高效能汽車(chē)電子設計挑戰
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目前在新功能或加強功能的某些趨勢是增加更復雜的電子元器件，以便提高品牌聲譽(yù)和競爭差異性，同時(shí)讓消費者更安全舒適。例如復合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)就像把iPod®連接到汽車(chē)娛樂(lè )系統一樣，現已成為一種流行時(shí)尚。消費者還把手機與整合型免持聽(tīng)筒裝置之間的藍牙連結視為標準配備。
復雜功能
這些特色僅是冰山一角，其它精心設計的復雜功能雖不會(huì )被乘客看到或摸到，卻會(huì )影響他們的行車(chē)經(jīng)驗，這些功能也逐漸導入汽車(chē)設計。感應照明系統、多軸調整座椅、智能型天候控制系統、防撞系統和動(dòng)力巡航控制在21世紀汽車(chē)市場(chǎng)變得格外重要。消費者甚至期望車(chē)商提供高質(zhì)量的儀表板功能。要將這些先進(jìn)功能導入汽車(chē)系統往往需要付出代價(jià)。
汽車(chē)電子設計人員的一項挑戰是迅速推出新的電子元器件，提高乘客的舒適性、安全保護和其它加強功能。設計人員必須縮短整體的設計與認證時(shí)間和增強現有系統功能，并且不能影響日益嚴格的質(zhì)量與可靠性要求和成本目標。為了克服這些挑戰，汽車(chē)電子設計人員需要集成度更高的解決方案以便提高系統的功能密度?；旌闲盘栐骷母吖δ芗删褪呛苡形Φ囊豁椞娲桨?。
捕捉、運算和通訊
幾乎所有的嵌入式汽車(chē)電子系統都必須執行捕捉、運算和通訊等三種功能?！安蹲健笔菑膶?shí)際世界取得信息，再將它轉為數字形式。這可能是車(chē)胎監控系統的壓力傳感器所傳來(lái)的模擬電壓，或是碰撞偵測感應器I/O接腳的上升沿波形，這個(gè)感應器可能會(huì )連接到安全氣囊的觸發(fā)系統?！斑\算”是指在應用環(huán)境下處理數字信息的能力，例如安全氣囊控制器可能在極短時(shí)間內就決定不啟動(dòng)安全氣囊，因為它發(fā)現座位上有小孩?！巴ㄓ崱笔侵笇⑻幚斫Y果傳送給其它需要該信息的系統，譬如啟動(dòng)指示燈就是很簡(jiǎn)單的例子。其它復雜功能可能會(huì )通過(guò)網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)把排氣系統的一氧化碳含量告知引擎管理計算機，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執行這三種功能的程度決定。
新設計挑戰
油箱感測是一個(gè)很好例子，說(shuō)明汽車(chē)電子設計人員所須面對的挑戰。僅在幾年前，油量傳感器還是一個(gè)相當直接的設計問(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(zhù)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。但對今日汽車(chē)而言，通常必須等到平臺設計快結束時(shí)才會(huì )開(kāi)始油箱設計，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 )讓浮筒系統的設計變得很復雜。更重要的是，替代燃料的出現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(chǎng)商現已認為新一代油箱傳感器必須能決定燃油成份，同時(shí)將這項信息提供給汽車(chē)的其它電子控制系統。這使得過(guò)去被認為很簡(jiǎn)單的感測設計現已變?yōu)橐环N復雜的分析控制挑戰。
值得注意的是，幾乎車(chē)內的所有系統都在擴充功能。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所需的條件。雨水感應雨刷系統則會(huì )把馬達控制和雨水感應功能整合為一套系統。下一代防夾車(chē)窗與天窗的關(guān)閉則是這些安全系統的微電子元器件所需整合的另一代表性應用。
第一代防夾技術(shù)
