Entwicklung von Steuergeräte-funktionen und Software Mechatronische Systeme haben einen entscheidenden Anteil am Funktionsumfang moderner Fahr-zeuge. Durch den Einsatz von Elektrik, Elektronik und Software werden intelligente Funktionen innerhalb der Domänen Antrieb, Fahrwerk, Karosserie und über diese Domänen hinweg kosteneffizient realisiert. Autosar unterstützt die Wiederverwendung von Software dieser Systeme. Der Beitrag von Etas gibt einen Überblick über die Systemebenen, die das Verhalten von komplexen Fahrzeugfunktionen bestim-men und schildert den Einsatz von Methoden und Werkzeugen bei der arbeitsteiligen Entwicklung von Steuergerätefunktionen und Software.

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Autosar

1 Einleitung

Mit den steigenden Anforderungen an Komfort, Sicherheit und Umweltverträg­lichkeit wachsen Anzahl und Umfang von elektronisch realisierten Fahrzeug­funktionen. In heutigen Mittelklasse­fahrzeugen sind rund 40 Steuergeräte verbaut, die über Fahrzeugbusse mitei­nander vernetzt sind. Moderne Motorsteu­ergeräte verarbeiten bis zu 250 MIPS (Mil­lionen Instruktionen pro Sekunde) und können über 20.000 Funktionsparame­ter, mit denen sich die Motorsteuerung einstellen lässt, beinhalten. In gleichem Maße wächst der Umfang des Codes im Steuergerät, dem logischen Kern der Steuerungen und Regelungen. Mit dem zunehmenden Umfang steigt der Anteil der Software am Fahrzeugwert. Software im Automobil ist für Fahrzeughersteller und Systemanbieter ein Produkt von strategischer Bedeutung [1].

2 Fahrzeugsysteme

Fahrzeuge und Systeme zeichnen sich durch hohe Zuverlässigkeit, niedrige Herstellkosten und lange Produkt­lebenszyklen aus. Gleichzeitig werden vom Oberklassemodell bis zum Kleinst­wagen unterschiedlichste Fahrzeugtypen und Modellvarianten entwickelt und auf den Weltmärkten angeboten. Plattform­strategien der Fahrzeughersteller und der Systemlieferanten zielen auf einen möglichst hohen Grad der Wiederver­wendung von Systemen oder System­komponenten in verschiedenen Fahr­zeugmodellen ab. Die Art und Weise, in der elektronische Steuerungen und Re­gelungen realisiert werden, richtet sich einerseits nach funktionalen Anforde­rungen, andererseits nach kommerzi­ellen, technischen sowie bauraumbeding­ten Vorgaben. Zusätzliche Funktionen lassen sich durch die Vernetzung von Systemen realisieren. Zum Beispiel wird beim vorausschauenden Bremsen der Abstand zum vorausfahrenden Fahr­zeug, den das Radar einer adaptiven Geschwindigkeitsregelung misst, vom Bremssystem ausgewertet, um bei Ge­fahr einen Bremsvorgang vorzubereiten. Ebenso treten zunehmend zentrale Steu­erungen für Systeme aus vormals unab­hängigen Domänen auf. Beispielsweise

werden bei einem Hybridantrieb Verbren­nungs­ und Elektromotor, Bremse und Generator, Getriebe sowie der Energie­verbrauch durch Nebenaggregate ge­meinsam und verkoppelt miteinander gesteuert und geregelt [2].

3 Steuergerätesoftware – Zentrale Trends und Herausforderungen

Als zentrale Systemkomponente muss Steuergerätesoftware über hohe Qualität verfügen und – den Lebenszyklus des Sys­tems begleitend – über sehr lange Zeit gewartet werden können. Zudem muss sich die Software an verschiedene Sys­temvarianten und Fahrzeugtypen anpas­sen lassen. Dazu werden Softwarefunkti­onen so parametriert, dass sich mög­lichst viele Applikationen der Software durch das Anpassen („Kalibrieren“) von Kenngrößen darstellen lassen. Um die Anzahl, den Umfang und die Varianten der Funktionen zu beherrschen, wird Steuergerätesoftware in sinnvolle Kom­ponenten zerlegt, die sich aus Effizienz­ und Qualitätsgründen wieder verwen­den lassen sollen. Häufig erfolgt die Ent­wicklung neuer Funktionen und der da­zugehörigen Steuergerätesoftware durch Arbeitsgruppen aus verschiedenen Berei­chen und von verschiedenen Firmen. Die zunehmende Arbeitsteilung und Globali­sierung der Entwicklungsprozesse erfor­dert einheitliche Softwarearchitekturen sowie leistungsfähige Entwicklungsme­thoden und Werkzeuge.

