1 Einleitung

Die vielfältigen, innovativen Funktionenneuer Kraftfahrzeuge erfordern die schnel-le und zuverlässige Übertragung großerDatenmengen, Bild 1. In den BereichenKommunikation und Unterhaltung habenDatenbussysteme mit optischer Signalü-bertragung die Einführung einer neuenKommunikations- und Infotainment-Infra-struktur im Kraftfahrzeug ermöglicht. Die-se gestattet durch die Verknüpfung unter-schiedlicher Geräte eine bisher unbekannteFunktionsvielfalt und Bedienungsergono-mie und trägt dem Strukturwandel, der ge-rade in diesem Bereich während der letztenJahre stattgefunden hat, Rechnung [1].

Multimedia im Automobil heißt unteranderem, alle notwendigen Signale fürzum Beispiel Video und Audio störungsfreiin der oft recht rauhen Automobilumge-bung zu übertragen. Hierbei bewähren sichdie optischen Netzwerke nun schon seit ei-nigen Jahren in Serienfahrzeugen.

Die Vorzüge optischer Bussysteme be-stehen hierbei nicht nur in der effektivenÜbertragung relativ hoher Datenraten,auch die EMV-Störsicherheit und das gegenein vergleichbares Kupferkabel geringereGewicht des Kunststofflichtwellenleitersspielen eine wesentliche Rolle.

2 Anmerkungen zur optischenSignalübertragung

Die digitale Übertragung von optischenSignalen ist natürlich eine seit Jahrzehnten

verfügbare Technologie. Die besondereHerausforderung war und ist die spezifi-sche Anpassung an die Umgebungsbedin-gungen. Hierbei ist unter anderem die Aus-wahl der Lichtwellenleiter, der Verbin-dungstechnik und der optoelektronischenWandler (FOT) von zentraler Bedeutung.

Grundsätzlich eignen sich für die opti-sche Signalübertragung Glas- oder Kunst-stofflichtwellenleiter. Verschiedene Typenvon Glaslichtwellenleitern werden vor-nehmlich in Computer- und Telekommuni-kationsnetzwerken eingesetzt und habenVorteile hinsichtlich Bandbreite, Hitzebe-ständigkeit und optischer Dämpfung.

Die Nachteile bei den Kosten für die Ver-bindungstechnik und die bisher noch rela-tiv aufwändige Verarbeitungstechnik er-schweren den Einsatz im Automobil.

In den bisher im Serieneinsatz befindli-chen optischen Multimedia BussystemenD2B und MOST werden ausschließlichKunststofflichtwellenleiter (Polymer Opti-cal Fiber/ POF) auf Basis PMMA eingesetzt.Die Verbindungstechnik ist auf Grund desrelativ großen Faserdurchmessers (1 mm)kostengünstig. Auch die Verarbeitungs-technik konnte in den letzten Jahren ent-scheidend optimiert werden, so dass heuteeine Vielzahl von Techniken zur Faserend-flächenbearbeitung und für die Befesti-gung der optischen Kontakte am Kunst-stofflichtwellenleiter zur Verfügung steht.

Die Grundforderungen an alle optischenNetzwerke sind weiterhin die präzise Verle-gung der Lichtwellenleiter unter Vermei-dung kleiner Biegeradien, eine hohe Ober-

ENTWICKLUNG Elektronik

Die Anwendung optischer Bussysteme für die Übertragung vonMultimedia Daten im Automobil hat sich bei mehreren führen-den Automobilherstellern durchgesetzt. Tyco Electronics bietethierzu eine breite Produktpalette von Verbindungskomponentenund Techniken für den globalen Automobilmarkt an. Eine Nut-zung der Technik und des Know-How für künftige Netzwerkan-wendungen, wie zum Beispiel IEEE/Fire Wire (IDB-1394), wirdangestrebt.

