為汽車(chē)行業(yè)提供物聯(lián)網(wǎng)的MCU和MPU

簡(jiǎn)介

當代汽車(chē)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(chē)傳感器會(huì )通過(guò)儀表板上的警告燈圖標，提醒駕駛員需要注意的問(wèn)題。后來(lái)，集成全球定位 (GPS) 成為汽車(chē)制造商在車(chē)輛中引入的最早智能功能，馬自達在 1990 年的 Eunos Cosmo 中集成了第一個(gè)包含 GPS 的移動(dòng)通信系統，如今的汽車(chē)還集成有自動(dòng)泊車(chē)和車(chē)道偏離輔助等自動(dòng)功能。

目前每臺車(chē)的各個(gè)子系統大概擁有100多個(gè)微控制器和微處理器，它們控制著(zhù)從打開(kāi)前燈到調節廢氣排放，再到車(chē)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)展和應用，以及這些傳感器數據如何通過(guò)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(chē)輛和物聯(lián)網(wǎng)之間實(shí)現聯(lián)通

數據是物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的命脈。為了讓計算機做出響應并通過(guò)適當算法來(lái)提高設備性能，工程師必須收集大量數據，車(chē)輛周?chē)蛢炔康膫鞲衅饔猛揪褪鞘占@些數據。然后對數據進(jìn)行處理并用于控制汽車(chē)中以前通過(guò)手動(dòng)實(shí)現的功能。處理器或微控制器接受數據并將其復原到程序算法能夠評估的形式。然后，根據收集到的數據，控制器可以用適當的動(dòng)作做出響應。影響力最大的汽車(chē)數據有三大類(lèi)別：排放、性能和乘客舒適度。

從車(chē)輛內部到外部接收器的自動(dòng)數據傳輸系統能夠最大限度地減少車(chē)輛信號和響應之間的延遲。借助此功能，汽車(chē)可以與其他用戶(hù)、車(chē)輛或智能城市進(jìn)行交互。

車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

驅動(dòng)汽車(chē)制造商增加傳感器使用的因素大概有三個(gè)：排放法規、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用，并預示著(zhù)軟件控制技術(shù)的出現。

排放法規（動(dòng)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，要求汽車(chē)制造商升級其傳感器技術(shù)以監測燃燒性能，從而減少溫室氣體排放。因此，工程師開(kāi)發(fā)了歧管絕對壓力 (MAP) 傳感器來(lái)控制發(fā)動(dòng)機性能和限制廢氣排放。 MAP 傳感器測量歧管壓力，發(fā)動(dòng)機的控制單元用它計算空氣密度和質(zhì)量流速。

這些參數的組合能夠自動(dòng)控制燃料供應量，以實(shí)現最大限度地燃燒。此外，實(shí)現盡可能接近化學(xué)計量的燃燒化學(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)生的燃燒反應產(chǎn)物，通過(guò)更高程度的燃燒反應和減少不希望的燃燒產(chǎn)物，可使發(fā)動(dòng)機更高效地運行。這種情況也導致另外的好處，因為更高效的燃燒減少了結焦和其他未充分燃燒的碳氫化合物產(chǎn)生的廢氣排放，例如氮氧化物 (NOx)。

汽車(chē)排放法規的進(jìn)一步收緊促使汽車(chē)制造商提高車(chē)載傳感器的測量靈敏度和性能。為了滿(mǎn)足這一需求，他們正在采用微機電（MEMS）測量系統傳感器。這些新穎的傳感器專(zhuān)為通過(guò)壓力測量來(lái)控制發(fā)動(dòng)機而設計，并已經(jīng)在整個(gè)車(chē)輛應用中迅速擴展。 MEMS 兩個(gè)相互交織的因素使它們更加擅長(cháng)于發(fā)動(dòng)機控制：電子智能與機械測量參數的集成以及傳感器在車(chē)輛上所占據的較小空間。這兩個(gè)因素的結合為數據采集和軟件控制提供了一種經(jīng)濟、高性能解決方案。由于當今采用 MEMS 技術(shù)構建的車(chē)輛可以提高發(fā)動(dòng)機性能、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)現新的排放目標首先會(huì )使某些汽車(chē)制造商處于優(yōu)勢地位。通過(guò)利用數據和車(chē)載過(guò)程/控制能夠為用戶(hù)率先提供將有害排放減少到監管目標以下的服務(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(pán)）

