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嵌入式汽车电子系统的新设计挑战与解决方案

破费者的买车习气正在转变,这也带动了汽车电子财产的增长。汽车制造商每年都为载客车辆增添更多新型或加强型电子元器件,使得车身电子系统今朝的增长率比汽车产量还超过跨过四倍。

今朝在新功能或加强功能的某些趋势是增添更繁杂的电子元器件,以便前进品牌声望和竞争差异性,同时让破费者更安然舒适。例如复合动力电动车就像把iPod?连接到汽车娱乐系统一样,现已成为一种盛行时尚。破费者还把手机与整合型免持听筒装配之间的蓝牙贯穿毗连视为标准配备。

繁杂功能

这些特色仅是冰山一角,其它精心设计的繁杂功能虽不会被游客看到或摸到,却会影响他们的行车履历,这些功能也徐徐导入汽车设计。感应照明系统、多轴调剂座椅、智能型天候节制系统、防撞系统和动力巡航节制在21世纪汽车市场变得非分特别紧张。破费者以致期望车商供给高质量的仪表板功能。要将这些先辈功能导入汽车系统每每必要付出价值。

汽车电子设计职员的一项寻衅是迅速推出新的电子元器件,前进游客的舒适性、安然保护和其它加强功能。设计职员必须缩短整体的设计与认证光阴和增强现有系统功能,并且不能影响日益严格的质量与靠得住性请乞降资源目标。为了降服这些寻衅,汽车电子设计职员必要集成度更高的办理规划以便前进系统的功能密度。混杂旌旗灯号元器件的高功能集成便是很有吸引力的一项替代规划。

捕捉、运算和通讯

险些所有的嵌入式汽车电子系统都必须履行捕捉、运算和通讯等三种功能。“捕捉”是从实际天下取得信息,再将它转为数字形式。这可能是车胎监控系统的压力传感器所传来的模拟电压,或是碰撞侦测感应器I/O接脚的上升沿波形,这个感应器可能会连接到安然气囊的触发系统。“运算”是指在利用情况下处置惩罚数字信息的能力,例如安然气囊节制器可能在极短光阴内就抉择不启动安然气囊,由于它发明座位上有小孩。“通讯”是指将处置惩罚结果传送给其它必要该信息的系统,譬如启动唆使灯便是很简单的例子。其它繁杂功能可能会经由过程收集总线把排气系统的一氧化碳含量见告引擎治理谋略机,以便前进燃油的氧气混杂比例。办理规划的有效性终极将由系统履行这三种功能的程度抉择。

新设计寻衅

油箱感测是一个很好例子,阐明汽车电子设计职员所须面对的寻衅。仅在几年前,油量传感器照样一个相称直接的设计问题。它包孕一个简单的浮筒装配,上面有扫描式碳刷打仗着电阻性外面,它会使得模拟输出电压正比于油箱的残剩油量。但对今日汽车而言,平日必须等到平台设计快停止时才会开始油箱设计,而且多数要使用任何尚未应用的空间。这可能使得油箱的外形怪异,容量也不再与液面上下成正比,这会让浮筒系统的设计变得很繁杂。更紧张的是,替代燃料的呈现和燃料衍生物让油箱的燃料成份变得很紧张。举例来说,汽油与乙醇燃料的比例会影响焚烧、燃烧光阴和废气排放等引擎动力特点。厂商现已觉得新一代油箱传感器必须能抉择燃油成份,同时将这项信息供给给汽车的其它电子节制系统。这使得以前被觉得很简单的感测设计现已变为一种繁杂的阐发节制寻衅。

值得留意的是,险些车内的所有系统都在扩充功能。主动式露点(dew-point)节制器正在取代挡风玻璃除雾功能,它可以避免或扫除水点固结所需的前提。雨水感应雨刷系统则会把马达节制和雨水感应功能整合为一套系统。下一代防夹车窗与天窗的关闭则是这些安然系统的微电子元器件所需整合的另一代表性利用。

