- 中國就已經成為僅次于美國的全球第二大汽車市場
- AFS為保障駕駛安全增添砝碼
- LED、HID在汽車車燈應用中大放異彩
- 功能日益強大的智能進入系統
中國的汽車產業在今年很有可能觸及或跨越年產銷一千萬輛這個門檻，事實上在實現這個目標以前，中國就已經成為僅次于美國的全球第二大汽車市場。在當前的汽車中，汽車電子系統所占的比重越來越大，很多特色化的功能都是依賴汽車電子技術來實現的，如果說在制造數量上我們已經占據了非常重要的位置，那么具體到汽車電子行業，我們又該如何和國際同行們實現同步呢？在本世紀第一個十年的最后兩年，有哪些汽車電子應用會成為熱點，實現這些應用又將面臨哪些挑戰？筆者就此問題遴選了幾大熱點應用采訪了相關的一些業內專家，希望可以對中國從事汽車電子系統設計的讀者有所幫助。這些熱點應用包括自適應汽車前照燈、LED尾燈和HID前燈、智能化的無鑰進入系統、可視和雷達倒車系統等。
AFS為保障駕駛安全增添砝碼
車燈對保障駕駛安全所起到的作用是顯而易見的，而在實際應用中，傳統的前照燈系統存在著諸多問題。例如，現有近光燈在近距離上的照明效果不佳；還有對于車輛轉彎時存在的照明暗區以及車輛在雨天行駛時地面積水的反射眩光問題，現有前照燈系統都不能很好的解決或改善。自適應汽車前照燈（Adaptive Front Lighting System, AFS）系統所帶來的變革則可以幫助駕駛者輕松面對這些問題。
所謂AFS就是指能自動改變兩種以上的光型以適應車輛行駛條件變化的前照燈系統。據飛思卡爾全球汽車市場總監Steven Nelson先生表示：“目前，市場上的AFS有很多類型，包括從相對便宜的水平系統到所謂的燈光“彎曲”應用。水平系統基于車輛的載重調節燈光的垂直瞄準，這類系統在歐洲受到了管制。更先進的“彎曲”應用則可以根據車輛載重、加速/減速、方向盤角度、天氣條件等信息，動態地更改燈光瞄準或光束模式。這類系統一般由步進馬達控制。”舉例來說，如在彎道行使時，傳統前燈的光線因為和車輛行駛方向保持一致，所以難免存在照明的暗區。一旦在彎道上存在障礙物，極易引發交通事故，此時AFS則會產生旋轉光型的光線，給彎道以足夠的照明。
瑞薩電子（上海）有限公司汽車電子市場中心總經理崛田慎吉先生表示：“有兩類控制可以改變前大燈的方向。一類需要真正轉動短焦距前大燈，另一類不是轉動前燈，而是轉動反光鏡。但無論哪種情況，都需要增加電機和變速箱。決定轉動角度的輸入信號為轉向角、車輛速度信號、方向燈以及倒轉開關等。”對傳感信號的處理、前大燈角度的計算以及對電機的控制等是由MCU、傳感器和電機驅動器來完成的。現有的汽車電子系統已經可以采集轉向角信號、車速等信息并具備了方向燈和倒轉開關等器件，而對電機的控制則與其它電機沒有區別。崛田慎吉還表示：“AFS在設計上的挑戰主要在于定義規格、進而決定AFS如何工作以及MCU軟件的設計。在AFS方面，瑞薩的MCU已經在許多日本汽車上應用了五年之久。瑞薩能提供16位MCU/M16C系列和R8C系列，以滿足客戶的不同需求。”
對于AFS下一步的發展趨勢，崛田慎吉認為在未來的AFS中，一些汽車制造商正在考慮集成圖像識別功能，以檢測行人、車輛和路邊障礙物。在此應用中，需要帶有圖像識別功能的32位處理器。瑞薩適用于自適應巡航控制（ACC）和車道偏離警告系統（LDWS）的產品SH7774同樣適用于未來的AFS。在更新的系統中也開始采用LED轉向燈，在這類系統中，有一系列可以操縱的LED來提供水平、彎曲等功能，因此不再需要馬達支持。
