應對汽車(chē)電子嵌入式設計的若干挑戰

隨著(zhù)越來(lái)越多的電子設備滲透到汽車(chē)應用的各個(gè)領(lǐng)域，電子控制模塊(ECM)的數量正在不斷擴大——汽車(chē)負載的增加勢必導致汽車(chē)的整體功耗增加。以增大電池體積來(lái)滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的功耗要求，是應對這一挑戰的方法之一。然而，大體積電池并非總能適用于空間受限和重量敏感的環(huán)境，并且它也會(huì )造成對油耗的不良影響。另外，控制功耗、縮小體積、實(shí)現ECM的聯(lián)網(wǎng)以便診斷和軟件重用，同時(shí)提升產(chǎn)品性?xún)r(jià)比、靈活性并能快速迎合市場(chǎng)需求，也始終是汽車(chē)電子供應商面對的難題。

Microchip公司亞太區汽車(chē)產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Stephen Chan表示，汽車(chē)OEM正致力于使汽車(chē)產(chǎn)品更加安全、智能和節能，他們在此過(guò)程中所面臨的各種挑戰也推動(dòng)了汽車(chē)電子產(chǎn)品的持續發(fā)展。電子產(chǎn)品一直是汽車(chē)當中發(fā)展最迅猛的一個(gè)分支，這一分支甚至超過(guò)了機械、氣動(dòng)和液壓系統。嵌入式系統設計人員正在不斷地開(kāi)發(fā)新型的ECM，從而使得汽車(chē)能夠滿(mǎn)足駕駛者的需求，并達到環(huán)保的要求。汽車(chē)電子的發(fā)展很大程度上要歸功于不斷增長(cháng)的對低油耗、安全性、舒適性、防盜性和高級駕駛信息應用的要求。

另外，隨著(zhù)全球汽車(chē)市場(chǎng)的不斷壯大，盡管不同地區在實(shí)現具體方案的難易程度和時(shí)間要求上各有不同，但所要應對的挑戰卻基本一致。全球化幾乎對汽車(chē)電子產(chǎn)品的功能沒(méi)有任何特別要求。在汽車(chē)電子創(chuàng )新方面，歐洲一直都是頗受認可的佼佼者。中國和其他地區也正在緊緊跟隨著(zhù)汽車(chē)電子市場(chǎng)不斷擴大的腳步。就目標車(chē)型而言，一旦大眾的購買(mǎi)能力達到一定程度，就將立刻著(zhù)手生產(chǎn)。

他認為，應對汽車(chē)電子功耗更好的解決辦法，是解決那些會(huì )在點(diǎn)火裝置關(guān)閉時(shí)耗能的ECM的功耗需求。由于點(diǎn)火裝置關(guān)閉時(shí)仍然耗能的功率負載(如多媒體系統等)有所增長(cháng)，汽車(chē)OEM不得不嚴格控制點(diǎn)火裝置關(guān)閉時(shí)的功耗預算。Microchip不斷推出的新型nanoWatt XLP(超低功耗)單片機系列產(chǎn)品，給多媒體系統的嵌入式系統設計人員提供了更多解決方案，以便其在要求高能效運行而又不犧牲性能的環(huán)境當中采用(參見(jiàn)表)。

Microchip nanoWatt XLP MCU與競爭者M(jìn)CU產(chǎn)品的功耗對比

功耗管理單片機包含片內閃存程序存儲器，由于無(wú)需外部元件，因而使得系統的效率最高、可靠性增大并使得成本和占板空間最小。提供多種功耗管理模式供設計人員靈活切換，并在其應用程序軟件中安排節能子程序。開(kāi)發(fā)的創(chuàng )新型解決方案，使得單片機可以更加高效地執行功耗管理任務(wù)，這一點(diǎn)頗受汽車(chē)嵌入式系統設計人員青睞。理想情況下，單片機應能在其工作頻率范圍內提供靈活的功耗管理模式。功耗管理單片機的功能必須多樣化，并能向設計人員提供技術(shù)上可行的高成本效益解決方案，以應對與多媒體娛樂(lè )系統中可靠地低功耗運行相關(guān)的復雜挑戰。

