汽车电子开发焦点：导航、娱乐与安全
今天，汽车电子系统已成为每一辆新车的重要组成部分。在每种新车型的开发中，汽车制造商都采用非常复杂的电子系统来实现车辆安全、远程通信和信息娱乐功能。这些复杂电子系统的成本在车辆总成本中已占到22％，而且预计到2010年，这一数字还将达到40％。中国汽车市场的蓬勃发展为中国汽车电子系统开发行业提供了一个难得的发展机遇，尽管国内汽车制造商一时还很难在发动机、底盘、机械加工和整车装配方面与国外同行相匹敌，但在电子系统设备开发领域，鸿沟并不是那么明显。我们完全可以在某些点上取得突破，例如GPS图形导航和定位、汽车后座电视和影音娱乐系统、依靠CMOS图像传感器的倒车和车道校正系统、LED尾灯显示系统以及汽车立体声或多声道音响系统，再逐渐掌握整个汽车电子系统设计的主导权。“受技术壁垒的影响，国内还无法设计某些高端的汽车电子产品，但是影音娱乐产品的技术水平已经达到与国际同步。相信在未来几年，车载娱乐和导航产品领域将有一个飞跃式发展”，深圳航盛电子有限公司的市场部经理张涛这样谈到。
现在的汽车全身都布满了电子系统，按功能来分类的话可以划分为4大部分：动力系统和安全系统、舒适设备和车辆控制、辅助驾驶、信息娱乐和通信。具体来说，动力系统和安全系统又可细分为发动机管理、电子悬挂系统、线传操控、制动系统、动力转向、安全气囊、安全报警系统、胎压监控、变速箱；舒适设备和车辆控制又可细分为仪表板/组合仪表盘、照明/座椅、空调控制、语音识别、远程无钥进入、雨刷/车窗控制；辅助驾驶又可细分为夜视、车道偏离报警、自动巡航控制、碰撞报警、辅助停车/倒车、平视智能显示；信息娱乐和通信又可细分为远程通信、导航/GPS、多媒体系统、音响系统、后座电视影音娱乐系统、以及游戏控制台。
汽车电子设计向“平台”概念演进
今天，一个典型的汽车设计周期为24至36个月，与5年前的60个月相比，时间大大缩短了。设计周期的缩短给系统厂商带来了极大的压力，他们必须尽快为汽车制造商提供设计原型和产品展示。汽车制造商对产品过时的担心推动了汽车电子设计PLD的发展，这些因素要求汽车设计人员的设计方案不仅具有很好的灵活性，而且还要在成本目标之内满足性能要求，这就迫使设计人员必须考虑采用具有低成本结构并且器件资源丰富的PLD解决方案。此外，随着汽车导航系统、后座娱乐系统和辅助驾驶等数字设计内容的大量出现和成为主流，系统设计人员必须为不同的目标市场群体和不同的价格档次快速开发具有不同功能组合的型号。而这迫使汽车电子设计向 “平台”概念演进，即在一个基本设计中实现不同的型号。汽车音频、视频和数据的融合进一步推动了平台概念的发展。
车载娱乐与导航系统
汽车信息娱乐系统主要可分为三大类：音频(CD)、视频(DVD)以及导航和远程信息服务。其主要特征为：同时进行多种多媒体处理(GPS导航和AV播放)、处理和显示时间的同步性(地图、风景的移动和照相机影像显示等)、多画面化和多重显示化(驾驶座位和后部座位的画像处理等)。
半导体技术的进步使传统的简单音视频系统(如收音机、CD、DVD等)成为历史，人们对汽车娱乐的最新要求是，希望车载娱乐系统能达到与家中同样的效果，以及具有与消费电子产品相连的灵活性。因此，支持汽车和便携设备进行通讯的单一平台是IC供应商面临的新课题。
ADI公司亚太区市场业务总监Todd Borkowski表示，目前最新的进展已经可以将USB、MP3、蓝牙、iPod和杜比带入车内。但这势必需要提供更复杂的体系结构和更高性能的处理器。“正如在消费领域的其它产品一样(例如计算机、家庭娱乐中心、便携式娱乐设备)，车载已成为一种汇聚应用，它通过将音频、视频和数据汇集起来进行娱乐。现在的车载娱乐中心须提供导航、集成的视频和辅助驾驶应用，还需要连接到提供个性化服务的内容，并保护文件不被恶意内容损坏。”针对这一要求，ADI公司的Blackfin汽车远程信息处理平台充分利用一颗单处理器的强大功能，通过将许多远程信息处理任务集成到一个处理平台来降低远程信息处理系统的成本、尺寸和开发时间。带有数字信号处理器和控制处理器的Blackfin是一款灵活的汇聚器件，能够支持多种标准和给汽车提供多种格式的内容，并可提供CAN总线和MOST总线连接。
另外，昂贵和开发时间较长一直是GPS系统发展的瓶颈问题。Blackfin处理器也是解决这些问题的办法之一，在GPS系统中，Blackfin处理器的性能能够取代大量独立的处理器子系统，为远程通信系统开发者提供合适的处理能力。