Optische Bussysteme für Multimedia-Anwendungen in Automobilen

Dipl.-Ing. Andreas Engel istManager New Systems Application bei Tyco Electronics in Bensheim.

Die Autoren

Peter McCarthy ist GlobalProduct Manager – FibreOptics – Global AutomotiveDivision bei Tyco Electro-nics in Bensheim.

flächengüte der Faserendflächen, die exak-te Positionierung sowie die zuverlässige Fi-xierung der optischen Faser. Darüber hin-aus gelten die bekannten Forderungen andie Steckverbindersysteme, wie kleine Ab-messung, geringes Gewicht und robusteAuslegung.

Hinsichtlich der optoelektronischenWandler (FOT) stehen auch verschiedeneautomotivetaugliche Systeme für verschie-dene Datenraten zur Verfügung.

3 Standards bei optischen Datenbussystemen im Kraftfahrzeug

Zur Serieneinführung optischer Netzwerkewurde von einem Firmenkonsortium unterBeteiligung von Tyco Electronics AMP dasBussystem D2B (Domestic Digital Bus) ent-wickelt. Dieses kam bei der S-Klasse vonDaimlerChrysler erstmals zum Einsatz, umAutoradio, Navigationssystem, Verstärker,CD-Wechsler, Sprachbediensystem und Au-totelefon zu verbinden.

MOST (Media Oriented Systems Trans-port) ist das Arbeitsergebnis eines Konsor-

1 Einleitung

Bild 1: Netzwerke im KraftfahrzeugFigure 1: Network in motor vehicles

Bild 2: MOST-Geräte im Ringverbund – Control Center, Media Player(Harmann/Becker), Video Modul (OASIS) und Bildschirm; Tyco LWL-VerbindungstechnikFigure 2: MOST components in ring circle – Control Center, Media Player (Harmann/Becker), Video Module (OASIS) and sreen, Tyco LWL – Connecting Technology

3 Standards bei optischen Datenbussystemen im Kraftfahrzeug

tiums internationaler Automobilherstellerund Zulieferer. Die topologische Strukturdes Netzwerks ist wie bei D2B ein Ring, Bild2. Die Lichtsignale werden über Kunststoff-lichtwellenleiter von einem angeschlosse-nen Gerät zum nächsten transportiert unddort in elektrische Signale transformiert,die der MOST-Prozessor weiterverarbeitet.Die aufbereiteten Signale werden dann voneiner LED wieder in optische Signale umge-wandelt.

Neben einer hohen Datenrate von 24,8Mbit/s erfüllt MOST weitere wichtige An-forderungen [1].

Die Verbindung vom MOST-Prozessordes jeweiligen Geräts zum MOST-Prozessordes nächsten Geräts erfolgt durch das opti-sche Netzwerk des Datenbussystems.

Zur Verbindungstechnik zählt die An-bindung der FOT (Fiber Optic Transceiver)an den MOST-Prozessor auf der Gerätelei-terplatte, die Ankopplung der Lichtwellen-leiter an die FOTs, alle notwendigen opti-schen Gerätesteckverbinder und Kupplun-gen sowie der Lichtwellenleiter selbst [3],Bild 3.

4 Komponenten für den Multimedia-MOST-Bus

Die FOT- (Fiber Optic Tranceiver-) Elementefür den MOST-Bus bestehen aus einemhochintegrierten CMOS-IC und einer High-speed-PIN-Diode. Mit diesen Bauelementenlassen sich Datenraten bis zu 25 Mbit/sübertragen.

Schon zu Beginn der Entwicklung derentsprechenden Verbindungstechnik warklar, dass nur mit verschiedenen Kombina-tionen von Hybridsteckverbindern nahezualle Anwendungsfälle abgedeckt werdenkönnen. Tyco Electronics stellt derzeit einkomplettes „Baukastensystem“ entspre-chend den in der MOST-Cooperation defi-nierten Schnittstellen zur Verfügung, Bild4. Das Angebot reicht von Standardmodu-len mit jeweils 2 optischen Kontakten undwahlweise 4, 12, oder 20 elektrischen Kon-takten über die reine optische Ankopplungmit 2 optischen Kontakten bis zum VDA-Radioanschlussstecker mit maximal 4 opti-schen und 40 elektrischen Kontakten.

