高效能汽車電子設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
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目前在新功能或加強(qiáng)功能的某些趨勢(shì)是增加更復(fù)雜的電子元器件，以便提高品牌聲譽(yù)和競(jìng)爭(zhēng)差異性，同時(shí)讓消費(fèi)者更安全舒適。例如復(fù)合動(dòng)力電動(dòng)車就像把iPod®連接到汽車娛樂(lè)系統(tǒng)一樣，現(xiàn)已成為一種流行時(shí)尚。消費(fèi)者還把手機(jī)與整合型免持聽(tīng)筒裝置之間的藍(lán)牙連結(jié)視為標(biāo)準(zhǔn)配備。
復(fù)雜功能
這些特色僅是冰山一角，其它精心設(shè)計(jì)的復(fù)雜功能雖不會(huì)被乘客看到或摸到，卻會(huì)影響他們的行車經(jīng)驗(yàn)，這些功能也逐漸導(dǎo)入汽車設(shè)計(jì)。感應(yīng)照明系統(tǒng)、多軸調(diào)整座椅、智能型天候控制系統(tǒng)、防撞系統(tǒng)和動(dòng)力巡航控制在21世紀(jì)汽車市場(chǎng)變得格外重要。消費(fèi)者甚至期望車商提供高質(zhì)量的儀表板功能。要將這些先進(jìn)功能導(dǎo)入汽車系統(tǒng)往往需要付出代價(jià)。
汽車電子設(shè)計(jì)人員的一項(xiàng)挑戰(zhàn)是迅速推出新的電子元器件，提高乘客的舒適性、安全保護(hù)和其它加強(qiáng)功能。設(shè)計(jì)人員必須縮短整體的設(shè)計(jì)與認(rèn)證時(shí)間和增強(qiáng)現(xiàn)有系統(tǒng)功能，并且不能影響日益嚴(yán)格的質(zhì)量與可靠性要求和成本目標(biāo)。為了克服這些挑戰(zhàn)，汽車電子設(shè)計(jì)人員需要集成度更高的解決方案以便提高系統(tǒng)的功能密度?；旌闲盘?hào)元器件的高功能集成就是很有吸引力的一項(xiàng)替代方案。
捕捉、運(yùn)算和通訊
幾乎所有的嵌入式汽車電子系統(tǒng)都必須執(zhí)行捕捉、運(yùn)算和通訊等三種功能?！安蹲健笔菑膶?shí)際世界取得信息，再將它轉(zhuǎn)為數(shù)字形式。這可能是車胎監(jiān)控系統(tǒng)的壓力傳感器所傳來(lái)的模擬電壓，或是碰撞偵測(cè)感應(yīng)器I/O接腳的上升沿波形，這個(gè)感應(yīng)器可能會(huì)連接到安全氣囊的觸發(fā)系統(tǒng)?！斑\(yùn)算”是指在應(yīng)用環(huán)境下處理數(shù)字信息的能力，例如安全氣囊控制器可能在極短時(shí)間內(nèi)就決定不啟動(dòng)安全氣囊，因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)座位上有小孩?！巴ㄓ崱笔侵笇⑻幚斫Y(jié)果傳送給其它需要該信息的系統(tǒng)，譬如啟動(dòng)指示燈就是很簡(jiǎn)單的例子。其它復(fù)雜功能可能會(huì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)總線把排氣系統(tǒng)的一氧化碳含量告知引擎管理計(jì)算機(jī)，以便提高燃油的氧氣混合比例。解決方案的有效性最終將由系統(tǒng)執(zhí)行這三種功能的程度決定。
新設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
油箱感測(cè)是一個(gè)很好例子，說(shuō)明汽車電子設(shè)計(jì)人員所須面對(duì)的挑戰(zhàn)。僅在幾年前，油量傳感器還是一個(gè)相當(dāng)直接的設(shè)計(jì)問(wèn)題。它包含一個(gè)簡(jiǎn)單的浮筒裝置，上面有掃描式碳刷接觸著電阻性表面，它會(huì)使得模擬輸出電壓正比于油箱的剩余油量。但對(duì)今日汽車而言，通常必須等到平臺(tái)設(shè)計(jì)快結(jié)束時(shí)才會(huì)開(kāi)始油箱設(shè)計(jì)，而且多半要利用任何尚未使用的空間。這可能使得油箱的形狀怪異，容量也不再與液面高低成正比，這會(huì)讓浮筒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得很復(fù)雜。更重要的是，替代燃料的出現(xiàn)和燃料衍生物讓油箱的燃料成份變得很重要。舉例來(lái)說(shuō)，汽油與乙醇燃料的比例會(huì)影響點(diǎn)火、燃燒時(shí)間和廢氣排放等引擎動(dòng)力特性。廠商現(xiàn)已認(rèn)為新一代油箱傳感器必須能決定燃油成份，同時(shí)將這項(xiàng)信息提供給汽車的其它電子控制系統(tǒng)。這使得過(guò)去被認(rèn)為很簡(jiǎn)單的感測(cè)設(shè)計(jì)現(xiàn)已變?yōu)橐环N復(fù)雜的分析控制挑戰(zhàn)。
值得注意的是，幾乎車內(nèi)的所有系統(tǒng)都在擴(kuò)充功能。主動(dòng)式露點(diǎn)(dew-point)控制器正在取代擋風(fēng)玻璃除霧功能，它可以避免或排除水滴凝結(jié)所需的條件。雨水感應(yīng)雨刷系統(tǒng)則會(huì)把馬達(dá)控制和雨水感應(yīng)功能整合為一套系統(tǒng)。下一代防夾車窗與天窗的關(guān)閉則是這些安全系統(tǒng)的微電子元器件所需整合的另一代表性應(yīng)用。
第一代防夾技術(shù)
