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未来智能汽车的 5 大技术趋势

供稿:中国工控网 2016/8/26 9:16:52

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据美国交通部称,仅在美国,机动车每年的行驶里程数就超过了4万亿英里。* 为了理解这一数字所代表的距离,想象一下光从太阳到达地球大约需要8 分钟,但走完美国机动车每年行驶的里程则需要8个多月。以上统计数据并不代表人们渴望在路上花更多时间,而是表述汽车在日常生活中扮演的核心角色。由于角色重要,人们越来越期待车辆系统更安全,其提供的个人化辅助和易用性水平也能像机动车驾驶员和乘客的手机和平板电脑提供的一样。 


消费者需求和竞争压力促使厂商提高汽车、卡车及其它公路车辆的智能化水平。例如,雪佛兰沃蓝达(Chevy Volt) 汽车中使用了近100个微处理器,共运行约1000万条代码,使得雪佛兰沃蓝达的软件运用比波音787梦幻客机、以前的航天飞机和当代的喷气式战机还丰富。在这种电动汽车里,主流的汽车设计越来越依赖更加复杂精细的电子系统。 


今天,设计师们可以利用各种日益强大的硬件和软件技术来创建更复杂全面的汽车解决方案。结合AUTOSAR (AUTomotive Open System Architecture,汽车开放体系结构)等基于标准的平台,制造商们可以将各种汽车子系统混合及匹配,满足特定的成本、性能和功能要求。实际上,汽车技术的进步接踵而至,但最显著的进步主要以汽车技术领域的五种关键趋势为中心。 



技术趋势 #1:先进驾驶辅助系统 (ADAS) 


ADAS基于嵌入式可视技术,其设计旨在降低驾驶过程本身中驾驶员的负担。根据这种概念,可视系统围绕在车辆周围,旨在形成保护车辆免受驾驶员失误、道路障碍、其它车辆和行人等影响的保护罩。利用其视觉处理能力,这些系统为车上安全系统提供识别和追踪信息,实现车道偏离告警、防撞、驾驶员疲劳检测和其它更多保护功能。 


嵌入式视觉系统的识别和实时跟踪能力传统上需要图像捕获和处理技术领域高度专业化的知识。如今,很多资源能帮助我们简化这些复杂视觉系统的开发。专业视觉处理器、多核CPU和视觉软件库的组合,让每个工程师都拥有了复杂视觉的能力。事实上,多种开发工具套件,例如安富利的Blackfin嵌入式视觉启动套件等,都能通过提供构建这些解决方案所需要的全套硬件、软件和测试功能,显著降低视觉式系统的准入门槛。 



技术趋势 #2:先进电机控制 


除初级驱动电机外,高级汽车还装配了驱动各类油泵、风扇、压缩机、旋转器、制动器和自动驾驶装置的专用电机控制系统。大多数情况下,受效率和控制能力最大化的渴望推动,工程师们渐渐舍弃传统的标量控制系统,转而采用更复杂的数字矢量控制算法,以提供最大扭矩并且加/减速的速率精确受控。新兴的无感控制方式进一步促成更多高性价比解决方案出现,为工程师提供驾驭先进级矢量控制方法强大力量的最大化电机能力。 


复杂的电机控制方法提供极大灵活性,但对设计师而言充满挑战。实际上,要使矢量控制设计的电机在任何极端情况下能都稳定工作,就需要高度专业化的知识,并且在开发周期较短时往往会陷入困境。Zynq®-7000 All Programmable SoC/ Analog Devices智能驱动套件等开发套件的出现,极大地简化了这些技术的应用(图1)。智能驱动套件包含一整套开发软件、电机控制参考设计和大气污染,还包括最新的Analog Devices数据转换器和基于ARM Cortex-A9 双核处理器的Xilinx Zynq-7000 All Programmable SoC。 

 

