汽车电子开发焦点：安全、舒适、节能

中国庞大的汽车市场催生了汽车电子的蓬勃发展，而随着消费者对汽车的安全、舒适、节能等要求不断提高，汽车电子系统已经成为支撑汽车产业发展的新增长点。“高端市场更强调汽车的安全和舒适系统，比如车距保持系统、智能灯光控制系统、全景辅助驾驶系统、信息娱乐系统等。低端市场更注重节能省油和低成本。”富士通半导体(上海)有限公司汽车电子产品经理丁洁早指出。

提高燃油经济性，减少二氧化碳排放是整个汽车工业的主要推动力，为进一步提高效率，要求每个汽车的子系统都尽可能减少耗能，因此几乎所有的子系统都要求电子化。从传统的发动机控制，到简单的车灯、车窗、空调、后视镜，由半导体器件驱动的电子系统会在汽车上全面普及。

针对提高安全性和可靠性的ISO26262标准会被广泛应用，主流车厂会强制要求(尤其是高端的安全系统)，符合ISO26262的安全系统会成为标配：如ESP、EPS、TPMS、侧气囊、ADAS。低端市场会更加关注性价比，安全系统更多是采用选配的形式。但安全气囊和ABS在低端轿车上已经是标配，并且受消费市场的驱动，EPS和TPMS的装配率也会越来越高。

中国汽车电子市场的现状

中国汽车电子技术水平正在逐年提升，但汽车安全和环保法规的严苛以及对于成本的敏感使得中国本土的汽车电子厂商大多集中在一些开发简单，技术含量较低的系统上，中国的汽车电子与世界先进水平仍有较大差距。不过，随着半导体厂商开始将产品开发和技术支持向中国市场倾斜，这种状况有望得到突破。

“中国本土的汽车电子厂商主要专注于低端市场，并且大多数应用中还是处于刚刚起步的阶段。不过，我们很高兴地看到，越来越多的本土汽车电子厂商开始与跨国配套商竞争，甚至有几家优秀的已经在为欧系一流车厂提供电子系统。”英飞凌已经开始根据本土客户的要求订制符合中国市场的专用芯片，以适应中国的需要，如近期推出的摩托车单缸发动机控制系统芯片。“为方便中国用户，我们会尽力提供解决方案，包括控制软件。在客户开发进程中，英飞凌资深工程师还会参与设计评审，提供修改意见，以便让用户能方便地使用芯片。”

德州仪器(TI)同样在中国汽车市场与诸多合作伙伴合作密切，可支持几乎所有汽车终端设备团队的众多研发工作。本地开发与 TI 其它研发中心在汽车产品研发方面形成互补，可为客户提供适用于汽车应用的完整信号链解决方案。另一个优势则是可帮助 TI 为中国客户群提供更多符合本地特定规范的产品。

爱特梅尔(Atmel)公司汽车电子亚太区营销总监吴彦翔亦非常认同中国市场的蓬勃发展，“无论高端或低端的汽车都在加入越来越多的电子特性。例如，简单的遥控无匙汽车的车匙已经演变为带有起动停止按键的被动无匙门禁系统(图1)。”因此，一线供应商都在试图创建其特有的利基解决方案，以满足采用多种不同平台的众多本地OEM厂商的需求。

图1：爱特梅尔针对汽车门禁系统的高性能、具成本效益的RF IC。

富士通半导体(Fujitsu)的丁洁早则认为中国汽车电子市场拥有一些独有的特点，例如要求半导体厂商尽量提供基于芯片的系统参考设计方案；低端产品应最大限度地降低系统BOM成本，高端产品要增加更多的功能卖点；新能源汽车相关的电子系统开发非常热门。富士通特别针对中国市场开发了MP3 ASSP，针对低成本的CD-less和CD/MP3汽车音响，集成MCU、MP3/WMA/AAC/OGG多格式音频解码器、USB/SD接口、AUDIO DAC等功能，还开发了完整的参考设计方案，包含蓝牙免提和iPod/iPad连接功能。