LED、HID在汽車車燈應用中大放異彩
據凌力爾特公司電源產品市場經理Tony Armstrong介紹，發光二極管（LED）被應用于汽車尾燈已經有十多年的歷史。而安華高科技光電子產品部汽車LED產品市場經理Boon-Hooi Lim先生表示：“已經有越來越多的汽車在整個車尾組合燈具（RCL）（包括停車燈、轉向燈、尾燈和反光燈等）中使用LED。”Tony Armstrong還介紹：“高強度放電燈（High Intensity DischargeLamp, HID）燈包括所有在普通照明中使用的高強度氣體放電燈，而用于汽車中的HID主要指HID氙氣燈，通常被用作汽車前照燈。”
為什么要在汽車車燈中使用LED，世強電訊的專家表示：“與傳統的車用信號燈（如白熾燈）等相比，LED具有節能、壽命長、免維護、防爆、易控制和環保等優點，加上LED自身獨立的冷光特性，使得燈具的外形不會因為長期受熱而變形，從而提高整套燈具的壽命。而且隨著技術的革新和市場的興起，當前困擾LED的發光功率和成本這兩大瓶頸問題也都將得到解決。”
據Tony Armstrong先生介紹用于汽車尾燈的LED主要是紅光LED，它們在把電能轉換為光輸出方面具有非常高的效率。因此困擾LED應用的散熱對紅光LED來說不是問題。Boon-Hooi Lim也表示：“散熱不再是LED尾燈系統設計中最大的挑戰。隨著越來越多功率從0.25~1W、甚至更高功率的LED涌向市場，汽車尾燈設計師很容易根據設計風格和可用散熱空間對LED做出正確的選擇。”他還表示：“最近發布的大多數LED尾燈設計從0.25W和1W LED轉向了0.5W，因為0.5W產品提供了極具競爭力的成本與流明性能比，非常適合大多數汽車尾燈使用。”安華高在2008年二月就發布了非常適合汽車尾燈照明使用的超級0.5W PLCC-4表貼LED。
LED尾燈應用的主要難題是在所有的運行狀況下保持一致的亮度。飛兆半導體公司車身電子/智能開關產品總監Gary Wagner表示：“為了保持一致的亮度，需要準確的電流控制。而為了提供無閃爍得運行，良好的線路調整也非常必要。最好的方法是使用電流控制的升壓轉換器，將LED串聯起來，形成兩個或更多的并行LED串，用于冗余設計。飛兆半導體提供廣泛的功率元件以應對以上汽車照明設計的挑戰。”安森美半導體資深應用工程師Brian Blackburn則表示：“LED組合尾燈要獲得廣泛應用，恰當的驅動器設計非常重要，其中采用線性類型的驅動器能夠限制功率耗散，而只有LED在功率耗散方面受到限制，所謂的長壽命才能夠實現，安森美的驅動器正可以很好的限制功率耗散。”
對于前燈應用，據世強電訊的專家介紹：“HID因其亮度高、壽命長、節能、色溫性好、安全可靠等優點，已經成為奔馳、寶馬等一流名車的標準配置。”HID前燈是由燈泡本身、觸發單元和控制單元或鎮流器組成的。由于靠近發熱的燈泡，并且要經受車輛行駛中的振動，這些元器件要求具有溫度穩定性和機械穩固性。就此埃普克斯的汽車薄膜電容產品市場經理Martina Auer表示：“埃普克斯的薄膜電容可以耐受高達150℃的工作溫度，存儲溫度可達170℃。且不同的引腳版圖允許系統經過優化提供最高的機械穩定性。6kV/μs的脈沖寬度使得薄膜電容特別適用于觸發電路。”
