2010年的汽车电子卖点及设计挑战

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欢迎访问e展厅 展厅 2 汽车电子展厅 车灯, 遥控发射器, 汽车娱乐系统, TPMS胎压监测, 汽车防盗器, ... 中国的汽车产业在今年很有可能触及或跨越年产销一千万辆这个门槛，事实上在实现这个目标以前，中国就已经成为仅次于美国的全球第二大汽车市场。在当前的汽车中，汽车电子系统所占的比重越来越大，很多特色化的功能都是依赖汽车电子技术来实现的，如果说在制造数量上我们已经占据了非常重要的位置，那么具体到汽车电子行业，我们又该如何和国际同行们实现同步呢？在本世纪第一个十年的最后两年，有哪些汽车电子应用会成为热点，实现这些应用又将面临哪些挑战？笔者就此问题遴选了几大热点应用采访了相关的一些业内专家，希望可以对中国从事汽车电子系统设计的读者有所帮助。这些热点应用包括自适应汽车前照灯、LED尾灯和HID前灯、智能化的无钥进入系统、可视和雷达倒车系统等。 AFS为保障驾驶安全增添砝码 车灯对保障驾驶安全所起到的作用是显而易见的，而在实际应用中，传统的前照灯系统存在着诸多问题。例如，现有近光灯在近距离上的照明效果不佳；还有对于车辆转弯时存在的照明暗区以及车辆在雨天行驶时地面积水的反射眩光问题，现有前照灯系统都不能很好的解决或改善。自适应汽车前照灯(Adaptive Front Lighting System, AFS)系统所带来的变革则可以帮助驾驶者轻松面对这些问题。 所谓AFS就是指能自动改变两种以上的光型以适应车辆行驶条件变化的前照灯系统。据飞思卡尔全球汽车市场总监Steven Nelson先生表示：“目前，市场上的AFS有很多类型，包括从相对便宜的水平系统到所谓的灯光“弯曲”应用。水平系统基于车辆的载重调节灯光的垂直瞄准，这类系统在欧洲受到了管制。更先进的“弯曲”应用则可以根据车辆载重、加速/减速、方向盘角度、天气条件等信息，动态地更改灯光瞄准或光束模式。这类系统一般由步进马达控制。”举例来说，如在弯道行使时，传统前灯的光线因为和车辆行驶方向保持一致，所以难免存在照明的暗区。一旦在弯道上存在障碍物，极易引发交通事故，此时AFS则会产生旋转光型的光线，给弯道以足够的照明。 瑞萨电子(上海)有限公司汽车电子市场中心总经理崛田慎吉先生表示：“有两类控制可以改变前大灯的方向。一类需要真正转动短焦距前大灯，另一类不是转动前灯，而是转动反光镜。但无论哪种情况，都需要增加电机和变速箱。决定转动角度的输入信号为转向角、车辆速度信号、方向灯以及倒转开关等。”对传感信号的处理、前大灯角度的计算以及对电机的控制等是由MCU、传感器和电机驱动器来完成的。现有的汽车电子系统已经可以采集转向角信号、车速等信息并具备了方向灯和倒转开关等器件，而对电机的控制则与其它电机没有区别。崛田慎吉还表示：“AFS在设计上的挑战主要在于定义规格、进而决定AFS如何工作以及MCU软件的设计。在AFS方面，瑞萨的MCU已经在许多日本汽车上应用了五年之久。瑞萨能提供16位MCU/M16C系列和R8C系列，以满足客户的不同需求。” 对于AFS下一步的发展趋势，崛田慎吉认为在未来的AFS中，一些汽车制造商正在考虑集成图像识别功能，以检测行人、车辆和路边障碍物。在此应用中，需要带有图像识别功能的32位处理器。瑞萨适用于自适应巡航控制(ACC)和车道偏离警告系统(LDWS)的产品SH7774同样适用于未来的AFS。在更新的系统中也开始采用LED转向灯，在这类系统中，有一系列可以操纵的LED来提供水平、弯曲等功能，因此不再需要马达支持。 