車輛系統(tǒng)兩性化 未來智能汽車將有5大技術(shù)趨勢
據(jù)美國交通部稱,僅在美國,機(jī)動車每年的行駛里程數(shù)就超過了4萬億英里。為了理解這一數(shù)字所代表的距離,想象一下光從太陽到達(dá)地球大約需要8分鐘,但走完美國機(jī)動車每年行駛的里程則需要8個多月。以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)并不代表人們渴望在路上花更多時間,而是表述汽車在日常生活中扮演的核心角色。由于角色重要,人們越來越期待車輛系統(tǒng)更安全,其提供的個人化輔助和易用性水平也能像機(jī)動車駕駛員和乘客的手機(jī)和平板電腦提供的一樣。
消費(fèi)者需求和競爭壓力促使廠商提高汽車、卡車及其它公路車輛的智能化水平。例如,雪佛蘭沃藍(lán)達(dá)(ChevyVolt)汽車中使用了近100個微處理器,共運(yùn)行約1000萬條代碼,使得雪佛蘭沃藍(lán)達(dá)的軟件運(yùn)用比波音787夢幻客機(jī)、以前的航天飛機(jī)和當(dāng)代的噴氣式戰(zhàn)機(jī)還豐富。在這種電動汽車?yán)?,主流的汽車設(shè)計越來越依賴更加復(fù)雜精細(xì)的電子系統(tǒng)。
今天,設(shè)計師們可以利用各種日益強(qiáng)大的硬件和軟件技術(shù)來創(chuàng)建更復(fù)雜全面的汽車解決方案。結(jié)合AUTOSAR(AUTomotiveOpenSystemArchitecture,汽車開放體系結(jié)構(gòu))等基于標(biāo)準(zhǔn)的平臺,制造商們可以將各種汽車子系統(tǒng)混合及匹配,滿足特定的成本、性能和功能要求。實(shí)際上,汽車技術(shù)的進(jìn)步接踵而至,但最顯著的進(jìn)步主要以汽車技術(shù)領(lǐng)域的五種關(guān)鍵趨勢為中心。
技術(shù)趨勢1:先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)
ADAS基于嵌入式可視技術(shù),其設(shè)計旨在降低駕駛過程本身中駕駛員的負(fù)擔(dān)。根據(jù)這種概念,可視系統(tǒng)圍繞在車輛周圍,旨在形成保護(hù)車輛免受駕駛員失誤、道路障礙、其它車輛和行人等影響的保護(hù)罩。利用其視覺處理能力,這些系統(tǒng)為車上安全系統(tǒng)提供識別和追蹤信息,實(shí)現(xiàn)車道偏離告警、防撞、駕駛員疲勞檢測和其它更多保護(hù)功能。
嵌入式視覺系統(tǒng)的識別和實(shí)時跟蹤能力傳統(tǒng)上需要圖像捕獲和處理技術(shù)領(lǐng)域高度專業(yè)化的知識。如今,很多資源能幫助我們簡化這些復(fù)雜視覺系統(tǒng)的開發(fā)。專業(yè)視覺處理器、多核CPU和視覺軟件庫的組合,讓每個工程師都擁有了復(fù)雜視覺的能力。事實(shí)上,多種開發(fā)工具套件,例如安富利的Blackfin嵌入式視覺啟動套件等,都能通過提供構(gòu)建這些解決方案所需要的全套硬件、軟件和測試功能,顯著降低視覺式系統(tǒng)的準(zhǔn)入門檻。
技術(shù)趨勢2:先進(jìn)電機(jī)控制
除初級驅(qū)動電機(jī)外,高級汽車還裝配了驅(qū)動各類油泵、風(fēng)扇、壓縮機(jī)、旋轉(zhuǎn)器、制動器和自動駕駛裝置的專用電機(jī)控制系統(tǒng)。大多數(shù)情況下,受效率和控制能力最大化的渴望推動,工程師們漸漸舍棄傳統(tǒng)的標(biāo)量控制系統(tǒng),轉(zhuǎn)而采用更復(fù)雜的數(shù)字矢量控制算法,以提供最大扭矩并且加/減速的速率精確受控。新興的無感控制方式進(jìn)一步促成更多高性價比解決方案出現(xiàn),為工程師提供駕馭先進(jìn)級矢量控制方法強(qiáng)大力量的最大化電機(jī)能力。
復(fù)雜的電機(jī)控制方法提供極大靈活性,但對設(shè)計師而言充滿挑戰(zhàn)。實(shí)際上,要使矢量控制設(shè)計的電機(jī)在任何極端情況下能都穩(wěn)定工作,就需要高度專業(yè)化的知識,并且在開發(fā)周期較短時往往會陷入困境。Zynq?-7000AllProgrammableSoC/AnalogDevices智能驅(qū)動套件等開發(fā)套件的出現(xiàn),極大地簡化了這些技術(shù)的應(yīng)用(圖1)。智能驅(qū)動套件包含一整套開發(fā)軟件、電機(jī)控制參考設(shè)計和大氣污染,還包括最新的AnalogDevices數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和基于ARMCortex-A9雙核處理器的XilinxZynq-7000AllProgrammableSoC。