除了能夠對動(dòng)力總成性能帶來(lái)好處之外，在底盤(pán)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(chǎng)景正是歷史上與車(chē)輛自主行駛所需有關(guān)功能的交匯點(diǎn)。這些應用示例包括自動(dòng)剎車(chē)系統、道路噪音消除、牽引控制和自動(dòng)停車(chē)等。傳感器還能夠測量振動(dòng)數據，以進(jìn)行穩定性控制，也可以測量車(chē)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(lái)的其它好處包括更順暢的駕駛和乘車(chē)體驗。例如，工程師可以通過(guò)分析這些數據來(lái)設計更穩定的車(chē)架，優(yōu)化輪胎距離和位置以實(shí)現更優(yōu)化的平衡和支撐，并利用傳統駕駛習慣改善防抱死制動(dòng)系統性能以減少停車(chē)時(shí)間。此外，改進(jìn)道路行駛體驗對于提升整體駕駛體驗至關(guān)重要。物聯(lián)網(wǎng)可以對車(chē)輛生成的數據做出反應，以確保駕駛員安全，并自動(dòng)將汽車(chē)移動(dòng)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(zhù)智能手機和互聯(lián)技術(shù)的興起，駕駛員已成為車(chē)輛中互聯(lián)界面和可定制技術(shù)的最直接用戶(hù)。由于安全性一直是處在汽車(chē)行業(yè)的前沿，應用MEMS 可以改進(jìn)前部和側面安全氣囊釋放的模式和時(shí)機。如果環(huán)境照明條件發(fā)生變化，它們還可以更準確地預測何時(shí)自動(dòng)打開(kāi)前大燈。

而在舒適度方面，工程師可以使用傳感器的數據來(lái)記錄駕駛員的喜愛(ài)和偏好，以及座椅溫度和方向等功能設置。此外，傳感器還可以幫助導航，駕駛員在用戶(hù)界面的偏好可用于引導軟件控制方面的偏好，這一優(yōu)勢可能是 MCU/MPU 所帶來(lái)的對乘客最具變革性的應用。

駕駛座位上的軟件

在車(chē)輛內部署 MEMS 傳感器和其他技術(shù)能夠使車(chē)輛軟件工程師調整和優(yōu)化駕駛體驗。 Utopia 是一個(gè)足夠強大的數據集，微處理單元 (MPU) 可以完成接收、分析、預測，并對當時(shí)條件做出反應，而無(wú)需駕駛員進(jìn)行控制，但挑戰在于內燃機 (ICE) 對于軟件控制設置的能力有限，提高電氣化程度是實(shí)現由軟件控制車(chē)輛的最大推動(dòng)力。

遍布車(chē)輛各處的 MPU 和微控制器 (MCU)類(lèi)似于人類(lèi)的大腦，能夠實(shí)現駕駛員和乘客所期待的汽車(chē)性能、安全性和舒適性，這是邁向自動(dòng)駕駛體驗的又一步。由于大多數電動(dòng)汽車(chē)都適合于軟件控制，汽車(chē)制造商的產(chǎn)品線(xiàn)將會(huì )變得更加簡(jiǎn)單，同時(shí)能夠為客戶(hù)提供了更高的靈活性。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(lái)展示軟件控制功能的實(shí)用性。

動(dòng)力總成

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

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

底盤(pán)

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

駕駛艙和外部

對于最復雜、最新穎和最現代的軟件控制功能，32位MPU是功能強大設計平臺的最佳選擇。該解決方案可處理信息娛樂(lè )和駕駛員-汽車(chē)交互界面。由于32位MPU具有類(lèi)似完整計算機的處理能力，它能夠對大量數據進(jìn)行分析，以保證車(chē)輛計算機通過(guò)高級安全功能來(lái)防范網(wǎng)絡(luò )威脅。

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

總結

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

MCU和MPU在我們的汽車(chē)中已經(jīng)相當普遍。但是，隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)在市場(chǎng)中變得越來(lái)越重要，諸如16位和32位MCU，以及32位MPU之類(lèi)的解決方案已經(jīng)準備就緒，完全可以實(shí)現軟件控制汽車(chē)的目標。當設計人員使用這些元器件來(lái)幫助實(shí)現大量傳感器數據的處理時(shí)，他們可以利用現有的數據處理基礎架構為實(shí)現軟件控制汽車(chē)奠定基礎，同時(shí)推動(dòng)完全自動(dòng)駕駛汽車(chē)的發(fā)展。