為汽車行業(yè)提供物聯(lián)網(wǎng)的MCU和MPU

簡介

當(dāng)代汽車日益增加的連接性能已經(jīng)不足為奇。在初期，油壓、冷卻液溫度和燃油液位等汽車傳感器會通過儀表板上的警告燈圖標(biāo)，提醒駕駛員需要注意的問題。后來，集成全球定位 (GPS) 成為汽車制造商在車輛中引入的最早智能功能，馬自達(dá)在 1990 年的 Eunos Cosmo 中集成了第一個(gè)包含 GPS 的移動通信系統(tǒng)，如今的汽車還集成有自動泊車和車道偏離輔助等自動功能。

目前每臺車的各個(gè)子系統(tǒng)大概擁有100多個(gè)微控制器和微處理器，它們控制著從打開前燈到調(diào)節(jié)廢氣排放，再到車輛如何與儀表板交互的一切。下面我們將回顧傳感器的發(fā)展和應(yīng)用，以及這些傳感器數(shù)據(jù)如何通過軟件控制功能提高我們駕駛的安全性、舒適性和連通性。

MCU、MPU 在車輛和物聯(lián)網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)聯(lián)通

數(shù)據(jù)是物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的命脈。為了讓計(jì)算機(jī)做出響應(yīng)并通過適當(dāng)算法來提高設(shè)備性能，工程師必須收集大量數(shù)據(jù)，車輛周圍和內(nèi)部的傳感器用途就是收集這些數(shù)據(jù)。然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并用于控制汽車中以前通過手動實(shí)現(xiàn)的功能。處理器或微控制器接受數(shù)據(jù)并將其復(fù)原到程序算法能夠評估的形式。然后，根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，控制器可以用適當(dāng)?shù)膭幼髯龀鲰憫?yīng)。影響力最大的汽車數(shù)據(jù)有三大類別：排放、性能和乘客舒適度。

從車輛內(nèi)部到外部接收器的自動數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能夠最大限度地減少車輛信號和響應(yīng)之間的延遲。借助此功能，汽車可以與其他用戶、車輛或智能城市進(jìn)行交互。

車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

驅(qū)動汽車制造商增加傳感器使用的因素大概有三個(gè)：排放法規(guī)、改進(jìn)的道路性能以及乘客舒適性和安全性。這些領(lǐng)域定義了傳感器的應(yīng)用，并預(yù)示著軟件控制技術(shù)的出現(xiàn)。

排放法規(guī)（動力總成）

在對油、冷卻液和燃料進(jìn)行測量之后，按照新的排放法規(guī)，要求汽車制造商升級其傳感器技術(shù)以監(jiān)測燃燒性能，從而減少溫室氣體排放。因此，工程師開發(fā)了歧管絕對壓力 (MAP) 傳感器來控制發(fā)動機(jī)性能和限制廢氣排放。 MAP 傳感器測量歧管壓力，發(fā)動機(jī)的控制單元用它計(jì)算空氣密度和質(zhì)量流速。

這些參數(shù)的組合能夠自動控制燃料供應(yīng)量，以實(shí)現(xiàn)最大限度地燃燒。此外，實(shí)現(xiàn)盡可能接近化學(xué)計(jì)量的燃燒化學(xué)操作可最大限度地提高燃燒程度，限制產(chǎn)生有害氣體排放以及不希望產(chǎn)生的燃燒反應(yīng)產(chǎn)物，通過更高程度的燃燒反應(yīng)和減少不希望的燃燒產(chǎn)物，可使發(fā)動機(jī)更高效地運(yùn)行。這種情況也導(dǎo)致另外的好處，因?yàn)楦咝У娜紵郎p少了結(jié)焦和其他未充分燃燒的碳?xì)浠衔锂a(chǎn)生的廢氣排放，例如氮氧化物 (NOx)。

