高效能汽车电子设计挑战

    消费者的买车习惯正在转变，这也带动了汽车电子产业的增长。汽车制造商每年都为载客车辆增加更多新型或加强型电子元器件，使得车身电子系统目前的增长率比汽车产量还高出四倍。
 
    目前在新功能或加强功能的某些趋势是增加更复杂的电子元器件，以便提高品牌声誉和竞争差异性，同时让消费者更安全舒适。例如复合动力电动车就像把iPod®连接到汽车娱乐系统一样，现已成为一种流行时尚。消费者还把手机与整合型免持听筒装置之间的蓝牙连结视为标准配备。
 
复杂功能
    这些特色仅是冰山一角，其它精心设计的复杂功能虽不会被乘客看到或摸到，却会影响他们的行车经验，这些功能也逐渐导入汽车设计。感应照明系统、多轴调整座椅、智能型天候控制系统、防撞系统和动力巡航控制在21世纪汽车市场变得格外重要。消费者甚至期望车商提供高质量的仪表板功能。要将这些先进功能导入汽车系统往往需要付出代价。
 
    汽车电子设计人员的一项挑战是迅速推出新的电子元器件，提高乘客的舒适性、安全保护和其它加强功能。设计人员必须缩短整体的设计与认证时间和增强现有系统功能，并且不能影响日益严格的质量与可靠性要求和成本目标。为了克服这些挑战，汽车电子设计人员需要集成度更高的解决方案以便提高系统的功能密度。混合信号元器件的高功能集成就是很有吸引力的一项替代方案。
 
捕捉、运算和通讯
    几乎所有的嵌入式汽车电子系统都必须执行捕捉、运算和通讯等三种功能。“捕捉”是从实际世界取得信息，再将它转为数字形式。这可能是车胎监控系统的压力传感器所传来的模拟电压，或是碰撞侦测感应器I/O接脚的上升沿波形，这个感应器可能会连接到安全气囊的触发系统。“运算”是指在应用环境下处理数字信息的能力，例如安全气囊控制器可能在极短时间内就决定不启动安全气囊，因为它发现座位上有小孩。“通讯”是指将处理结果传送给其它需要该信息的系统，譬如启动指示灯就是很简单的例子。其它复杂功能可能会通过网络总线把排气系统的一氧化碳含量告知引擎管理计算机，以便提高燃油的氧气混合比例。解决方案的有效性最终将由系统执行这三种功能的程度决定。
 
新设计挑战
    油箱感测是一个很好例子，说明汽车电子设计人员所须面对的挑战。仅在几年前，油量传感器还是一个相当直接的设计问题。它包含一个简单的浮筒装置，上面有扫描式碳刷接触着电阻性表面，它会使得模拟输出电压正比于油箱的剩余油量。但对今日汽车而言，通常必须等到平台设计快结束时才会开始油箱设计，而且多半要利用任何尚未使用的空间。这可能使得油箱的形状怪异，容量也不再与液面高低成正比，这会让浮筒系统的设计变得很复杂。更重要的是，替代燃料的出现和燃料衍生物让油箱的燃料成份变得很重要。举例来说，汽油与乙醇燃料的比例会影响点火、燃烧时间和废气排放等引擎动力特性。厂商现已认为新一代油箱传感器必须能决定燃油成份，同时将这项信息提供给汽车的其它电子控制系统。这使得过去被认为很简单的感测设计现已变为一种复杂的分析控制挑战。
 
    值得注意的是，几乎车内的所有系统都在扩充功能。主动式露点 (dew-point) 控制器正在取代挡风玻璃除雾功能，它可以避免或排除水滴凝结所需的条件。雨水感应雨刷系统则会把马达控制和雨水感应功能整合为一套系统。下一代防夹车窗与天窗的关闭则是这些安全系统的微电子元器件所需整合的另一代表性应用。
 
第一代防夹技术
    第一代防夹设计通常包含一套由电动马达驱动的机械驱动系统。马达电流由一颗控制器监测，然后与代表失速状态 (stall condition，亦即马达转动受阻) 的固定临界值比较；只要达到该临界值，车窗方向就会从上升反转为下降。这套系统如图1所示。

            图1：第一代防夹车窗升降系统的控制图
 
    第一代设计有几项缺点。首先是要开发一套方法分辨马达启动和车窗受阻时的马达失速电流 (图2和3)。为了达到这项要求，比较电路中增加一段固定延迟时间，确保它只在马达转动后才开始比较失速电流临界值，只不过这种做法有时无法为半开的车窗提供防夹保护。举例来说，如果车窗的起始位置仅距顶端10毫米，那么在临界定时器的计时结束前，车窗很可能早已撞到顶端的挡板 (hard-stop)。 
 

图2：关闭车窗时的电流变化

图3：关闭车窗遇到阻碍时的电流变化
 
     第二个缺点是机械系统的参数会随着时间改变，这会影响马达的工作负载，使得防夹临界值变大或变小。
 
    最后，这些系统由于使用固定临界值，所以无法适应行车环境的改变。车窗密封条的热膨胀效应会让温度变化对工作负载产生很大影响。汽车静止时关闭天窗所需的力量与行驶中车辆有很大不同，在平滑路面升起车窗所需的力量也不同于车辆在石头路上行驶时。在这两种情形中，无法补偿这些变动的状况都会影响安全或造成车窗无法正常操作。
 
    设计人员过去是以不同方式应付这三项重要挑战。在有些情形下，他们会增加更多的传感器或使用更精确的控制材料与元器件来减轻这些问题，但这些方法都会增加设计的成本与复杂性。这使他们日益需要一套低成本的防夹功能设计来克服这些缺点。
 
新的设计解决方案
    如图4所示，一颗包含高速中央处理单元 (CPU) 和高效能模拟数字转换器 (亦即带宽大于180MSPS和分辨率超过12位) 的混合信号微控制器是此问题的最佳解决方案。

图4：采用混合信号微控制器的防夹系统
 
     这种做法让设计人员利用一颗微控制器同时执行马达的通讯功能和监控马达电流。通讯噪声可由芯片内建的模拟数字转换器直接在马达电源电路的电流传感器 (亦即分流电阻) 上侦测。这种方法能更精确分辨马达处于转动或失速状态，不仅比较器电路不需再增加一段固定延迟时间，就算车窗已经半开也可提供完整的防夹功能。
 
    如图5所示，系统会根据历史数据和参数计算结果设定可变的马达电流临界值，以便动态响应马达负载变动和将系统扭力限制在适当范围，同时将长期因素 (例如马达磨损和密封材料老化) 和短期因素 (例如环境、湿度、温度和振动) 都列入考虑。另外，系统还能与其它的电子控制装置 (ECU) 交换信息，把外界温度和车速等信息当成加权输入来决定适当的临界值 (参考图6)。利用其它系统不仅会提高整体系统效能，还能避免在车上重复安装传感器的额外成本。 
 

图5：使用可变临界值后的车窗关闭过程电流变化

图6：存储在内存表格的环境参数与历史数据，它们可用来决定临界值
 
增长市场
    汽车应用占8位微控制器销售额的三分之一，不仅市场规模已超过30亿美元，每年还以将近10%的速率增长。汽车嵌入式系统设计人员必须发展更可靠、更低成本和更高集成性的解决方案，因此需要最先进的微电子建构方块供他们使用。对这类下一代汽车电子应用来说，兼具强大模拟与数字效能的混合信号微控制器正是最符合成本效益的解决方案。