能夠滿(mǎn)足空間要求各異的應用并且使價(jià)格盡可能低廉，是嵌入式系統設計人員必須要滿(mǎn)足的普遍要求。對于跨平臺的設計，大多數差異由軟件實(shí)現方案解決，以滿(mǎn)足從低端到高端的不同應用的需求。他強調，由于上市時(shí)間始終是個(gè)關(guān)鍵因素，Microchip強大的移植兼容性方便工程模塊的重用，從而節省寶貴的開(kāi)發(fā)時(shí)間和總成本。PIC單片機系列的標準化引腳排列模式支持代碼庫的開(kāi)發(fā)，這通常是其他單片機供應商無(wú)法做到的。PIC單片機架構還能提供插槽、軟件和外設兼容性，從而為設計人員提供出眾的靈活性——這一點(diǎn)獨一無(wú)二，例如，每個(gè)引腳都具有數個(gè)外設功能，設計人員無(wú)需修改印刷電路板即可添加或交換功能，因而能夠最大程度減少或徹底免去重新設計的成本。

重用經(jīng)證明的工程模塊不僅能節省時(shí)間和成本，還能直接提高整個(gè)系統的質(zhì)量——因為設計人員已完全了解早期設計的性能，能夠將得到的相關(guān)經(jīng)驗運用到當前的設計中。兼容性和重用性最終提高了整個(gè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)效率，在目前缺少經(jīng)驗豐富的嵌入式設計人員的行業(yè)環(huán)境下，這一點(diǎn)尤其重要。

消費者的購買(mǎi)能力是電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車(chē)成為主流私人交通工具的主要障礙之一。建立基礎設施，為簡(jiǎn)化汽車(chē)操控提供支持，是另一個(gè)原因。隨著(zhù)電機在電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車(chē)系統架構中的應用不斷擴大，數字電源轉換對這些新系統的發(fā)展至關(guān)重要。設計的電源要求有多路輸出，能協(xié)調負載均衡，且具備熱插拔能力及各種故障處理能力，這樣的設計是一件復雜而富有挑戰的事。采用模擬電路來(lái)實(shí)現系統控制功能，有時(shí)候并不能達到較高的成本效益或靈活性。對電源轉換反饋回路采用智能化數字控制是一種更具成本效益的替代方法。新推出的數字信號控制器(DSC)帶有智能功率外設，具有基于計數器的脈寬調制模塊、基于模擬比較器的反饋和協(xié)作式模數轉換器(ADC)采樣，并且提供能在一個(gè)時(shí)鐘周期內完成的快速乘法運算能力。這些功能的組合使得DSC能夠處理控制環(huán)軟件所需的高執行速率。Microchip的dsPIC33F“GS”系列數字電源DSC，允許采用全數字控制電源轉換和系統管理功能。

dsPIC數字電源器件自帶的SMPS解決方案和豐富的外設，使得工程師能設計出無(wú)需大量采用外部支持芯片的解決方案。因此，和其他方案相比，采用dsPIC DSC SMPS解決方案，開(kāi)發(fā)人員使用的元件數可減少20%。

dsPIC DSC SMPS解決方案不僅節省了空間和成本，而且還具備專(zhuān)用于支持高級電源轉換的特殊功能。它包括一個(gè)智能功率外設。智能功率外設由獨立的PWM、ADC和模擬比較器外設構成，通過(guò)一根內部可配置的控制光纖連接，允許其相互間直接交互?？膳渲每刂乒饫w的功能包括：控制比較器、PWM和ADC的協(xié)同工作；通過(guò)軟件設置/脫離軟件運行；精確控制ADC轉換時(shí)序；控制PWM模塊對故障的響應?？膳渲每刂乒饫w的優(yōu)勢在于：在無(wú)需固件干預的情況下提供實(shí)時(shí)響應；擴大選項的控制范圍；可適用于各種控制方法；以及提供故障保護控制。

至于面向中國市場(chǎng)的服務(wù)，他表示，中國汽車(chē)電子模塊供應商的開(kāi)發(fā)團隊遍布全球，這就要求在相應的地區有相應的支持，從而滿(mǎn)足他們的需要。技術(shù)支持的不斷發(fā)展，是半導體供應商在市場(chǎng)中取勝的關(guān)鍵。Microchip在中國的技術(shù)人員，能夠為嵌入式汽車(chē)電子設備的設計人員提供支持，并且，Microchip在中國舉辦的各類(lèi)技術(shù)論壇和技術(shù)精英年會(huì )(MASTERs)，也使嵌入式設計人員有機會(huì )體驗和探索到Microchip提供的創(chuàng )新型解決方案。

此外，Microchip提供的汽車(chē)嵌入式解決方案還包括其他眾多產(chǎn)品，例如：角度傳感器、引擎冷卻風(fēng)扇、引擎關(guān)閉定時(shí)器、濕度傳感器、氣囊碰撞傳感器、接近傳感器、雨刮器控制、車(chē)前燈控制、座椅記憶控制、音頻控制、變速器控制、燃油泵控制和倒車(chē)影像裝置等。