汽車排放法規(guī)的進(jìn)一步收緊促使汽車制造商提高車載傳感器的測量靈敏度和性能。為了滿足這一需求，他們正在采用微機(jī)電（MEMS）測量系統(tǒng)傳感器。這些新穎的傳感器專為通過壓力測量來控制發(fā)動機(jī)而設(shè)計(jì)，并已經(jīng)在整個(gè)車輛應(yīng)用中迅速擴(kuò)展。 MEMS 兩個(gè)相互交織的因素使它們更加擅長于發(fā)動機(jī)控制：電子智能與機(jī)械測量參數(shù)的集成以及傳感器在車輛上所占據(jù)的較小空間。這兩個(gè)因素的結(jié)合為數(shù)據(jù)采集和軟件控制提供了一種經(jīng)濟(jì)、高性能解決方案。由于當(dāng)今采用 MEMS 技術(shù)構(gòu)建的車輛可以提高發(fā)動機(jī)性能、減少排放、增加安全性和增加便利性，這種傳感器的重要性也在不斷提高。

實(shí)現(xiàn)新的排放目標(biāo)首先會使某些汽車制造商處于優(yōu)勢地位。通過利用數(shù)據(jù)和車載過程/控制能夠?yàn)橛脩袈氏忍峁⒂泻ε欧艤p少到監(jiān)管目標(biāo)以下的服務(wù)，從而迫使競爭者競相迎頭趕上。

改進(jìn)的道路行駛性能（底盤）

除了能夠?qū)恿偝尚阅軒砗锰幹?，在底盤上進(jìn)行道路行駛性能測量的傳感器也在不斷進(jìn)步，目前的場景正是歷史上與車輛自主行駛所需有關(guān)功能的交匯點(diǎn)。這些應(yīng)用示例包括自動剎車系統(tǒng)、道路噪音消除、牽引控制和自動停車等。傳感器還能夠測量振動數(shù)據(jù)，以進(jìn)行穩(wěn)定性控制，也可以測量車輪輪胎壓力以防止爆胎。

這些功能主要以安全為中心，但所帶來的其它好處包括更順暢的駕駛和乘車體驗(yàn)。例如，工程師可以通過分析這些數(shù)據(jù)來設(shè)計(jì)更穩(wěn)定的車架，優(yōu)化輪胎距離和位置以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的平衡和支撐，并利用傳統(tǒng)駕駛習(xí)慣改善防抱死制動系統(tǒng)性能以減少停車時(shí)間。此外，改進(jìn)道路行駛體驗(yàn)對于提升整體駕駛體驗(yàn)至關(guān)重要。物聯(lián)網(wǎng)可以對車輛生成的數(shù)據(jù)做出反應(yīng)，以確保駕駛員安全，并自動將汽車移動到不容易受傷害的位置。

乘客舒適度和安全性（駕駛室和外部）

促使傳感器普及率提高的第三個(gè)因素是乘客舒適度。隨著智能手機(jī)和互聯(lián)技術(shù)的興起，駕駛員已成為車輛中互聯(lián)界面和可定制技術(shù)的最直接用戶。由于安全性一直是處在汽車行業(yè)的前沿，應(yīng)用MEMS 可以改進(jìn)前部和側(cè)面安全氣囊釋放的模式和時(shí)機(jī)。如果環(huán)境照明條件發(fā)生變化，它們還可以更準(zhǔn)確地預(yù)測何時(shí)自動打開前大燈。

而在舒適度方面，工程師可以使用傳感器的數(shù)據(jù)來記錄駕駛員的喜愛和偏好，以及座椅溫度和方向等功能設(shè)置。此外，傳感器還可以幫助導(dǎo)航，駕駛員在用戶界面的偏好可用于引導(dǎo)軟件控制方面的偏好，這一優(yōu)勢可能是 MCU/MPU 所帶來的對乘客最具變革性的應(yīng)用。

駕駛座位上的軟件

在車輛內(nèi)部署 MEMS 傳感器和其他技術(shù)能夠使車輛軟件工程師調(diào)整和優(yōu)化駕駛體驗(yàn)。 Utopia 是一個(gè)足夠強(qiáng)大的數(shù)據(jù)集，微處理單元 (MPU) 可以完成接收、分析、預(yù)測，并對當(dāng)時(shí)條件做出反應(yīng)，而無需駕駛員進(jìn)行控制，但挑戰(zhàn)在于內(nèi)燃機(jī) (ICE) 對于軟件控制設(shè)置的能力有限，提高電氣化程度是實(shí)現(xiàn)由軟件控制車輛的最大推動力。

