高效能汽車電子設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

消費(fèi)者的買車習(xí)慣正在轉(zhuǎn)變，這也帶動(dòng)了汽車電子產(chǎn)業(yè)的增長(zhǎng)。汽車制造商每年都為載客車輛增加更多新型或加強(qiáng)型電子元器件，使得車身電子系統(tǒng)目前的增長(zhǎng)率比汽車產(chǎn)量還高出四倍。

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。“捕捉”是從實(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)。“運(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。“通訊”是指將處理結(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。舉例來說，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)后才開始比較失速電流臨界值，只不過這種做法有時(shí)無法為半開的車窗提供防夾保護(hù)。舉例來說，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法正常操作。

設(shè)計(jì)人員過去是以不同方式應(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減輕這些問題，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12位)的混合信號(hào)微控制器是此問題的最佳解決方案。

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)用來說，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。