德州儀器(TexasInstruments)采用其基于C2000的PiccoloMCU系列,進(jìn)一步將電機(jī)控制功能壓縮到單芯片解決方案內(nèi)。德州儀器這些專門的MCU在片上ROM中集成了該公司的InstaSPIN電機(jī)控制軟件解決方案,進(jìn)一步縮短這些復(fù)雜應(yīng)用的開發(fā)周期。
技術(shù)趨勢3:引擎/能源管理系統(tǒng)
人們對更遠(yuǎn)行駛距離和更低燃料成本的渴望,提升了在車輛銷售時,每加侖行駛英里數(shù)額定指標(biāo)的重要性,也刺激引擎管理向高效數(shù)字化系統(tǒng)轉(zhuǎn)化發(fā)展。除了在電動和混合動力汽車中提供嚴(yán)格安全的電池監(jiān)控功能,管理系統(tǒng)還為優(yōu)化燃油或電池能量利用率提供所需的能量監(jiān)測、分析和控制。
當(dāng)在全車分散布設(shè)控制系統(tǒng)成為電機(jī)控制技術(shù)的趨勢時,引擎管理的方式卻是將信息從外設(shè)向中央控制器集中。因此,這些管理系統(tǒng)面對的困難,是將來自動力傳動系統(tǒng)的實(shí)時傳感器測量數(shù)據(jù),與燃料或能量單元使用的復(fù)雜模型相協(xié)調(diào),以優(yōu)化整體工作狀態(tài)。
對設(shè)計人員而言,一系列廣泛的車用傳感器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和微處理器為這些解決方案提供了主要部件。NXP半導(dǎo)體的MC33975這類的器件配合集成的MCU,可實(shí)現(xiàn)多達(dá)22路模擬輸入線路向MCU上集成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的多路傳輸,進(jìn)一步簡化設(shè)計,降低成本。
技術(shù)趨勢4:圖形化界面
汽車設(shè)備廠商不斷響應(yīng)消費(fèi)者對更強(qiáng)大信息娛樂系統(tǒng)的渴望。目前許多級別的機(jī)動車都提供觸摸屏顯示控制臺,設(shè)置在中控臺、扶手、椅背甚至后視鏡上(參見“全新TFTLCD技術(shù)塑造未來汽車信娛系統(tǒng)”一文)。這些解決方案的核心中,都使用薄膜晶體管(TFT)LCD提供分辨率、對比度和屏幕尺寸等所需設(shè)置的組合。制造商利用車上顯示屏的觸摸功能,為車輛所有者提供“像智能手機(jī)一樣”的車輛信娛和控制系統(tǒng)圖形化接口,甚至允許相似的第三方應(yīng)用程序商店提供范圍更廣的車載式服務(wù)。
半導(dǎo)體制造商做出的回應(yīng)是越來越多使用LCD和高集成度支持的顯示管理。擁有片上LCD控制的MCU能簡化設(shè)計且減少元件數(shù),使得這些越來越重要的汽車功能得以提高可靠性并降低成本。
技術(shù)趨勢5:物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)中的汽車系統(tǒng)
因?yàn)榕c交通相關(guān)的設(shè)施對復(fù)雜性和安全性的要求極高,很少有系統(tǒng)應(yīng)用的處理能力和交互式計算能力能與高檔汽車的水平相匹敵。結(jié)合無所不在的社交網(wǎng)絡(luò),也許再沒有其它應(yīng)用能提供更大的互連潛力,將智能汽車、卡車和其它車輛連接到一個物聯(lián)網(wǎng)中,能優(yōu)化車輛性能,實(shí)現(xiàn)乘客區(qū)內(nèi)外的最佳用戶體驗(yàn)。
正如以上每種趨勢一樣,這種趨勢也利用了芯片制造商的能力,將更強(qiáng)的功能集成到更強(qiáng)大的微處理器中。這種情況下,集成無線連接能力不僅簡化了汽車子系統(tǒng)間的通信,而且也能用于車輛與外部事物相連,如外部網(wǎng)絡(luò)、交通控制系統(tǒng)甚至其它車輛。在物聯(lián)網(wǎng)廣泛進(jìn)入家庭和商業(yè)領(lǐng)域的愿景下,互連的車輛及其來源豐富的數(shù)據(jù)將為更多服務(wù)提供未開發(fā)的潛力,例如預(yù)見性維護(hù)、性能動態(tài)、交通管理以及可能最重要的一點(diǎn),即增強(qiáng)的安全性和突發(fā)狀況響應(yīng)能力。
很少有工程領(lǐng)域與汽車電子設(shè)計領(lǐng)域一樣必須結(jié)合復(fù)雜性和安全性考慮。不過,在先進(jìn)汽車電子的幫助下,制造商正快速提供隱藏了設(shè)計復(fù)雜性的開發(fā)解決方案。反過來,這些現(xiàn)成的解決方案通過更先進(jìn)的ADAS、電機(jī)控制、引擎管理、車內(nèi)人機(jī)界面和車外通信,承諾提供更強(qiáng)安全性、更低價格和更高性能。