遍布車輛各處的 MPU 和微控制器 (MCU)類似于人類的大腦，能夠?qū)崿F(xiàn)駕駛員和乘客所期待的汽車性能、安全性和舒適性，這是邁向自動駕駛體驗(yàn)的又一步。由于大多數(shù)電動汽車都適合于軟件控制，汽車制造商的產(chǎn)品線將會變得更加簡單，同時(shí)能夠?yàn)榭蛻籼峁┝烁叩撵`活性。處理平臺能夠支持對上述領(lǐng)域進(jìn)行軟件控制，這里舉三個(gè)例子來展示軟件控制功能的實(shí)用性。

動力總成

系統(tǒng)架構(gòu)師可以選擇16位數(shù)字信號控制器（DSC）和MCU用于許多內(nèi)燃機(jī)（ICE）和電動汽車（EV）動力總成應(yīng)用，該發(fā)展趨勢的一個(gè)重要好處是，這些平臺能夠在嚴(yán)苛的操作條件下提供實(shí)時(shí)響應(yīng)和高可靠性。此外，它們還可以實(shí)現(xiàn)軟件控制的電機(jī)控制，排放氣體再循環(huán)（EGR）閥門操作以及水和油泵控制等。 這些16位設(shè)備雖然主要用于動力總成，但同時(shí)也有利于改進(jìn)由車輛軟件控制的電源管理、電池充電和外部照明等。

那些適合軟件應(yīng)用的元器件能夠提供數(shù)字信號處理以增加DSC數(shù)據(jù)吞吐量。先進(jìn)的DSC和MCU采用用雙向模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)脈沖寬度，以最大程度地在兩個(gè)方向提高處理速度和性能。

底盤

高級駕駛員輔助系統(tǒng)和ABS等車輛公路行駛應(yīng)用需要具有更多的內(nèi)存才能運(yùn)行。 32位解決方案通常能夠比16位提供更多的內(nèi)存，并且能夠在更高電壓下運(yùn)行，以擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。盡管32位控制器具有更大容量，但在汽車部署時(shí)仍然足夠緊湊，同時(shí)可以提供車輛公路行駛用例所需性能。

駕駛艙和外部

對于最復(fù)雜、最新穎和最現(xiàn)代的軟件控制功能，32位MPU是功能強(qiáng)大設(shè)計(jì)平臺的最佳選擇。該解決方案可處理信息娛樂和駕駛員-汽車交互界面。由于32位MPU具有類似完整計(jì)算機(jī)的處理能力，它能夠?qū)Υ罅繑?shù)據(jù)進(jìn)行分析，以保證車輛計(jì)算機(jī)通過高級安全功能來防范網(wǎng)絡(luò)威脅。

除了能夠提供駕駛室和外部應(yīng)用所需的容量外，32位MPU還包含用于數(shù)據(jù)完整性的安全功能。此外，市場領(lǐng)先的MPU可提供嵌入式音頻和視頻功能以豐富用戶體驗(yàn)，這些功能可提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理精度，從而改進(jìn)軟件定義響應(yīng)的有效性。

總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)正在以前所未有的速度生成數(shù)據(jù)，而進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和組織，并采取相應(yīng)動作的處理器則能夠支持和實(shí)現(xiàn)多種軟件和自主功能，從而降低車輛的碳排放，提高安全性和性能。

MCU和MPU在我們的汽車中已經(jīng)相當(dāng)普遍。但是，隨著電動汽車在市場中變得越來越重要，諸如16位和32位MCU，以及32位MPU之類的解決方案已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，完全可以實(shí)現(xiàn)軟件控制汽車的目標(biāo)。當(dāng)設(shè)計(jì)人員使用這些元器件來幫助實(shí)現(xiàn)大量傳感器數(shù)據(jù)的處理時(shí)，他們可以利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)架構(gòu)為實(shí)現(xiàn)軟件控制汽車奠定基礎(chǔ)，同時(shí)推動完全自動駕駛汽車的發(fā)展。