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汽车电子的核心:车用MCU
2007/2/1 11:47:00    产通学院,365PR NET

今天,汽车电子化成为各汽车制造商改进汽车性能、追求汽车差异化以及占领市场的关键手段。随着全球汽车电子的持续发展,必然促进未来几年汽车半导体市场的稳定增长。在“2007国际先进汽车电子技术研讨会”上,中国半导体行业协会秘书长徐小田表示,我国汽车工业的发展和汽车电子应用正不断扩大,国内汽车电子市场至少在900亿元至1000亿元人民币。据预测,2010年,会有约216亿美元的汽车半导体产品在汽车中使用。

汽车电子的核心是车用MCU(微控制单元),它也是汽车电子中应用最广泛的半导体器件。全球车用MCU市场将从2003年的35.1亿美元成长至2009年的69.3亿美元,年复合增长率达12%,呈稳定成长;而在增长率部份,2004年车用MCU创下超过25%的高成长后,估计在2008年由于车载信息娱乐产品产品的换代,车用MCU将有另一波成长高峰。
 
在汽车电子工业中,MCU半导体厂商(例如瑞萨、飞思卡尔等)处于上游,而利用MCU开发ECU的模块厂商和一些国际知名的一级汽车零组件厂商(例如德尔福、博世等)属于中游厂商,汽车整车制造商(例如福特、丰田等)则属于下游厂商。由于日系汽车工业一贯采用垂直整合模式,因此MCU厂商通常是直接和整车厂商联合开发,非日系厂商极难进入其中环节;而欧系、美系MCU厂商极少与整车厂商合作。

当前,车用MCU成为各大半导体厂商角逐的市场。这些车用MCU被应用于各种汽车电子系统。由于车用MCU产品利润较高,与通用MCU由于市场竞争激烈导致年销售利润逐年下滑的状况相比,厂商都能维持一定的利润。近几年,这些利润增长的驱动力来自于汽车信息娱乐化、智能控制化以及环保节能的混合动力汽车的兴起所带来的车用MCU需求的增长。因此,车用MCU半导体厂商当前最关注的应用领域包括混合能源以及引擎控制、安全气囊、胎压检测、汽车电子制动控制(ABS、ESC和ESP)、汽车仪表、汽车导航系统、自动巡航系统、汽车音响和智能总线控制等。8位、16位车用MCU仍处于市场主流位置,而32位车用MCU市场增长迅速。在未来的汽车电子产业中,车用MCU仍将扮演重要的角色。

汽车电子系统

汽车电子系统的出现,提高了汽车的各种性能。按照对汽车行驶性能作用的影响划分,人们习惯把汽车电子归纳为两类:一类是车用电子控制装置,包括底盘电子控制系统、车身电子控制系统和汽车动力传动系统。另一类是和汽车本身性能无直接关系的“Telematics”车载电子装置,包括汽车信息系统、导航系统、汽车娱乐系统、车载通信系统、上网设备等。

汽车底盘的电子控制

汽车底盘即汽车的机械构造,其作用是支承、安装汽车发动机及其各部件,并接受引擎发出的动力使汽车行驶。底盘电子系统分为传动系统、行驶系统、转向系统和制动系统四部分。

其中,ABS是电子控制技术在汽车上最有突出成就的一项应用。时至今日,安装ABS的轿车已经相当普遍。随着对汽车安全性能的要求越来越高,一些中、高档级的轿车已经不满足于ABS,还安装了ASR/TCS,甚至是ESP,以提高汽车的安全性能。