LED、HID在汽车车灯应用中大放异彩 据凌力尔特公司电源产品市场经理Tony Armstrong介绍，发光二极管(LED)被应用于汽车尾灯已经有十多年的历史。而安华高科技光电子产品部汽车LED产品市场经理Boon-Hooi Lim先生表示：“已经有越来越多的汽车在整个车尾组合灯具(RCL)(包括停车灯、转向灯、尾灯和反光灯等)中使用LED。”Tony Armstrong还介绍：“高强度放电灯(High Intensity DischargeLamp, HID)灯包括所有在普通照明中使用的高强度气体放电灯，而用于汽车中的HID主要指HID氙气灯，通常被用作汽车前照灯。” 为什么要在汽车车灯中使用LED，世强电讯的专家表示：“与传统的车用信号灯(如白炽灯)等相比，LED具有节能、寿命长、免维护、防爆、易控制和环保等优点，加上LED自身独立的冷光特性，使得灯具的外形不会因为长期受热而变形，从而提高整套灯具的寿命。而且随着技术的革新和市场的兴起，当前困扰LED的发光功率和成本这两大瓶颈问题也都将得到解决。” 据Tony Armstrong先生介绍用于汽车尾灯的LED主要是红光LED，它们在把电能转换为光输出方面具有非常高的效率。因此困扰LED应用的散热对红光LED来说不是问题。Boon-Hooi Lim也表示：“散热不再是LED尾灯系统设计中最大的挑战。随着越来越多功率从0.25~1W、甚至更高功率的LED涌向市场，汽车尾灯设计师很容易根据设计风格和可用散热空间对LED做出正确的选择。”他还表示：“最近发布的大多数LED尾灯设计从0.25W和1W LED转向了0.5W，因为0.5W产品提供了极具竞争力的成本与流明性能比，非常适合大多数汽车尾灯使用。”安华高在2008年二月就发布了非常适合汽车尾灯照明使用的超级0.5W PLCC-4表贴LED。 LED尾灯应用的主要难题是在所有的运行状况下保持一致的亮度。飞兆半导体公司车身电子/智能开关产品总监Gary Wagner表示：“为了保持一致的亮度，需要准确的电流控制。而为了提供无闪烁得运行，良好的线路调整也非常必要。最好的方法是使用电流控制的升压转换器，将LED串联起来，形成两个或更多的并行LED串，用于冗余设计。飞兆半导体提供广泛的功率元件以应对以上汽车照明设计的挑战。”安森美半导体资深应用工程师Brian Blackburn则表示：“LED组合尾灯要获得广泛应用，恰当的驱动器设计非常重要，其中采用线性类型的驱动器能够限制功率耗散，而只有LED在功率耗散方面受到限制，所谓的长寿命才能够实现，安森美的驱动器正可以很好的限制功率耗散。” 对于前灯应用，据世强电讯的专家介绍：“HID因其亮度高、寿命长、节能、色温性好、安全可靠等优点，已经成为奔驰、宝马等一流名车的标准配置。”HID前灯是由灯泡本身、触发单元和控制单元或镇流器组成的。由于靠近发热的灯泡，并且要经受车辆行驶中的振动，这些元器件要求具有温度稳定性和机械稳固性。就此埃普克斯的汽车薄膜电容产品市场经理Martina Auer表示：“埃普克斯的薄膜电容可以耐受高达150℃的工作温度，存储温度可达170℃。且不同的引脚版图允许系统经过优化提供最高的机械稳定性。6kV/μs的脉冲宽度使得薄膜电容特别适用于触发电路。” 除此之外，飞兆的Gary Wagner表示：“因为需要缩减整个HID系统的体积，如何应对功率密度和EMI要求成为设计上的挑战"世强电讯的专家也表示：“把HID灯用作汽车大灯，有两个关键问题需要解决：1. HID镇流器的EMC问题；2. HID的镇流器的控制部分必须具有很强的适应性，能适应冷灯、热灯，以及各种不同品牌的灯，并具有对一些故障的智能保护功能。”