4 Autosar – Ein neuer Standard für Software

Die Bestrebungen, Software von elektro­nischen Regelungen und Steuerungen unter der Devise „cooperate on stan­dards, compete on innovation“ zu verein­heitlichen, hat im Jahre 2003 zur Grün­dung der Autosar­Entwicklungspartner­schaft geführt (www.autosar.org). Sie wird von über 100 Mitgliedern getragen, die gemeinsam an der Festlegung einer einheitlichen Softwarearchitektur für Steuergeräte und an der Standardisie­rung einer durchgängigen Entwicklungs­methodik arbeiten.

In der dreischichtigen Architektur ist die Anwendungssoftware, welche die

Die Autoren

Dr. Matthias Klauda ist Geschäftsführer der Etas GmbH in Stuttgart.

Dr. Ulrich Lauff verantwortet im Mar­keting die technische Redaktion der Anwen­dungsfelder Software Engineering sowie Messen, Kalibrieren und Steuergeräte­diagnose bei der Etas GmbH in Stuttgart.

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Steuerungs­, Regelungs­ und Diagnoseal­gorithmen enthält, in einzelnen Kompo­nenten gekapselt. Die Komponenten kommunizieren über Autosar­konforme Schnittstellen. Jede Kommunikation zwi­schen Softwarekomponenten, ob inner­halb des Steuergeräts, im Steuergeräte­netzwerk oder mit Sensoren und Ak­toren, erfolgt über die zentrale mittlere Schicht, die so genannte RTE (Runtime

Environment). Die RTE bildet die Schnitt­stelle zur Basissoftware, welche Kommu­nikations­ und Diagnoseprotokolle, Trei­ber, Mikrocontroller­Betriebssystem (OS) und Systemdienste zur Verfügung stellt.

Auf Basis dieser Architektur definiert Autosar Methoden für den steuergerä­teunabhängigen Entwurf von Software­komponenten auf einer logischen Abstraktionsebene, dem so genannten Vir­

tual Function Bus, und die Zuordnung der Komponenten zu einzelnen Steuerge­räten eines Gesamtsystems. Mit den letz­ten Autosar­Releases stehen die grundle­genden Spezifikationen für den Serien­einsatz von Steuergeräten mit Autosar­konformer Software zur Verfügung. Da­rin sind die Schnittstellen der Basissoft­waremodule und der RTE, die Austausch­formate und Templates für den Entwurf

Bild 2: Entwicklung und Integration von Funktionen, Software und Steuergeräten in virtuellen und realen Umgebungen

Bild 1: Analyse, Spezifikation, Implementierung und Integration von Funktionen und Software der Fahrzeugelektronik

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und die Verteilung von Softwarekompo­nenten sowie eine erste Auswahl von standardisierten Schnittstellen der An­wendungssoftware definiert.

5 Entwicklung von Funktionen und Implementierung der Steuergerätesoftware

Hauptgegenstand von Autosar ist die Be­schreibung und Implementierung von Steuergerätesoftware. Sie setzt die Defi­nition der Funktionen voraus, welche in der Software zu realisieren sind. Die Funktionsentwicklung vollzieht sich in drei Schritten: Nach Analyse der Anfor­derungen an die Anwendung, beispiels­weise an eine Motorsteuerung, werden die einzelnen Steuerungs­, Regelungs­ und Diagnosefunktionen, etwa Einsprit­zung oder Zündung, spezifiziert und durch einzelne Funktionsalgorithmen, zum Beispiel der Berechnung des Zünd­winkels in Abhängigkeit von der Last, abgebildet, Bild 1. Bei der Implementie­

rung der Software werden die Algorith­men in Softwarekomponenten umge­setzt und gekapselt. Anschließend wird die Steuergerätesoftware aus Software­komponenten und der Basissoftware zu­sammengesetzt und in das Steuergerät integriert, Bild 1.