第一代防夾設(shè)計(jì)通常包含一套由電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。馬達(dá)電流由一顆控制器監(jiān)測(cè)，然后與代表失速狀態(tài)(stallcondition，亦即馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)受阻)的固定臨界值比較；只要達(dá)到該臨界值，車窗方向就會(huì)從上升反轉(zhuǎn)為下降。這套系統(tǒng)如圖1所示。
圖1：第一代防夾車窗升降系統(tǒng)的控制圖
第一代設(shè)計(jì)有幾項(xiàng)缺點(diǎn)。首先是要開(kāi)發(fā)一套方法分辨馬達(dá)啟動(dòng)和車窗受阻時(shí)的馬達(dá)失速電流(圖2和3)。為了達(dá)到這項(xiàng)要求，比較電路中增加一段固定延遲時(shí)間，確保它只在馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)后才開(kāi)始比較失速電流臨界值，只不過(guò)這種做法有時(shí)無(wú)法為半開(kāi)的車窗提供防夾保護(hù)。舉例來(lái)說(shuō)，如果車窗的起始位置僅距頂端10毫米，那么在臨界定時(shí)器的計(jì)時(shí)結(jié)束前，車窗很可能早已撞到頂端的擋板(hard-stop)。
圖2：關(guān)閉車窗時(shí)的電流變化
圖3：關(guān)閉車窗遇到阻礙時(shí)的電流變化
第二個(gè)缺點(diǎn)是機(jī)械系統(tǒng)的參數(shù)會(huì)隨著時(shí)間改變，這會(huì)影響馬達(dá)的工作負(fù)載，使得防夾臨界值變大或變小。
最后，這些系統(tǒng)由于使用固定臨界值，所以無(wú)法適應(yīng)行車環(huán)境的改變。車窗密封條的熱膨脹效應(yīng)會(huì)讓溫度變化對(duì)工作負(fù)載產(chǎn)生很大影響。汽車靜止時(shí)關(guān)閉天窗所需的力量與行駛中車輛有很大不同，在平滑路面升起車窗所需的力量也不同于車輛在石頭路上行駛時(shí)。在這兩種情形中，無(wú)法補(bǔ)償這些變動(dòng)的狀況都會(huì)影響安全或造成車窗無(wú)法正常操作。
設(shè)計(jì)人員過(guò)去是以不同方式應(yīng)付這三項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。在有些情形下，他們會(huì)增加更多的傳感器或使用更精確的控制材料與元器件來(lái)減輕這些問(wèn)題，但這些方法都會(huì)增加設(shè)計(jì)的成本與復(fù)雜性。這使他們?nèi)找嫘枰惶椎统杀镜姆缞A功能設(shè)計(jì)來(lái)克服這些缺點(diǎn)。
新的設(shè)計(jì)解決方案
如圖4所示，一顆包含高速中央處理單元(CPU)和高效能模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(亦即帶寬大于180MSPS和分辨率超過(guò)12位)的混合信號(hào)微控制器是此問(wèn)題的最佳解決方案。
圖4：采用混合信號(hào)微控制器的防夾系統(tǒng)
這種做法讓設(shè)計(jì)人員利用一顆微控制器同時(shí)執(zhí)行馬達(dá)的通訊功能和監(jiān)控馬達(dá)電流。通訊噪聲可由芯片內(nèi)建的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器直接在馬達(dá)電源電路的電流傳感器(亦即分流電阻)上偵測(cè)。這種方法能更精確分辨馬達(dá)處于轉(zhuǎn)動(dòng)或失速狀態(tài)，不僅比較器電路不需再增加一段固定延遲時(shí)間，就算車窗已經(jīng)半開(kāi)也可提供完整的防夾功能。
如圖5所示，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和參數(shù)計(jì)算結(jié)果設(shè)定可變的馬達(dá)電流臨界值，以便動(dòng)態(tài)響應(yīng)馬達(dá)負(fù)載變動(dòng)和將系統(tǒng)扭力限制在適當(dāng)范圍，同時(shí)將長(zhǎng)期因素(例如馬達(dá)磨損和密封材料老化)和短期因素(例如環(huán)境、濕度、溫度和振動(dòng))都列入考慮。另外，系統(tǒng)還能與其它的電子控制裝置(ECU)交換信息，把外界溫度和車速等信息當(dāng)成加權(quán)輸入來(lái)決定適當(dāng)?shù)呐R界值(參考圖6)。利用其它系統(tǒng)不僅會(huì)提高整體系統(tǒng)效能，還能避免在車上重復(fù)安裝傳感器的額外成本。
圖5：使用可變臨界值后的車窗關(guān)閉過(guò)程電流變化
圖6：存儲(chǔ)在內(nèi)存表格的環(huán)境參數(shù)與歷史數(shù)據(jù)，它們可用來(lái)決定臨界值
增長(zhǎng)市場(chǎng)
汽車應(yīng)用占8位微控制器銷售額的三分之一，不僅市場(chǎng)規(guī)模已超過(guò)30億美元，每年還以將近10%的速率增長(zhǎng)。汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須發(fā)展更可靠、更低成本和更高集成性的解決方案，因此需要最先進(jìn)的微電子建構(gòu)方塊供他們使用。對(duì)這類下一代汽車電子應(yīng)用來(lái)說(shuō)，兼具強(qiáng)大模擬與數(shù)字效能的混合信號(hào)微控制器正是最符合成本效益的解決方案。
評(píng)論