世强电讯有基于SILABS MCU的单芯片全数字HID镇流器解决方案。对于EMC问题，该方案除了充分考虑传统的EMI抑制措施外，还采用先进的扩频控制技术(变频变占空比)，让干扰信号在某一频段上的能量不能累积，从而减小EMI的影响。对于控制部分，该方案采用SILABS的高速MCU，用一颗单芯片实现了冷热灯识别、灯点亮、恒功率控制、PWM输出、故障处理等功能，具有优秀的适应性。 除了HID氙气灯被用于前灯应用，高亮度(HB)的LED也可以被用该类应用当中。Tony Armstrong先生表示：“HID氙气灯的生产制造成本非常昂贵，因此其用途仅限于高档车辆。随着技术的进步，近期推出了HB LED，因此HID氙气灯的使用量将迅速减少。”飞兆的Gary Wagner则表达了并非完全相同的观点，他表示：“未来LED头灯很可能代替HID头灯，但用于头灯的LED距离真正的商业化还需5~10年时间，目前LED头灯仍存在成本问题，比HID头灯要贵4~5倍。”看来不管是HID头灯还是LED头灯都面临着成本过高的问题，因此目前LED头灯被首先应用在高端的豪华车型中，如雷克萨斯、奥迪和卡迪拉克等，即使是这样LED前灯也只是主要被用作白天行车灯(DRL)，然后是集中在高档汽车上用的近光灯，而要想在更多的新款汽车上看到前灯使用LED作远光灯尚需一定的时日。不过LED头灯可降低电能使用需求，将运行头灯所需要的功率瓦数由120瓦大幅减少至近40瓦；另外LED还能够被融入到非常纤薄的造型线条之中，这些都是促进汽车厂商在前灯中使用它的推动力。 相对于LED的尾灯应用，散热问题对于前灯应用来说依然没有完全解决。凌力尔特的Tony Armstrong就表示：“HB LED车前灯的供电确实必需特别关注热设计，原因是它们通常需要50W的供电功率。”安森美半导体资深应用工程师Brian Blackburn透漏：“某些系统采用了风扇来对LED头灯进行冷却。但这种类型的冷却对于LED头灯的长期可用性来说，并非好事。”世强的专家就此问题表示：“多个LED集中在有限的空间中，将造成散热困难，LED模块温度升高，会导致LED的寿命降低，并加速LED的光衰、影响LED驱动器等元件的效率和可靠性(一般元件的工作温度需控制在80℃以下)。温度升高，还使LED输出的光波长发生变化，改变颜色特征，有可能影响汽车照明。”他表示：“解决散热问题，从生产厂家的角度来讲，可以采用新材料，采用新的封装技术，增大PN结的散热面积等；从设计者应用者来讲有几个方案可选择，包括选择高质量的解决方案；进行热量控制，当温度升高时减少电流，以降低功耗；还有选择进行合理的热设计等。” 功能日益强大的智能进入系统 遥控门锁(RKE)、无钥门禁(PKE)是目前各类车型上最易见到的智能进入系统，防盗是研发这些系统的初衷，现在它们的功能正变得越来越丰富。比如在PKE系统上增加汽车寻找和RES(远程启动发动机)功能。恩智浦半导体汽车电子大中华区高级市场经理张建臣先生表示：“这些都是在北美非常流行的汽车接近系统功能，也是他们认为在下一代PKE系统中应该增加的。” 据Microchip汽车产品部门亚太区的市场经理Stephen Chan介绍：“PKE应答器是高端汽车的主流配置，现在也开始在普通汽车中快速普及。使用PKE应答器,用户只需携带应答器就可以开启车门，不必再手动按动应答器上的按钮。”