ABS(防抱死制动系统)根据车辆运动状态相应地调节制动器制动力矩的大小,避免出现车轮抱死现象,可使汽车在制动时维持方向稳定性和缩短制动距离,有效地提高了行车的安全性。ASR(驱动防滑系统)或TCS(牵引力控制系统),是ABS功能的扩展补充。它能在汽车起动和加速时提供纵向附着力,以防止驱动轮打滑,既有助于提高汽车加速时的牵引性能,又能改善其操作稳定性。ESP(电子稳定程序)是一种更先进的制动控制系统,它通过收集方向盘的转动角度、侧向加速度等信息,经MCU向制动器发出指令,来实现行驶稳定控制。安装了ABS系统汽车的驾驶者在突发情况下慌忙急扭方向盘会使情况更加危险。因为猛然刹车同时又急扭方向盘,会令汽车产生侧滑而容易发生事故。ESP包含ABS及ASR,是这两种系统功能上的延伸,它们的差别在于ABS/TCS仅在纵向上被动地作出反应,而ESP不断地测检车辆的行驶状态,当发生紧急情况时它会迅速反应,通过液压调节器调节每个车轮的制动压力和干预发动机的牵引力,尤其是在侧向力起作用时能有效降低汽车由于侧滑产生的危险。有研究表明,ESP能使交通事故降低50%。

EPS(电子动力转向)在驾驶者在操纵方向盘进行转向时,由ECU(电子控制单元,包含MCU和其它控制电路)根据转矩传感器检测到的转距电压信号、转动方向和车速信号等,向电动机控制器发出指令,使电动机输出相应大小和方向的转向助力转矩,从而辅助驾驶者进行转向操作。从整个转向系统的发展趋势看,随着人们对汽车环保、节能和安全性要求的进一步提高,EPS电子助力转向以其技术优势取代液压助力转向是迟早的事情。基于目前的技术发展水平,有关专家估计,EPS要完全取代液压助力转向系统大约需要3~5年。

CCS(巡航控制系统)也即SCS(速度控制系统),可以自动控制汽车的行驶速度。具体来说,CCS分为定速巡航、加速巡航和减速巡航等。汽车一旦被设定为某种巡航状态时,发动机的供油量便由ECU进行控制,并根据道路状况和汽车的行驶阻力不断地调整供油量,使汽车能够保持在所设定的速度状态行驶,而无需操纵油门。CCS尤其适合在高速公路上长时间行驶时使用,它在一定程度上减轻了驾驶者由于长时间踩油门产生的疲劳。当前,CCS已成为中高级轿车的标准装备。

TMPS(轮胎压力检测系统)通过不断监测轮胎的压力、温度和车轮转速,能在胎压不足或者过高时向驾驶者发出警告。胎压的高低,影响汽车行驶过程中的舒适程度和安全性。保持合适的轮压可以减小轮胎的磨损、降低油耗以及防止因轮压不足而引起的轮胎损坏。全球前两大汽车市场的日本和美国都已实行了强制安装TPMS的政策。TPMS产品是技术门槛最低的汽车电子产品之一,国内现在也有众多TPMS厂商。

汽车网络

随着越来越多的功能在汽车上实现,汽车系统也变得复杂。汽车网络的出现,实现并简化了各个电子模块之间的通信和实时控制。按照汽车网络的功能分类,一般有∶车身控制网络、车载数据网络、多媒体网络、动力系统网络、安全系统网络等。不同汽车厂商在实现相同功能时候可能使用不同之技术。在众多的总线技术当中,CAN、LIN和Flexray成为这些汽车系统互连的主流协议。

CAN事实上已经成为汽车网络的标准,被用于主干网络。提出CAN总线的最初动机就是为了解决现代汽车越来越多的ECU之间的通讯,减少不断增加的线束。车身控制网络的CAN在速率上远低于动力网络的CAN。但车身控制网络CAN的技术含量要高于动力网络CAN,因为车身控制CAN系统中使用了网络管理的方法,实现了单线工作。

低成本的LIN总线是现有汽车多重传输网络的补充,主要用于车身控制。当前,CAN/LIN总线组成的分布式控制系统越来越受欢迎。其中,分布式车身控制系统中CAN总线的具体应用包括故障诊断、仪表显示、安全气囊等。LIN总线典型应用包括电动座椅、照明、电动门窗等控制。因此,市场对具有CAN/LIN总线接口的车用MCU需求巨大。