图1: Zynq®-7000 All Programmable SoC/ Analog Devices智能驱动套件等综合开发套件的出现,让复杂电机控制应用不再需要电机控制算法的专业化知识


德州仪器 (Texas Instruments) 采用其基于C2000的Piccolo MCU系列,进一步将电机控制功能压缩到单芯片解决方案内。德州仪器这些专门的MCU在片上ROM中集成了该公司的InstaSPIN电机控制软件解决方案,进一步缩短这些复杂应用的开发周期。



技术趋势 #3:引擎/能源管理系统 


人们对更远行驶距离和更低燃料成本的渴望,提升了在车辆销售时,每加仑行驶英里数额定指标的重要性,也刺激引擎管理向高效数字化系统转化发展。除了在电动和混合动力汽车中提供严格安全的电池监控功能,管理系统还为优化燃油或电池能量利用率提供所需的能量监测、分析和控制。 


当在全车分散布设控制系统成为电机控制技术的趋势时,引擎管理的方式却是将信息从外设向中央控制器集中。因此,这些管理系统面对的困难,是将来自动力传动系统的实时传感器测量数据,与燃料或能量单元使用的复杂模型相协调,以优化整体工作状态(图2)。 



图2:引擎管理系统需要处理实时传感器输入并设置电机和开关,以实现我们所渴望的车辆性能与效率间的平衡(来源:NXP半导体)


对设计人员而言,一系列广泛的车用传感器、数据转换器和微处理器为这些解决方案提供了主要部件。NXP半导体的MC33975这类的器件配合集成的MCU,可实现多达22路模拟输入线路向MCU上集成数据转换器的多路传输,进一步简化设计,降低成本。



技术趋势 #4:图形化界面 


汽车设备厂商不断响应消费者对更强大信息娱乐系统的渴望。目前许多级别的机动车都提供触摸屏显示控制台,设置在中控台、扶手、椅背甚至后视镜上(参见“全新TFT LCD技术塑造未来汽车信娱系统”一文)。这些解决方案的核心中,都使用薄膜晶体管(TFT) LCD提供分辨率、对比度和屏幕尺寸等所需设置的组合。制造商利用车上显示屏的触摸功能,为车辆所有者提供“像智能手机一样”的车辆信娱和控制系统图形化接口,甚至允许相似的第三方应用程序商店提供范围更广的车载式服务。 


半导体制造商做出的回应是越来越多使用LCD和高集成度支持的显示管理。拥有片上LCD控制的MCU能简化设计且减少元件数,使得这些越来越重要的汽车功能得以提高可靠性并降低成本。 



技术趋势 #5:物联网的系统中的汽车系统 


因为与交通相关的设施对复杂性和安全性的要求极高,很少有系统应用的处理能力和交互式计算能力能与高档汽车的水平相匹敌。结合无所不在的社交网络,也许再没有其它应用能提供更大的互连潜力,将智能汽车、卡车和其它车辆连接到一个物联网中,能优化车辆性能,实现乘客区内外的最佳用户体验。 


正如以上每种趋势一样,这种趋势也利用了芯片制造商的能力,将更强的功能集成到更强大的微处理器中。这种情况下,集成无线连接能力不仅简化了汽车子系统间的通信,而且也能用于车辆与外部事物相连,如外部网络、交通控制系统甚至其它车辆。在物联网广泛进入家庭和商业领域的愿景下,互连的车辆及其来源丰富的数据将为更多服务提供未开发的潜力,例如预见性维护、性能动态、交通管理以及可能最重要的一点,即增强的安全性和突发状况响应能力。 


很少有工程领域与汽车电子设计领域一样必须结合复杂性和安全性考虑。不过,在先进汽车电子的帮助下,制造商正快速提供隐藏了设计复杂性的开发解决方案。反过来,这些现成的解决方案通过更先进的ADAS、电机控制、引擎管理、车内人机界面和车外通信,承诺提供更强安全性、更低价格和更高性能。 


审核编辑(郑益文)
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