第一代防夾設計通常包含一套由電動(dòng)馬達驅動(dòng)的機械驅動(dòng)系統。馬達電流由一顆控制器監測，然后與代表失速狀態(tài)(stallcondition，亦即馬達轉動(dòng)受阻)的固定臨界值比較；只要達到該臨界值，車(chē)窗方向就會(huì )從上升反轉為下降。這套系統如圖1所示。
圖1：第一代防夾車(chē)窗升降系統的控制圖
第一代設計有幾項缺點(diǎn)。首先是要開(kāi)發(fā)一套方法分辨馬達啟動(dòng)和車(chē)窗受阻時(shí)的馬達失速電流(圖2和3)。為了達到這項要求，比較電路中增加一段固定延遲時(shí)間，確保它只在馬達轉動(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(chē)窗提供防夾保護。舉例來(lái)說(shuō)，如果車(chē)窗的起始位置僅距頂端10毫米，那么在臨界定時(shí)器的計時(shí)結束前，車(chē)窗很可能早已撞到頂端的擋板(hard-stop)。
圖2：關(guān)閉車(chē)窗時(shí)的電流變化
圖3：關(guān)閉車(chē)窗遇到阻礙時(shí)的電流變化
第二個(gè)缺點(diǎn)是機械系統的參數會(huì )隨著(zhù)時(shí)間改變，這會(huì )影響馬達的工作負載，使得防夾臨界值變大或變小。
最后，這些系統由于使用固定臨界值，所以無(wú)法適應行車(chē)環(huán)境的改變。車(chē)窗密封條的熱膨脹效應會(huì )讓溫度變化對工作負載產(chǎn)生很大影響。汽車(chē)靜止時(shí)關(guān)閉天窗所需的力量與行駛中車(chē)輛有很大不同，在平滑路面升起車(chē)窗所需的力量也不同于車(chē)輛在石頭路上行駛時(shí)。在這兩種情形中，無(wú)法補償這些變動(dòng)的狀況都會(huì )影響安全或造成車(chē)窗無(wú)法正常操作。
設計人員過(guò)去是以不同方式應付這三項重要挑戰。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 )增加設計的成本與復雜性。這使他們日益需要一套低成本的防夾功能設計來(lái)克服這些缺點(diǎn)。
新的設計解決方案
如圖4所示，一顆包含高速中央處理單元(CPU)和高效能模擬數字轉換器(亦即帶寬大于180MSPS和分辨率超過(guò)12位)的混合信號微控制器是此問(wèn)題的最佳解決方案。
圖4：采用混合信號微控制器的防夾系統
這種做法讓設計人員利用一顆微控制器同時(shí)執行馬達的通訊功能和監控馬達電流。通訊噪聲可由芯片內建的模擬數字轉換器直接在馬達電源電路的電流傳感器(亦即分流電阻)上偵測。這種方法能更精確分辨馬達處于轉動(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(chē)窗已經(jīng)半開(kāi)也可提供完整的防夾功能。
如圖5所示，系統會(huì )根據歷史數據和參數計算結果設定可變的馬達電流臨界值，以便動(dòng)態(tài)響應馬達負載變動(dòng)和將系統扭力限制在適當范圍，同時(shí)將長(cháng)期因素(例如馬達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，系統還能與其它的電子控制裝置(ECU)交換信息，把外界溫度和車(chē)速等信息當成加權輸入來(lái)決定適當的臨界值(參考圖6)。利用其它系統不僅會(huì )提高整體系統效能，還能避免在車(chē)上重復安裝傳感器的額外成本。
圖5：使用可變臨界值后的車(chē)窗關(guān)閉過(guò)程電流變化
圖6：存儲在內存表格的環(huán)境參數與歷史數據，它們可用來(lái)決定臨界值
增長(cháng)市場(chǎng)
汽車(chē)應用占8位微控制器銷(xiāo)售額的三分之一，不僅市場(chǎng)規模已超過(guò)30億美元，每年還以將近10%的速率增長(cháng)。汽車(chē)嵌入式系統設計人員必須發(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)的微電子建構方塊供他們使用。對這類(lèi)下一代汽車(chē)電子應用來(lái)說(shuō)，兼具強大模擬與數字效能的混合信號微控制器正是最符合成本效益的解決方案。
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