In Fortschreibung des Autosar­Vor­läuferprojekts East­EEA wurde die East Architekturbeschreibungssprache von Atesst (Advancing Traffic Efficiency and Safety through Software Technology, www.atesst.org), einem im Rahmen des Sixth Framework Programms (FP6) der EU geförderten IST (Information Society Technologies) Vorhabens, weiterentwi­ckelt. Mit der domänenspezifischen Spra­che East­ADL2 lassen sich Funktionen der Fahrzeugelektronik und Software ausgehend vom Lastenheft beschreiben, analysieren und Autosar­konform imple­mentieren. Die Umsetzung von Anforde­rungen an das System in Bezug auf Fea­tures, Wechselwirkungen und Varianten kann dabei über die verschiedenen Ebe­nen hinweg verfolgt werden [3].

Bei der Entwicklung von Funktionen und Steuergerätesoftware kommen Werk­zeuge zum Einsatz, die von Toolherstel­lern wie Etas angeboten werden. Im Fol­genden wird auf Anwendungen von Etas­Werkzeugen referenziert, ohne dass da­mit ein Anspruch auf Exklusivität oder Vollständigkeit erhoben wird.

In der Funktions­ und Softwareent­wicklungsumgebung „ASCET“ können Funktionen entweder grafisch, in Form von Blockdiagrammen oder Zustands­automaten, oder textuell mit Hilfe der steuerungs­ und regelungstechnischen Beschreibungssprache ESDL (Embedded System Description Language) spezifi­ziert werden [4]. Das Verhalten der Algo­rithmen, welche die spezifizierten Funk­tionen umsetzen, lässt sich am PC simu­lieren und unter realen Bedingungen mit Hilfe eines Echtzeit­Experimentier­systems, welches das Zielsteuergerät er­gänzt oder ersetzt, validieren (Rapid Pro­totyping; [5,6,7,8]), Bild 2, Schritt 1 und 2. Bei primärer Betrachtung des „physika­lischen“ Steuerungs­ und Regelungsver­

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haltens werden die Funktionsalgorith­men unter Ausnutzung der Rechenleis­tung eines PCs oder Experimentiersys­tems in Gleitkommaarithmetik imple­mentiert.

Wenn die Funktionsalgorithmen den steuerungs­ und regelungstech­nischen Anforderungen entsprechen, werden sie nach den Vorgaben der Steu­ergeräte­Softwarearchitektur in Fest­kommaarithmetik ausgeführt. Dabei werden für die einzelnen Variablen Da­tentypen mit geeigneter Auflösung fest­gelegt, die Berechnungsroutinen ange­passt und Umrechnungsformeln zur physikalischen Darstellung erzeugt. Im Rapid Prototyping­Experiment lässt sich die Festkomma­Implementierung einer Softwarefunktion durch Vergleich mit dem physikalischen Modell einfach verifizieren. Anschließend werden die Funktionsalgorithmen in Softwarekom­ponenten übertragen und die Daten­strukturen und Kommunikationsme­chanismen der Komponentenschnitt­stellen festgelegt. Im letzten Schritt wird automatisch Steuergerätecode er­zeugt, Bild 2, Schritt 3. Autosar­Soft­ware, die mit „ASCET“ entwickelt wur­de, ist in zahlreichen Serienprojekten bereits im Einsatz [10], [11].

Prototyping­Umgebungen wie „IN­TECRIO“ bieten heute bereits die Mög­lichkeit, Autosar­konforme Anwen­dungen in einer virtuellen oder in der realen Umgebung zu validieren, Bild 2, Schritt 1 und 2. Unabhängig von der Mo­dellierungsumgebung lassen sich Auto­sar­konforme Softwarekomponenten mittels der Integrationsplattform von „INTECRIO“ auf dem Virtual Function Bus als „Grundplatte“ bereits auf dem PC zu einer Anwendung verschalten [12] und unmittelbar am PC [13] oder unter realen Bedingungen testen [14], Bild 3 und Bild 4.