PKE系统由基站和应答器单元组成。基站单元用125kHz频段发送命令，PKE应答器则通过外部UHF发送器实现远距离的命令接收和响应发送，或者在相同的125kHz频段上使用内部回传功能实现短距离应用。他还表示：“PKE系统设计工程师需要解决的挑战性任务是在任何可能的工作条件下可靠地检测基站命令，同时保持所有其它设计参数不变，如电池电能使用率以及天线的物理尺寸等。” 而为了在PKE上实现汽车寻找和RES功能，下一代的PKE需要将射频链路扩展为双向射频通信(315/434MHz)，最大通信距离要达300米。有了双向射频链路后，钥匙端可以从汽车端取得反馈信号，同时向汽车发送命令。硬件方面，需要根据不同算法和系统程序从8位到32位MCU中选取合适的MCU。Microchip的PIC16F639就是一款功能强大、容易编程(只有35个单字节指令)、基于CMOS闪存的8位微控制器，只需增加一个应答器模拟前端就能使该器件适用于PKE系统。它采用Microchip公司强大的PIC MCU架构，在20引脚封装中集成了KeeLog兼容的加密模块、PLVD、双比较器和256字节的EEPROM数据存储器。 对于双向PKE来说，系统安全性、功耗和通信距离是最主要的三大挑战。RES功能需要涉及发动机控制单元(ECU)，因此安全性非常重要，恩智浦公司的张建臣先生强烈建议使用与锁车系统相同的算法来确保安全性。双向射频通信将导致更大的功耗，这与传统的RKE技术有根本的区别。采用传统的SAW发送器技术时距离只有约30米。在新的应用中，必须选择基于PLL的专用收发器芯片。恩智浦公司是发动机防盗锁止系统(IMMO)和PKE市场中领先的半导体供应商，基于恩智浦解决方案从PKE可以很容易升级到的更加智能的进入系统，这些方案采用相同算法、相同技术并且相同的ECU接口。而NXP解决方案的一些关键特性也能够帮助设计师应对以上提到的三大挑战：1. 集成的HITAG2/AES128算法以确保汽车安全。2. 通过低频链路实现电池再充电功能可以解决功耗问题。3. 致力于完善射频技术的产品种类，采用Frac-N PLL实现发送器、接收器和收发器可确保长距离通信。 可视和雷达混合倒车系统让您不必回头、倒车无忧 现在的雷达倒车系统已经可以为驾驶者提供许多帮助，但它并不完美，由于电磁波的散射特性，如果地面有尖锐的突起或存在横在半空的棱角状物体，现有的系统并不能有效地察觉，因此许多老司机都告诫新手在倒车的时候一定要回头看一看实际的情况。如果为倒车系统增加可视功能，驾驶员在倒车时不必回头就可对车后的情况了然于胸。 OmniVision的专家表示：“使用多个传感器的可视泊车系统已经非常成熟。在英菲尼迪(Infinity)的EX和宝马七系上都使用了4~5个摄像头，最终综合输出这4~5个摄像头采集到的图像来实现可视的泊车功能，图像看起来就像是从高处俯视得来的一样。”他进一步表示：“传感器的分辨率可以是VGA到百万像素水平。如果是VGA，可能会需要4~5个摄像头；如果是百万像素，2~4个摄像头就够用了。而且成本效益更好的CMOS图像传感器将在可视和雷达混合系统中代替昂贵的CCD传感器。”OmniVision能够以最低的BOM成本提供彩色高动态范围CMOS传感器。由于具备极低的感光度和进行了专门的改进该公司的摄像头可以实现昼夜全天候工作。 不过，增加类似的功能，对成本的把握非常重要，因为它毕竟不是必不可少的功能，消费者愿意为其付出多少金钱也是车厂需要考虑的因素。ADI的DSP和嵌入式处理器产品技术市场经理杨烨表示：“要谈论一个倒车系统的成本，必须了解一个前提，那就是在车辆正常行驶的过程中，泊车的时间所占的比例是非常小的，通常不会超过1%。