Für spezielle Anforderungen, wie beisehr begrenztem Bauraum im Gerät, wurdeein so genannter „Micropigtail“-Anschluss-steckverbinder entwickelt, Bild 5. DiesesBauteil verbindet zwei optische Kontaktemit dem jeweiligen Steuergerät und ver-eint damit den Vorteil der minimalen Bau-größe mit der vollen Kompatibilität zurMOST 2+0 Schnittstelle.

Das integrierte Schirmblech dient so-wohl für die mechanische Halterung derFOT (Fiber Optic Tranceiver) am Steckver-

ENTWICKLUNG Elektronik

3 Standards bei optischen Datenbussystemen im Kraftfahrzeug

Bild 3: Für das neue Optical Network System MOST steht ein kompletterBaukasten standardisierter Bauelemente zur VerfügungFigure 3: A complete building block of standardised components for thenew optical network MOST System is available

Bild 4: MOST-Standardmodule 2+0 und 2+12Figure 4: MOST standard modules 2+0 and 2+12

4 Komponenten für den Multimedia-MOST-Bus

Bild 5: Anschlusssteckverbinder „Micropigtail“ mit Kabelbaumstecker undzwei LichtwellenleiternFigure 5: Plug and socket connector "Micropigtail” with cable tree connectorand two fibre optics

binder, als auch zum Schutz vor elektri-schem und optischem Übersprechen zwi-schen Sender und Empfänger. Zusätzlichunterbindet es wirksam EMV Ein- und Ab-strahlung.

Neu im Komponentenprogramm ist ei-ne Diagnoseschnittstelle für Prüfzweckewährend der Inbetriebnahme des Fahr-zeugs und im Servicefall, Bild 6. Gegenwär-tig wird hierzu eine Schleife des Kunststoff-lichtwellenleiters verwendet. Denkbar sindin Zukunft, vor allem in Hinblick auf Bau-raumreduzierung und Verminderung deroptischen Dämpfung, auch verschiedeneAlternativkonzepte. Dieses Bauteil kannüberall im Fahrzeug an gut zugänglichenStellen in den MOST-Ring eingefügt wer-den. Nicht nur zur Überprüfung des Netz-werks ist es gut anwendbar, auch die leich-te und kostengünstige Erweiterung der

Fahrzeugausstattung mit zusätzlichenGeräten kann so vorbereitet werden.

5 Perspektive für neue optischeBussysteme

Zu den derzeit in Serie befindlichen opti-schen Multimedia Bussystemen D2B undMOST wird mit hoher Wahrscheinlichkeitin Zukunft noch ein drittes System hinzu-kommen.

Die Normungsaktivitäten der 1394 TradeAssociation (IDB-1394) zur Normung des IE-EE/Fire Wire Bussystems für die Automobi-lanwendung sind recht weit fortgeschrit-ten. Neben verschiedenen Definitionenvom Powermanagement bis zum komplet-ten Testprogramm wurden auch optischeSchnittstellen und Inlineverbinder defi-niert.

Tyco Electronics hat diese Ideen aufge-griffen, arbeitet sehr intensiv in den ent-sprechenden Normungsgremien mit undhat Steckverbinderkonzepte und Prototy-pen bereits verfügbar. Mögliche Steckver-binderkonzepte werden in Bild 7 und Bild 8gezeigt.