6 Zeitverhalten

Unabhängig von den logischen Aspekten muss bei einer Systemintegration das ge­wünschte Zeitverhalten einer Steuerung und Regelung sichergestellt werden. Es wird maßgeblich durch Latenzzeiten bei der Übertragung von Signalen und der Durchführung von Berechnungen be­stimmt. Dabei können die Sensorik und

Aktorik sowie die Kommunikationsme­chanismen von Fahrzeugbussen und Steu­ergeräten die Übertragung verzögern. Bei verteilten Systemen hat insbesondere die Buskommunikation maßgeblichen Ein­

fluss auf das Zeitverhalten von elektro­nischen Steuerungen und Regelungen. Zeitgesteuerte Bussysteme wie Flexray (www.flexray.com) übermitteln Signale in vorgegebenen Zeitscheiben und vermei­

Bild 3: Integration von Softwarekomponenten und Validierung von Funktionen am PC mit Intecrio. Verifikation der Ausführung von Funktionsalgorithmen mit „RTA-TRACE“, Vorkalibrie-rung von Funktionsparametern am PC mit „INCA“

Bild 4: Frühzeitige Validierung von Funktionsprototypen im Fahrzeug mit Intecrio und der Rapid Prototyping-Hardware ES910. Integration des Prototypen über Bypass- und Busschnittstellen (CAN, ETK, Flexray) in bestehende Steuergeräte-Netzwerke

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Autosar

den dadurch Schwankungen in den Über­tragungszeiten der Signale. Bei den neues­ten Autosar­Spezifikationen wurde die zeitliche Charakteristik von Software­ und Systemarchitekturen noch außer Acht ge­lassen. Derzeit werden im Rahmen von Phase II des Autosar­Projekts und des von der EU geförderten Itea2 (Information Technology for European Advancement) Projekts Timmo (Timing Model, www.tim­mo.org) Konzepte und Methoden disku­tiert, die es erlauben, das Zeitverhalten beim Entwurf von Fahrzeugsystemen in einer strukturierten Art und Weise mit zu berücksichtigen.

Auf der Werkzeugseite wurden im Rahmen des EU FP6­IST Projekts Interest (Integrating European Embedded System Tools) aufeinander abgestimmte Lö­sungen dargestellt, mit denen sich das Zeitverhalten von Systemen analysieren lässt. Durch eine Kopplung von „ASCET“ mit den aiT Worst Case Execution Time (WCET) Analysewerkzeugen von Absint können die maximalen Laufzeiten ein­zelner Operationen von Softwarekompo­nenten mittels Codeanalyse bestimmt werden. Mit dem Werkzeug „SymTA/S“ von Symtavision lassen sich auf Basis der analysierten WCET­Daten sowie Betriebs­system­ und Fahrzeugbus­Schedules ma­ximale Laufzeiten von Signalen zwischen Sensoreingang und Aktorausgang be­stimmen und zeitlimitierende Faktoren im System feststellen [15].

7 Integration von Steuergerätesoftware

Im Labor werden die Steuerungs­, Rege­lungs­ und Diagnosefunktionen eines Sys­tems in einer simulierten Umgebung ge­testet (Systemtest, siehe Bild 2, Schritt 4). Dazu werden am Hardware­in­the­Loop (HiL)­Prüfstand Steuergeräte an Stellglieder oder Ersatzlasten angeschlossen, vernetzt und mit Hilfe von aufgezeichneten Mess­daten oder einem Streckenmodell, welches das Restsystem, das Fahrzeug, das Fahrer­verhalten und die Umwelt nachbildet, sti­muliert. Die Steuergeräte werden dabei über echtzeitfähige Schnittstellenmodule elektrisch mit dem Simulationsmodell ge­koppelt. Elektrische Fehler wie Kurzschlüs­se oder Leitungsunterbrechungen können mit entsprechender Hardware nachgestellt werden [16,17,18].

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Bei diesen Tests der zunehmend kom­plexen Steuerungs­, Regelungs­ und Di­agnosefunktionen kommen immer auf­wändigere Streckensimulationen zum Einsatz. Mit ihrem jährlich stattfindenden Leistungszuwachs bietet die PC­Technolo­gie die geeignete Plattform für rechenin­tensive Simulationen. Zum Beispiel gestat­ten Quadcore­Prozessoren heute die Echt­zeitbehandlung von komplexen Fahrdyna­mikmodellen am PC, was bis vor kurzem trotz spezifischer Hardware für Echtzeitsi­mulationen nicht möglich war [19]. Im An­schluss an die Systemintegration wird das komplette mechatronische System in auf­wändigen Versuchen mit entsprechender Messausrüstung [20] am Prüfstand oder im Fahrzeug erprobt, Bild 2, Schritt 5.