所以，无论是以视觉为基础还是雷达为基础的系统(或者二者的结合)，如何利用系统在其余99%的时间内的处理能力就成为了问题的关键。” 他进一步表示：“基于以上前提，一个成本优化的系统，必须具备灵活性和可扩展性。灵活性是指除了系统最基本的功能(倒车图像、雷达显示和告警)以外，还需要具备系统供应商所独具的一些差异化的功能，如系统能够对广角镜头造成的失真进行线性化补偿(鱼眼校正)，能够通过自动曝光，自动对焦，自动白平衡等改善图像质量，能够通过图像系统和雷达系统的组合判断是否告警以及告警的级别，能够通过多摄像头的方式实现车辆俯视合成图像，以提升用户体验。可扩展性是指系统可以通过不增加成本或增加很少成本的方式实现除了倒车辅助以外的其他功能，比如在车辆上通过安装前置的CMOS传感器/雷达的方式，实现车道偏离告警，自动巡航控制，行人监测，夜视等功能；通过在车辆内部安装传感器的方式实现乘员的状态监测；通过在车辆两侧安装传感器，实现盲点监测。也就是说通过扩展在车辆正常行驶过程中的多种功能，以及提升在泊车过程中的用户体验，系统供应商可以大大增加产品的附加值，却不需要增加太多的成本。” 如何更好的融合这两种不同的系统，以向驾车人提供一个更准确的驾车参考，避免事故发生，减少生命财产损失，对系统供应商来说是非常大的挑战。如何在不同场景下对这两种系统的输入进行有效的综合判断，给出一个最接近实际情况的结果，是体现不同系统供应商功力的重要标准。一个典型的例子是正午阳光直射的情况下，车尾正对阴暗的车库门倒车，由于CMOS摄像头自动曝光的介入，车内显示屏可以清晰的显示车库外的景象，却无法看清车库内的障碍物，这时就需要借助雷达的探测结果，对障碍物的距离和方位进行探测，对这两个结果进行判断，并给驾车人适当的提示。 基于系统必须具有灵活性和可扩展性的讨论，系统中的主处理器必须具有非常高的处理能力，丰富的接口，以及能满足低成本到高性能不同需求的代码兼容的内核以确保代码可重用。ADI的杨烨先生表示：“通常的ASIC芯片由于其固有的限制，很难同时满足上述的要求，而一个通用的处理器却可以很好的完成这样的任务。”ADI的Blackfin处理器提供了从低端400MHz单核到高性能的500MHz双核处理器，提供了一系列符合汽车工业标准，并且代码兼容的处理器系列，供客户针对不同的系统成本和规格需求进行选择。Blackfin家族成员所具备的丰富接口，可以无缝连接CMOS、LCD和雷达传感器，内置的支持多层图像叠加，色域转换的硬件加速单元，使客户可以自由灵活的扩展系统，而不需要外部扩展额外的外围芯片。而且ADI所拥有的丰富的第三方网络可以提供一系列的关键算法，客户可以直接利用以缩短产品上市时间，更可以以此为基础扩展自己所独有的功能。 除了以上提到的这些应用，还有一些应用也非常有特点。比如电动防夹车窗、比如可加热后视镜等，它们都能以较低的成本有效的为架乘者提供方便和提升驾乘的安全性。又比如可提前启动或者可预先设定温度的智能空调，对于炎热地带或者寒冷地带的用户就特别有用，可以让他们一进入车中就享受到舒适的温度。总之，提高汽车的舒适度与安全性是汽车电子厂商和设计师持续创新的原动力；在可以预见的未来，汽车电子的热点也将围绕着这两个主题展开，而是否能以市场接受的成本将这些创新变为现实则是他们最终能否从热点成为卖点的关键所在。(end)

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