第一代防夹技巧

第一代防夹设计平日包孕一套由电动马达驱动的机器驱动系统。马达电流由一颗节制器监测,然后与代表掉速状态(stallcondition,亦即马达迁移转变受阻)的固定临界值对照;只要达到该临界值,车窗偏向就会从上升反转为下降。这套系统如图1所示。

图1:第一代防夹车窗升降系统的节制图

第一代设计有几项毛病。首先是要开拓一套措施分辨马达启动和车窗受阻时的马达掉速电流(图2和3)。为了达到这项要求,对照电路中增添一段固定延迟光阴,确保它只在马达迁移转变后才开始对照掉速电流临界值,只不过这种做法无意偶尔无法为半开的车窗供给防夹保护。举例来说,假如车窗的肇端位置仅距顶端10毫米,那么在临界准时器计时停止前,车窗很可能早已撞到顶真个挡板(hard-stop)。

图2:关闭车窗时的电流变更

图3:关闭车窗碰到阻碍时的电流变更

第二个毛病是机器系统的参数会跟着光阴改变,这会影盗贼达的事情负载,使得防夹临界值变大年夜或变小。

着末,这些系统因为应用固定临界值,以是无法适应行车情况的改变。车窗密封条的热膨胀效应会让温度变更对事情负载孕育发生很大年夜影响。汽车静止时关闭天窗所需的气力与行驶中车辆有很大年夜不合,在平滑路面升起车窗所需的气力也不合于车辆在石头路上行驶时。在这两种情形中,无法补偿这些更改的状况都邑影响安然或造成车窗无法正常操作。

设计职员以前因此不合要领敷衍这三项紧张寻衅。在有些情形下,他们会增添更多的传感器或应用更正确的节制材料与元器件来减轻这些问题,但这些措施都邑增添设计的资源与繁杂性。这使他们日益必要一套低资源的防夹功能设计来降服这些毛病。

新的设计办理规划

如图4所示,一颗包孕高速中央处置惩罚单元(CPU)和高效能模拟数字转换器(亦即带宽大年夜于180MSPS和分辨率跨越12位)的混杂旌旗灯号微节制器是此问题的最佳办理规划。

图4:采纳混杂旌旗灯号微节制器的防夹系统

这种做法让设计职员使用一颗微节制器同时履行马达的通讯功能和监控马达电流。通讯噪声可由芯片内建的模拟数字转换器直接在马达电源电路的电传布感器(亦即分流电阻)上侦测。这种措施能更正确分辨马达处于迁移转变或掉速状态,不仅对照器电路不需再增添一段固定延迟光阴,就算车窗已经半开也可供给完备的防夹功能。

如图5所示,系统会根据历史数据和参数谋略结果设定可变的马达电流临界值,以便动态相应马达负载更改和将系统扭力限定在适当范围,同时将经久身分(例如马达磨损和密封材料老化)和短期身分(例如情况、湿度、温度和振动)都列入斟酌。别的,系统还能与其它的电子节制装配(ECU)互换信息,把外界温度和车速等信息当成加权输入来抉择适当的临界值(参考图6)。使用其它系统不仅会前进整系一切效能,还能避免在车上重复安装传感器的额外资源。

图5:应用可变临界值后的车窗关闭历程电流变更

图6:存储在内存表格的情况参数与历史数据,它们可用来抉择临界值

增长市场

汽车利用占8位微节制器贩卖额的三分之一,不仅市场规模已跨越30亿美元,每年还以将近10%的速度增长。汽车嵌入式系统设计职员必须成长更靠得住、更低资源和更高集成性的办理规划,是以必要最先辈的微电子建构方块供他们应用。对这类下一代汽车电子利用来说,兼具强大年夜模拟与数字效能的混杂旌旗灯号微节制器恰是最符合成本效益的办理规划。

责任编辑:gt

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