恩智浦半导体(NXP)汽车电子事业部全球销售与市场副总裁Drue Freeman介绍了随着中国汽车电子市场的快速成长，公司将如何不断加大对中国市场的投入。例如，恩智浦于2011年4月宣布在中国成立注重研发、创新和客户应用支持的全新汽车技术中心，同时还将其汽车电子事业部全球销售与市场营销总部迁至中国上海。

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信息娱乐系统满足多样化需求

车载信息娱乐系统正在成为汽车差异化的重要手段。随着无线互联网接入变得更加方便，信息娱乐功能也将随之增加。例如，视频图形质量要求更高的处理能力。对于针对音频和无线通信的音频/视频和蓝牙设备而言，要求USB、iPod或HDD存储设备具有即插即用选项。(图2)

图2：车载信息娱乐系统的功能越来越丰富。

随着成熟的系统越来越多，这些模块将会同电源状态交互，并根据电源状态优化性能，从而需要更高的智能来实现一种系统级管理协议。另外，车载功能中 PC设备的引入意味着车载信息娱乐系统和其他类似系统的控制将连接计算机型网络，服务于娱乐系统。无线音频、蓝牙和语音激活将成为系统标准。

恩智浦率先推出了全球首款采用单一相同平台的软件可编程芯片，该芯片适用于从DAB、T-DMB、DRM到HD的一系列全球性数字广播标准。这一多标准平台也非常适合与802.11p WLAN协议一同使用，而且业内已认可将该协议作为Car-to-x(汽车对多应用)通信的未来标准。目前，恩智浦正在着手与汽车行业的OEM合作伙伴开展大规模的现场测试。此外，恩智浦还倡导大规模推广eCall——可在发生事故时自动联系急救人员的紧急呼叫系统。经过现场测试证明，体积不到两欧元硬币大小的智能车载信息技术解决方案ATOP能够满足欧盟所有的技术要求，并可应用于任何国家和地区。

在全球高端汽车音响的音频DSP上，ADI拥有超过50%的市场份额。ADI的DSP芯片可以根据每个车型的车内空间以及所配的喇叭做调整，以达到最佳状态，所有的软件都是图形化界面，不用编程，在使用过程中可极大方便用户。同时，在原来的SigmaDSP基础上将会推广高端的音频DSP(如SHARC/Blackfin)，这些目前都已在高端车(Audi/BMW/Benz等等)上大批量使用。ADI公司高度集成的处理器、转换器和接口产品能够满足新一代无线电、后座娱乐和多媒体辅助应用的严苛要求。当前及新一代汽车应用放大器不仅能够将家庭娱乐体验带入车内，同时还可增加以汽车为中心的多项功能，如有源噪声消除(ANC)和有源音响设计(ASD)等。

富士通公司强调车载信息娱乐系统的最新发展要求SoC必须满足三方面需求：极高速的CPU主控，如高达1GHz以上的CPU主频；支持更多消费类电子的常见功能，如1080P高清解码和RMVB支持等；更高的芯片集成度以节省系统BOM成本，如集成内部3D GDC、TCON驱动、更多模拟视频输入接口等(图3)。富士通公司的最新产品正在将其在汽车行业的传统优势和高清机顶盒的消费类娱乐功能相结合，将在2012年推出新一代面向车载信息娱乐系统的单芯片解决方案。

图3：富士通用于汽车数字仪表板和导航系统的图像显示LSI芯片。

在多媒体信息娱乐系统中，如何增强界面系统的易用性也是技术趋势之一，最突出的解决方案是用于多媒体、GPS和HVAC控制的触摸面板控制技术。电容式触摸接口为汽车OEM厂商提供了全新的中央控制台设计方向，并可实现更适合未来发展的汽车设计。例如，它可为设计人员提供功能丰富的仪表板设计，采用高能效LED照明实现各种智能照明方式。爱特梅尔的maXTouch和QTouch解决方案已提供汽车等级型款。