8 Applikation der Steuergerätesoftware

ECU­Software wird so parametriert, dass sich das Verhalten der Steuerungs­, Rege­lungs­ und Diagnosefunktionen durch das Kalibrieren von Kenngrößen der Funkti­onsalgorithmen an verschiedene System­varianten oder Fahrzeugmodelle anpassen lässt, ohne dass Berechnungsroutinen ge­ändert werden müssen. Mit Applikations­werkzeugen, wie zum Beispiel „INCA“, können im laufenden Betrieb Kennwerte kalibriert und gleichzeitig Signale vom Steuergerät, von Fahrzeugbussen und von Messgeräten erfasst werden. Applikations­werkzeuge unterstützen die standardisier­ten Datenbeschreibungsformate sowie Mess­ und Kalibrierprotokolle, die von der Association for Standardization and Auto­mation of Measuring Systems e.V. (www.asam.net) festgelegt werden. Diagnose­funktionen und Protokolle lassen sich mit Hilfe des Open Diagnostic Data Exchange Format ODX (Asam AE MCD­2D) in standar­disierter Form deklarieren. Wenn bei der Applikation viele Messgrößen gleichzeitig und in kurzen Zeitabständen zu messen sind, werden in Entwicklungssteuergeräte zusätzliche, leistungsfähige Applikations­schnittstellen eingebaut [6].

9 Zusammenfassung

Die bisherigen Ergebnisse von Autosar schaffen eine wichtige Grundlage für eine arbeitsteilige Softwareentwicklung.

Die komponentenbasierte und standardi­sierte Architektur vereinfacht die Integ­ration, Skalierung, Änderung und War­tung von Systemen. Im Idealzustand ist der Softwareentwicklungsprozess durch­gängig, transparent und rückgekop­pelt. Standardisierte Datenformate und Schnittstellen ermöglichen den Aus­tausch von Artefakten und eine einfache Integration von Werkzeugen in den Ent­wicklungsprozess.

Auf Basis von Funktionsmodellen las­sen sich komplexe elektronische Fahr­zeugfunktionen mit geeigneten Metho­den und Werkzeugen entwickeln. Wenn Modelle neben der Architektur und den Schnittstellen der Steuergerätesoftware geeignete Informationen aus anderen technischen und logischen Architektur­ebenen enthalten, können komplexe Sys­temwechselwirkungen – wie etwa das Zeitverhalten verteilter Steuerungs­ und Regelungsfunktionen – von Anfang an im Entwurf berücksichtigt werden.

Modellbasierte Entwicklungswerk­zeuge versetzen den Ingenieur in die Lage, Lösungen auf den Abstraktionsebe­nen, die seiner Problemstellung entspre­chen, zu entwickeln. Die modulare Architektur der ECU­Software unterstützt die Applikation von einzelnen Funkti­onen, die mit der Simulation der Funkti­on am PC beginnt und mit der Fahrzeug­integration des Systems endet und dabei stetig verfeinert wird. Auf Basis von Umge­bungsmodellen und Optimierungsverfah­ren kann die Applikation in weiten Teilen automatisiert werden.

Literaturhinweise[1] McKinsey (Hrsg.): HAWK 2015 – Knowledge­based

Changes in the Automotive Value Chain. Deutsch­land (2003)

[2] Bauer, R.; Raste, T.; Rieth, P. E.: Systemvernetzung von Hybridantrieben. ATZelektronik (2) Ausgabe 4, Dezember 2007, S. 6­11

[3] Cuenot, P.; Frey, P.; Johansson, R.; Lönn, H.; Törngren, M.; Sjöstedt, C.J.: Engineering Support for Automotive Embedded Systems – beyond AUTO­SAR. Springer Automotive Media (Hrsg.), FISITA 2008 World Automotive Congress F 2008­05­053