除此之外，飛兆的Gary Wagner表示：“因為需要縮減整個HID系統的體積，如何應對功率密度和EMI要求成為設計上的挑戰"世強電訊的專家也表示：“把HID燈用作汽車大燈，有兩個關鍵問題需要解決：1. HID鎮流器的EMC問題；2. HID的鎮流器的控制部分必須具有很強的適應性，能適應冷燈、熱燈，以及各種不同品牌的燈，并具有對一些故障的智能保護功能。”世強電訊有基于SILABS MCU的單芯片全數字HID鎮流器解決方案。對于EMC問題，該方案除了充分考慮傳統的EMI抑制措施外，還采用先進的擴頻控制技術（變頻變占空比），讓干擾信號在某一頻段上的能量不能累積，從而減小EMI的影響。對于控制部分，該方案采用SILABS的高速MCU，用一顆單芯片實現了冷熱燈識別、燈點亮、恒功率控制、PWM輸出、故障處理等功能，具有優秀的適應性。
除了HID氙氣燈被用于前燈應用，高亮度（HB）的LED也可以被用該類應用當中。Tony Armstrong先生表示：“HID氙氣燈的生產制造成本非常昂貴，因此其用途僅限于高檔車輛。隨著技術的進步，近期推出了HB LED，因此HID氙氣燈的使用量將迅速減少。”飛兆的Gary Wagner則表達了并非完全相同的觀點，他表示：“未來LED頭燈很可能代替HID頭燈，但用于頭燈的LED距離真正的商業化還需5~10年時間，目前LED頭燈仍存在成本問題，比HID頭燈要貴4~5倍。”看來不管是HID頭燈還是LED頭燈都面臨著成本過高的問題，因此目前LED頭燈被首先應用在高端的豪華車型中，如雷克薩斯、奧迪和卡迪拉克等，即使是這樣LED前燈也只是主要被用作白天行車燈（DRL），然后是集中在高檔汽車上用的近光燈，而要想在更多的新款汽車上看到前燈使用LED作遠光燈尚需一定的時日。不過LED頭燈可降低電能使用需求，將運行頭燈所需要的功率瓦數由120瓦大幅減少至近40瓦；另外LED還能夠被融入到非常纖薄的造型線條之中，這些都是促進汽車廠商在前燈中使用它的推動力。
相對于LED的尾燈應用，散熱問題對于前燈應用來說依然沒有完全解決。凌力爾特的Tony Armstrong就表示：“HB LED車前燈的供電確實必需特別關注熱設計，原因是它們通常需要50W的供電功率。”安森美半導體資深應用工程師Brian Blackburn透漏：“某些系統采用了風扇來對LED頭燈進行冷卻。但這種類型的冷卻對于LED頭燈的長期可用性來說，并非好事。”世強的專家就此問題表示：“多個LED集中在有限的空間中，將造成散熱困難，LED模塊溫度升高，會導致LED的壽命降低，并加速LED的光衰、影響LED驅動器等元件的效率和可靠性（一般元件的工作溫度需控制在80℃以下）。溫度升高，還使LED輸出的光波長發生變化，改變顏色特征，有可能影響汽車照明。”他表示：“解決散熱問題，從生產廠家的角度來講，可以采用新材料，采用新的封裝技術，增大PN結的散熱面積等；從設計者應用者來講有幾個方案可選擇，包括選擇高質量的解決方案；進行熱量控制，當溫度升高時減少電流，以降低功耗；還有選擇進行合理的熱設計等。”
功能日益強大的智能進入系統
遙控門鎖（RKE）、無鑰門禁（PKE）是目前各類車型上最易見到的智能進入系統，防盜是研發這些系統的初衷，現在它們的功能正變得越來越豐富。比如在PKE系統上增加汽車尋找和RES（遠程啟動發動機）功能。恩智浦半導體汽車電子大中華區高級市場經理張建臣先生表示：“這些都是在北美非常流行的汽車接近系統功能，也是他們認為在下一代PKE系統中應該增加的。”