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安全系统成为发展最快细分市场

汽车安全系统市场是规模最大、发展速度最快的汽车电子细分市场之一，并将在未来几年保持这一趋势。目前关键的需求和挑战将集中在技术方面：比如提供更高的集成度和复杂度，这主要是由于故障安全设计特性(如冗余和内置安全自查)的要求。目前，安全气囊和自动刹车系统(ABS)等先进的安全系统已在大部分汽车中广泛普及。来自德州仪器的观点是，在中国当前发展阶段的任务包括：让自动稳定控制系统像ABS一样普及，并应用更多技术，如智能自适应巡航控制、盲点预警、轮胎压力监控，以及融入现有安全控制系统的事故前调节系统。

例如，TI面向气囊部署推出了 TPIC71004-Q1四通道气囊爆管驱动器，该四通道爆管器件是多爆管驱动器器件系列的新成员，可为气囊设计人员根据其系统需求迅速、低成本地扩展设计提供高度的灵活性。该系列与 TI 针对汽车安全系统设计的产品系列及综合支持网络相结合，可充分满足气囊、刹车、稳定性控制、胎压监控系统以及电动助力转向系统等应用需要。

除了安全气囊，TPMS的安装率也正在大幅提高。TPMS中国标准已经推出，预计5年后这个标准将会成为强制法规。作为全球最大的TPMS芯片供应商，英飞凌已提供一整套TPMS的解决方案。该解决方案采用的SP37系列，涵盖了450Kpa、900Kpa和1300Kpa的所有应用，是目前全球涵盖面最广，芯片内部集成度最高的TPMS芯片，并且后续会根据市场的要求推出一系列SP40等性能更高的芯片。此外，EPS的应用越来越广泛，尤其在合资品牌的车上将成为标配。该应用最大的技术难题是如何做到整个系统的高安全和可靠度，这需要很强的系统和软件设计能力。

另一方面，汽车行业在驾驶人员辅助系统领域取得了巨大的进步，切实地丰富了驾驶体验，能够为驾驶人员提供宝贵的周边道路环境信息。在过去20年里，诸如超声波停车辅助、自适应巡航控制、车道偏离告警这样的驾驶人员辅助系统已经进入高端车辆。近期，汽车制造商又增加了后视摄像机、盲点检测和环视系统供用户选择。但除了超声波停车辅助系统，其他驾驶人员辅助系统并未普及开来。不过根据研究机构Strategy Analytics的预测，今后10年驾驶人员辅助系统的使用将大幅增加。

“用于采集关键信息的远程传感器的创新以及用于解读这些信息的相关处理算法的创新，为普及驾驶人员辅助系统起到了助推作用。随着时间的发展，驾驶人员辅助系统将更为精巧，也将从高端车辆走入主流车型。其中FPGA 处理将发挥重大作用。”赛灵思(Xilinx)亚太区销售及市场总监张宇清强调。

张宇清解释说，这个领域面临的最大问题是需要对高分辨率图像进行实时处理，但这是串行 DSP力所不能及的。另外这是一个新兴市场，在开发周期中标准变化快，应用要求变动大，算法发展快，要求系统供应商采用灵活和可扩展的解决方案来保证能够跟上最新的变化。FPGA非常适用于驾驶人员辅助处理平台的要求。FPGA的并行处理方式能够提供实时传感器数据处理所需要的高数据吞吐能力。可编程器件和IP模块允许在不明显影响产品上市进程的情况下进行后期设计修改。可重配置硬件则提供了“在系统”实现功能调整和产品升级的灵活性。FPGA产品多样化的密度和封装意味着能够根据应用需求在标准平台的基础上轻松进行扩展和功能捆绑。