[4] Gupta, M.; Lauff, U.; Wolff, H. J.: Professionelle Umgebung für die Entwicklung von Steuerge­rätesoftware – „ASCET“ V6.0. Hanser automotive (2008) Heft 10, S. 84­87

[5] Triess, B.; Müller, Ch.; Lauff, U.; Mößner, C.: Entwicklung und Applikation von Motor­ und Getriebesteuerungen mit der ETK­Steuergeräte­schnittstelle. ATZ Automobiltechnische Zeitschrift (109) Ausgabe 1, Januar 2007, S. 32­39

[6] Kulzer, A.; Laubender, J.; Lauff, U.; Mößner, D.; Sieber, U.: Der Direktstart – Vom Modell zum Demonstrator. MTZ Motortechnische Zeitschrift (67) Ausgabe 9, September 2006, S. 636­644

[7] Gebhard, M.; Lauff, U.; Schnellbacher, K.: Operation am offenen Herzen – Entwicklung und Test von Steuergerätefunktionen mit der Bypass­methode (Teil 1). Elektronik Automotive (2008) Heft 6, S. 34­39

[8] Dubitzky, W.; Eismann, W.; Schinagel, J.: Entwick­lung und Test von Steuergerätefunktionen mit der Bypassmethode (Teil 2). Wird veröffentlicht in Elek­tronik Automotive (2008) Heft 8

[9] Freund, U.; Lauff, U.; Wolff, H.J.; Ziegenbein, D.: Modellbasierte Entwicklung von Autosar­Anwen­dungssoftware, ATZelektronik (2), Ausgabe 4, Dezember 2007, S. 12­16

[10] Freund, U.; Lauff, U.; Siwy, R.; Wolff, H.J.; Ziegenbein, D.: Sauberer Schnitt – Modellbasierte Entwicklung von Anwendungssoftware mit AUTO­SAR­konformen Schnittstellen, Elektronik Automo­tive (2007) Heft 9, S. 51­55

[11] Schwerin, W.; Jenter, M.: AUTOSAR­Evaluierung bei BMW. RealTimes ETAS Group­Magazin (2007) Heft 2, S. 12­13 (www.etas.com/realtimes)

[12] Lauff, U.: Offen für Autosar. Automobil Elektronik (2008) Heft 1, S. 26­28

[13] Critchely, O.; Tracey, N.: RTA­OSEK erweitert Support für virtuelle Entwicklung um Echtzeit. RealTimes ETAS Group­Magazin (2008) Heft 1, S. 38­39 (www.etas.com/realtimes)

[14] Stix, P.; Wagner, J.: Function Development for FlexRay ECUs. Hanser automotive (2006), Special Edition FlexRay, S. 38­42

[15] Frey, P.; Freund, U.: Integrating Timing Aspects in Model­ and Component­based Embedded Control System Development for Automotive Applications. In: Giese, H.; Huhn, M.; Nickel, U.; Schätz, B. (Hrsg.), Tagungsband Dagstuhl­Workshop MBEES, Informatik­Bericht 2008­02, TU Braunschweig

[16] Wolters, U.; Elbs, M.: New Methods and Practices in Automated Testing of Automotive ECUs. In: Grote, C.; Elster, R. (Hrsg.), Design&Elektronik, Begleittexte zum Entwicklerforum Kfz­Elektronik und FlexRay Solution Day, Poing (2007), S. 165­174

[17] Wittler, G.; Crepin, J.: Real­time and Performance Aspects of Hardware­in­the­Loop (HiL) Testing Systems. ATZ online (www.atzonline.de), Special: Simulation

[18] Bayerl, A.; Wandling, F.; Wolters, U.: FlexRay Residual Bus Simulation on HiL Testing Systems. Hanser automotive (2007), Special Edition FlexRay, S. 6­9

[19] Wittler, G.: PC­Standardtechnologien im praktischen Einsatz für HiL­Testsysteme. In: VDI­Berichte 2009 (Hrsg.), AUTOREG, Düsseldorf (2008), S. 647­655

[20] Lauff, U.; Lochau, S.: Kleine Ethernet­Module messen Signale in Sensornähe. ATZelektronik (1) Ausgabe 4, November 2006, S. 50­55

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