不久的将来,随着汽车娱乐、信息处理和多媒体网络的出现,汽车制造商将要使用更多的嵌入式MCU。因此,汽车制造商需要更高的通信带宽及确定性,并且要具有强大的容错数据传输功能,以满足市场需求。下一代线控系统汽车网络协议——F1exRay通信技术正是基于这种情况应运而生的。FlexRay具有10Mbps的总数据传输速率,可提供比CAN协议高约20倍的网络带宽。其主要应用包括:主动和被动安全系统、防碰撞系统、动力传动系控制系统和辅助驾驶系统。目前,众多的车用MCU都集成了CAN、LIN、FlexRay协议。

车载信息系统——Telematics

Telematics原为Telecommunication和Information的合称,即汽车信息通信系统。但是通过车载网络技术,Telematics现在已演变为整合导航、驾驶员信息、远程通信以及音响娱乐等多项技术的信息娱乐系统。人们希望能在汽车上获得信息娱乐感受是Telematics市场整合并快速发展的动力。

当今,全球主要汽车市场在导航系统是选择前装产品还是后装产品的问题上做法不一。美国市场注重以简单箭头标示方向和声音指向的导航系统;日本采取以三维画像并能与其它车载系统互动的前装产品;而在欧洲,被称为PND(个人导航装置)的便携式导航成为主流。车载音响系统则从播放电台、CD发展到今天的DVD、车载AV系统以及和外部存储介质进行数据传输等应用。

目前,车载导航和音响系统也逐渐走向整合。例如,融合了车载导航和音响系统的AV导航已经有很多产品出现在市场上。另外,车载导航还在向多功能显示器方面发展。可预见,未来的导航系统将与行驶系统和安全系统结合,为驾驶者提供高精确的位置信息。此外,融合了免提电话功能的车载信息系统也出现了,它可以避免驾驶者在行驶过程中使用手机而造成交通事故……这些被整合的系统还包括在全球定位/导航系统下进行的无线通信,互联网接入及向驾驶员提供最新的仪表信息、安全功能和车载娱乐所进行的嵌入式计算。这些汽车电子系统需要MCU/DSP提供控制、运算能力,通过收集各种汽车数据,同时能为驾驶员提供交通状况、电子地图、道路指引和汽车当前方向、速度及燃油状况等各方面信息。紧急情况下,Telematics系统将提供远程求救服务,并确切提供车辆所处位置。无可否认,Telematics系统正逐渐整合众多的汽车电子系统,使其成为辅助驾驶、提供娱乐和舒适的汽车系统。

MCU未来应用重点:混合动力汽车

ABI Research的市场研究报告指出,如果今后数年全球油价依旧徘徊在高位状态,2010年美国市场出售的轿车中5%-6%将会是混合动力汽车。目前主流的混合动力车是日本厂商主导的油电混合动力车;欧美厂商开发的是油氢动力车,不过其开发进度严重滞后于日本厂商。

混合动力汽车需要在发动机控制、电池管理、电子转向以及其它系统中使用大量的MCU。因此,混合动力车用MCU的开发将是半导体厂商未来几年的发展重点。而这些针对混合动力汽车的MCU也有特别要求,比如处理速度快、外接控制接口多、软件操控而且要求容量大、仿真测试周期长而且复杂、总线兼容性能良好等。

此外,一些先进概念的汽车电子系统也正处于研究阶段。例如,日产汽车正在研究的定于2010年推出的车道偏离校正系统,能观察公路分道线和监控汽车的运动,如果发现意外转向,车子就会采取制动;捷豹汽车研究的智能自适应巡航控制,会根据GPS对路况的描述和其它车辆的尾灯发现急弯,并做出预测;还有戴克汽车计划在未来二十年内实现的联网防止碰撞系统——即在发生碰撞之前,汽车之间会交换方向和速度信息,以便协同做出安全的反应……可见,先进科技和创新是汽车电子发展的原动力,汽车电子的发展必定推动车用MCU的需求增长。 

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