據Microchip汽車產品部門亞太區的市場經理Stephen Chan介紹：“PKE應答器是高端汽車的主流配置，現在也開始在普通汽車中快速普及。使用PKE應答器,用戶只需攜帶應答器就可以開啟車門，不必再手動按動應答器上的按鈕。”PKE系統由基站和應答器單元組成。基站單元用125kHz頻段發送命令，PKE應答器則通過外部UHF發送器實現遠距離的命令接收和響應發送，或者在相同的125kHz頻段上使用內部回傳功能實現短距離應用。他還表示：“PKE系統設計工程師需要解決的挑戰性任務是在任何可能的工作條件下可靠地檢測基站命令，同時保持所有其它設計參數不變，如電池電能使用率以及天線的物理尺寸等。”
而為了在PKE上實現汽車尋找和RES功能，下一代的PKE需要將射頻鏈路擴展為雙向射頻通信（315/434MHz），最大通信距離要達300米。有了雙向射頻鏈路后，鑰匙端可以從汽車端取得反饋信號，同時向汽車發送命令。硬件方面，需要根據不同算法和系統程序從8位到32位MCU中選取合適的MCU。Microchip的PIC16F639就是一款功能強大、容易編程（只有35個單字節指令）、基于CMOS閃存的8位微控制器，只需增加一個應答器模擬前端就能使該器件適用于PKE系統。它采用Microchip公司強大的PIC MCU架構，在20引腳封裝中集成了KeeLog兼容的加密模塊、PLVD、雙比較器和256字節的EEPROM數據存儲器。
對于雙向PKE來說，系統安全性、功耗和通信距離是最主要的三大挑戰。RES功能需要涉及發動機控制單元（ECU），因此安全性非常重要，恩智浦公司的張建臣先生強烈建議使用與鎖車系統相同的算法來確保安全性。雙向射頻通信將導致更大的功耗，這與傳統的RKE技術有根本的區別。采用傳統的SAW發送器技術時距離只有約30米。在新的應用中，必須選擇基于PLL的專用收發器芯片。恩智浦公司是發動機防盜鎖止系統（IMMO）和PKE市場中領先的半導體供應商，基于恩智浦解決方案從PKE可以很容易升級到的更加智能的進入系統，這些方案采用相同算法、相同技術并且相同的ECU接口。而NXP解決方案的一些關鍵特性也能夠幫助設計師應對以上提到的三大挑戰：1. 集成的HITAG2/AES128算法以確保汽車安全。2. 通過低頻鏈路實現電池再充電功能可以解決功耗問題。3. 致力于完善射頻技術的產品種類，采用Frac-N PLL實現發送器、接收器和收發器可確保長距離通信。
可視和雷達混合倒車系統讓您不必回頭、倒車無憂
現在的雷達倒車系統已經可以為駕駛者提供許多幫助，但它并不完美，由于電磁波的散射特性，如果地面有尖銳的突起或存在橫在半空的棱角狀物體，現有的系統并不能有效地察覺，因此許多老司機都告誡新手在倒車的時候一定要回頭看一看實際的情況。如果為倒車系統增加可視功能，駕駛員在倒車時不必回頭就可對車后的情況了然于胸。
OmniVision的專家表示：“使用多個傳感器的可視泊車系統已經非常成熟。在英菲尼迪（Infinity）的EX和寶馬七系上都使用了4~5個攝像頭，最終綜合輸出這4~5個攝像頭采集到的圖像來實現可視的泊車功能，圖像看起來就像是從高處俯視得來的一樣。”他進一步表示：“傳感器的分辨率可以是VGA到百萬像素水平。如果是VGA，可能會需要4~5個攝像頭；如果是百萬像素，2~4個攝像頭就夠用了。而且成本效益更好的CMOS圖像傳感器將在可視和雷達混合系統中代替昂貴的CCD傳感器。”OmniVision能夠以最低的BOM成本提供彩色高動態范圍CMOS傳感器。由于具備極低的感光度和進行了專門的改進該公司的攝像頭可以實現晝夜全天候工作。