赛灵思为四摄像机环视系统提供完善的目标设计平台，支持多台摄像机，具备将四幅图像拼合为无缝完整图像的能力。赛灵思综合运用多种图像处理 IP、鱼眼透镜补偿技术和像机偏移量补偿技术，提供单幅完整图像供泊车使用。这些解决方案能帮助汽车行业客户快速完成产品开发，并缩短产品上市时间。

可视倒车系统和360度全景辅助驾驶系统同样有望在市场获得广泛采用。目前的全景辅助系统只能实现固定的视角，且不能有效识别附近的汽车和行人。采用富士通最新MB86R11芯片设计的360度全景辅助驾驶安全系统，采用先进的3D演算法，利用装在车体四周的多部摄影机，把四路摄影机的影像相结合，组成一个涵盖360度的全方位车辆围绕立体视图。该技术的重要创新是能提供动态更新的可自设视角，或"自由视角点"。

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电动/混合动力汽车亟待解决电池瓶颈

在未来数年，提高汽车的能源效率将是关键要求，随着燃料供应的衰竭和燃料成本不断增长，业界正在寻找提升能源效率的方法，如混合动力或全电动引擎方案，减少汽车的总体功耗。这并不仅仅涉及汽车本身，还包括了充电站等生态系统。预计到2020年左右，电动汽车和混合动力汽车将会在全球非常普遍，成为主流的交通工具。不过，从内燃机转变到电动型汽车等可替代技术代表着汽车行业的巨大转变。这种转变需要开发大容量、高功率密度、安全和坚固的能量存储与交付系统。

凌力尔特(Linear)公司产品市场经理Brian Black指出，“与第一代混合电动型汽车中使用的镍氢金属电池相比，较新的化学组成一般要求较高的测量和监视准确度，以在不同汽车中使用和最大限度地延长电池组寿命。这要求可随温度变化提供高准确度、电池管理系统所需关键模拟功能的智能集成、以及在严酷环境中提供坚固可靠性的产品。”凌力尔特推出的LTC6803器件采用可叠置架构(图4)，允许多个芯片以菊花链方式连接成一长串，其中每个IC都对12节电池中的每一节提供准确测量。测量值经过滤波，再传送回主控制器，以进行进一步分析，并通过一条坚固的 SPI 连接采取行动。LTC6803 还提供欠压和过压监视以及温度测量。该器件以内置的放电FET支持均衡算法。它还包含广泛的内置诊断和故障检测功能。在中国、欧洲、美国和日本，LTC680x系列器件已经用在路上行驶的量产汽车中，其高性能已得到证实。

图4：凌力尔特的LTC6803器件采用可叠置架构，其中每个IC都对12节电池中的每一节提供准确测量。

电池技术是新能源汽车的重要驱动力，亟待降低成本，保证使用安全。高压电动汽车面临的主要挑战是如何优化电池本身的性能。汽车电池组中有多个电池单元，如果未能得到有效管理，则整体性能将取决于组中最弱的电池单元。针对这两个技术难点，ADI推出了锂电池监控和保护系统产品，该系统集成锂电池安全监控器可以帮助用户实现故障安全电路，并为之构建安全环境的安全监控器件。这款全新的监控器为设计人员提供了开发完整电池监控和保护系统前端所需的解决方案。可监控六个电池单元的电压和温度输入，由电池组供电，可以针对过压、过温或欠压这三种状况中的任何一种提供共享式或单独式报警，不仅确保使用者的安全，改善电池性能并延长续航时间，还能监控和平衡每个电池单元。

在锂电池管理系统中，ADI的iCoupler数字隔离器也被很多的车厂和模块供应商认可，如三菱汽车公司已经宣布会在下一代“i-MiEV”全电动汽车的锂离子电池供电系统采用此类产品。TI推出的BQ76PL536电池管理集成电路，不但可延长充电锂离子电池组的使用寿命，而且还可最大限度提高混合动力电动车应用的有效能量。

本文来自《电子工程专辑》2011年11月增刊《汽车电子特刊》，为本刊作者原创，谢绝转载。