Besonders wichtig erscheint uns hier,auf bereits erworbene Praxiserfahrungzurückgreifen zu können. Wir sehen bei derRealisierung des IDB-1394 Bussystems nochfolgende Herausforderungen:■ Automotiv taugliche FOT (Fiber OpticTranceiver)

Es liegen bereits Konzepte und Prototy-pen vor. Wichtig ist aus unserer Sicht die Er-füllung aller Anforderungen (wie Betriebs-temperatur – 40 bis + 85 °C) und die neu-trale Verfügbarkeit der Produkte und Tech-nologien.

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(Ohm)

(MHz)

Wellenwiderstand (Ohm)

125.0

120.0

115.0

110.0

105.0

100.0

95.0

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Hier sollten Aspekte wie Steck- undZiehkräfte, Kontaktsicherungen, Kojiri-Si-cherheit und optimale Koppeltoleranzen

zur Erfüllung des Powerbudgets voll miteingearbeitet werden. Wir wollen maxima-le Flexibilität, das heißt sowohl einteilige(fix-ferrule) als auch mehrteilige (loose-fer-rule) Lösungen sollten realisierbar sein.

Sehr gut können hier die bekannten Ver-arbeitungstechnologien zur Befestigungoptischer Kontakte am Lichtwellenleiterwie Laserschweißen, Crimpen und Ultra-schallschweißen angewendet werden.■ Automotiv erprobte Lichtwellenleiter

Mit der Erfahrung von vier Jahren Seri-eneinsatz beim D2B-System und nunmehreinem Jahr Serieneinsatz bei MOST undByteflight hat die POF (Polymer Optical Fi-ber) ihre Praxistauglichkeit in automobilerUmgebung für viele führende Automobil-hersteller bewiesen. Auf Grund der Initiati-ve von Tyco Electronics und weiterer Fir-men in der IDB-1394 Normung konnte diezusätzliche Aufnahme der POF mit NA (Nu-merische Apertur) von 0,5 in den Standarderreicht werden, das heißt, alle MOST- undByflight-Lichtwellenleiter können auchhier verwendet werden.

Zusammenfassend kann man sagen,dass bei dem derzeit vorhanden Know-howund den positiven Praxiserfahrungen dieoptischen Bussysteme eine feste Größe inder Automobiltechnik geworden sind.

Eine Weiterentwicklung hinsichtlichSteigerung der Datenraten, Erhöhung derEinsatztemperatur und Anpassung an rau-here Umgebung, wie Motorraumanwen-dungen, steht für die nächste Zukunft an.

Gelingt die Meisterung dieser Heraus-forderungen, kann die optische Übertra-gungstechnik zukünftig nicht nur Multi-media und Sicherheitsanwendungen un-terstützen, sondern auch weitere Anwen-dungsbereiche wie „X-by-Wire“, Motor-Fahrwerks- und Sicherheitsfunktionen ab-decken.

Literaturhinweise

[1] Schramm, D.; Engel, A.: Optisches Bussystemfür automobile Netzwerke. F&M. München:Carl Hanser Verlag, 2000

[2] Berwanger, J.; Grießbach, R.; Peller, Martin:Byteflight – neues Hochsicherheits-Datenbus-system für sicherheitsrelevante Anwendun-gen. In: Automotive Electronics, Januar 2000

[3] Schramm, D.; Engel, A.: Optisches Bussyste-me als Basis für neue Funktionen im Kraftfahr-zeug. F&M. München: Carl Hanser Verlag,2002

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4 Komponenten für den Multimedia-MOST-Bus

Bild 6: Diagnoseschnittstelle MOST mit Staubschutzkappe Figure 6: Diagnose interface MOST with dust protecting cap

5 Perspektive für neue optische Bussysteme

Bild 7: Entwurfeines optischenGeräteanschlus-ses nach IDB-1394/Schnittdar-stellungFigure 7: Draft ofan optical com-ponent connec-tor in accord-ance with IDB-1394/sectioning

Bild 8: Entwurfeines optischenGeräteanschlus-ses nach IDB-1394/Explosions-darstellungFigure 8: Draft ofan optical com-ponent connec-tor in accord-ance with IDB-1394/explosionmap