19 19 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