不過，增加類似的功能，對成本的把握非常重要，因為它畢竟不是必不可少的功能，消費者愿意為其付出多少金錢也是車廠需要考慮的因素。ADI的DSP和嵌入式處理器產品技術市場經理楊燁表示：“要談論一個倒車系統的成本，必須了解一個前提，那就是在車輛正常行駛的過程中，泊車的時間所占的比例是非常小的，通常不會超過1%。所以，無論是以視覺為基礎還是雷達為基礎的系統（或者二者的結合），如何利用系統在其余99%的時間內的處理能力就成為了問題的關鍵。”
他進一步表示：“基于以上前提，一個成本優化的系統，必須具備靈活性和可擴展性。靈活性是指除了系統最基本的功能（倒車圖像、雷達顯示和告警）以外，還需要具備系統供應商所獨具的一些差異化的功能，如系統能夠對廣角鏡頭造成的失真進行線性化補償（魚眼校正），能夠通過自動曝光，自動對焦，自動白平衡等改善圖像質量，能夠通過圖像系統和雷達系統的組合判斷是否告警以及告警的級別，能夠通過多攝像頭的方式實現車輛俯視合成圖像，以提升用戶體驗。可擴展性是指系統可以通過不增加成本或增加很少成本的方式實現除了倒車輔助以外的其他功能，比如在車輛上通過安裝前置的CMOS傳感器/雷達的方式，實現車道偏離告警，自動巡航控制，行人監測，夜視等功能；通過在車輛內部安裝傳感器的方式實現乘員的狀態監測；通過在車輛兩側安裝傳感器，實現盲點監測。也就是說通過擴展在車輛正常行駛過程中的多種功能，以及提升在泊車過程中的用戶體驗，系統供應商可以大大增加產品的附加值，卻不需要增加太多的成本。”
如何更好的融合這兩種不同的系統，以向駕車人提供一個更準確的駕車參考，避免事故發生，減少生命財產損失，對系統供應商來說是非常大的挑戰。如何在不同場景下對這兩種系統的輸入進行有效的綜合判斷，給出一個最接近實際情況的結果，是體現不同系統供應商功力的重要標準。一個典型的例子是正午陽光直射的情況下，車尾正對陰暗的車庫門倒車，由于CMOS攝像頭自動曝光的介入，車內顯示屏可以清晰的顯示車庫外的景象，卻無法看清車庫內的障礙物，這時就需要借助雷達的探測結果，對障礙物的距離和方位進行探測，對這兩個結果進行判斷，并給駕車人適當的提示。
基于系統必須具有靈活性和可擴展性的討論，系統中的主處理器必須具有非常高的處理能力，豐富的接口，以及能滿足低成本到高性能不同需求的代碼兼容的內核以確保代碼可重用。ADI的楊燁先生表示：“通常的ASIC芯片由于其固有的限制，很難同時滿足上述的要求，而一個通用的處理器卻可以很好的完成這樣的任務。”ADI的Blackfin處理器提供了從低端400MHz單核到高性能的500MHz雙核處理器，提供了一系列符合汽車工業標準，并且代碼兼容的處理器系列，供客戶針對不同的系統成本和規格需求進行選擇。Blackfin家族成員所具備的豐富接口，可以無縫連接CMOS、LCD和雷達傳感器，內置的支持多層圖像疊加，色域轉換的硬件加速單元，使客戶可以自由靈活的擴展系統，而不需要外部擴展額外的外圍芯片。而且ADI所擁有的豐富的第三方網絡可以提供一系列的關鍵算法，客戶可以直接利用以縮短產品上市時間，更可以以此為基礎擴展自己所獨有的功能。
除了以上提到的這些應用，還有一些應用也非常有特點。比如電動防夾車窗、比如可加熱后視鏡等，它們都能以較低的成本有效的為架乘者提供方便和提升駕乘的安全性。又比如可提前啟動或者可預先設定溫度的智能空調，對于炎熱地帶或者寒冷地帶的用戶就特別有用，可以讓他們一進入車中就享受到舒適的溫度。總之，提高汽車的舒適度與安全性是汽車電子廠商和設計師持續創新的原動力；在可以預見的未來，汽車電子的熱點也將圍繞著這兩個主題展開，而是否能以市場接受的成本將這些創新變為現實則是他們最終能否從熱點成為賣點的關鍵所在。
