Modellbasierte Entwicklung und Verifikation von Sensor-SiPs · PDF fileMEMS Sensor...

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

8

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