“由于需要识别和传输来自多个源的数据，车载多媒体系统的工程设计面临着前所未有的挑战。尽管下一代车载网络可以处理车载娱乐系统产生的数据，但并不是仅需一个更广的数据通道就可以解决这些挑战。最复杂的应用会涉及识别视频、音频及3D图形等数据流，然后以正确的格式导入正确的设备。”NXP半导体汽车和智能识别产品大中华区高级市场总监张焕麟坦言。例如，在导航系统中，要获取实时的GPS数据以报告交通状况或重新安排行车路线，就必须使用3D渲染引擎。而车载摄像头可帮助驾驶者从360度全方位观察到车内各个角落，增强驾驶者的安全。在这种情况下，信息娱乐系统必须可以同时解码多种视频流，包括摄像头、以及来自DVD或其它数据源的娱乐信息。而系统集成商面临的挑战是：系统设计必须可以满足不同市场的需求。由于全球主要汽车市场的收视习惯、传送技术和多媒体格式都不相同，这将会是一个艰巨的任务。
要满足市场对多媒体娱乐系统的要求，必须采取新的设计思路。NXP提供的Nexperia平台可以解决这些问题，这是一种智能的解决方案，芯片不仅非常灵活，而且可以升级。Nexperia车载信息娱乐平台源于消费电子所用的Nexperia多媒体平台，符合对处理功耗和灵活性的要求，并包含车载应用所需的工程基础，如完美调谐所需软件和硬件架构。解决方案包含一个可编程芯片，其高性能DSP引擎与模块软件架构相匹配，这一架构可根据新的编码解码器和通信标准进行调整，还可加快新软件元件的集成速度。
新一代音频系统的要求不断提高速度和集成度的音频处理器。受价格和功耗等影响，以往最基本的汽车娱乐系统局限于普通的音视频系统，音响系统也不是很复杂。但近年来由于DSP处理性能的改善及模拟电路和周边元件的集成化带来的系统成本降低等，与模拟系统相比越来越有利，已在车载市场得到广泛的应用。
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图1：采用Cyclone II EP2C5 FPGA的汽车图形系统参考设计模块图。 |
现在的新车中大量采用导航系统、后座娱乐系统和游戏控制台等汽车电子系统，这些消费类应用需要完成各种图形处理功能。此外，道路偏离报警系统和夜视系统也要进行大量的图形处理。目前FPGA技术的突破已经可以在车内实现家庭影院那样高质量的图形显示功能。
采用FPGA实现的电子系统具有很强的图形处理能力。与微处理器和多种消费类接口简单连接相比，FPGA的优势在于它能够提供更灵活的解决方案。FPGA体系结构提高了高速数据传送的效率。在FPGA中，在数字域中并行处理这些数据，而不是在外部微处理器中进行串行处理。
Altera提供丰富的知识产权(IP)内核组合，用于设计下一代多媒体应用。这一产品组合包括面向介质的系统传送(MOST)和控制区域网(CAN)IP内核，以及滤波和数字传输控制协议(DTCP)等数字信号处理(DSP)功能IP内核。Altera的视频和图像处理解决方案可以实现各种图形处理应用。低成本 Cyclone II FPGA 与这些IP内核相结合是一种最佳的图形处理方案。目前Altera已可提供汽车图形控制器等参考设计。
瑞萨公司主推的高端汽车导航系统解决方案SH7770 SoC是一种集信息终端、播放影像和音乐功能于一身的汽车信息系统(CIS)平台。SH7770首次将2D/3D图形引擎和32位RISC CPU内置于汽车导航用单芯片方案中。由于采用了有别于传统处理方式的3D图形加速器，SH7770仅需要处理最终可视区域，这使得存储器读取速度大大加快。此外，为了使斜线锯齿更加平滑，瑞萨还在该芯片中采用了颜色渐变技术。这些都大大提高了CIS平台的图像处理能力。
“软件是导航系统设计的难点之一”，航盛电子的张涛表示，“目前导航系统采用的地图都是2维的，但未来3维导航系统的兴起将带来一些难题，例如导航主机要与地图匹配，对地图进行读取和操控等都是待解决的难题。”目前该公司针对低端市场开发了一款具有自主知识产权的导航系统HS-N0602，这款导航仪采用SD卡存储数据，集成了数字电视、蓝牙、DVD、GPS、收音机等功能，预计将于明年1月量产。
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图2：采用Cyclone II EP2C5 FPGA的汽车图形系统参考设计模块图。 |
现在汽车安全系统主要采用的是被动安全，例如我们所了解的安全气囊系统、轮胎压力监测系统(TPMS)等。将来随着技术的发展，会出现主动和被动安全系统分别发展并走向融合的趋势，如雷达主动防撞，结合占位检测的智能安全气囊等。
美国新颁布的公路安全法规，使TPMS一跃而成汽车行业发展最为迅猛的领域。目前的TPMS系统可分为两类：直接TPMS和间接TPMS。直接TPMS在每个轮胎内都设有胎压传感器，这些传感器通过射频(RF)信号将压力和其他信息传送到中央接收器里；而间接TPMS没有压力传感器，需要依靠ABS系统内的速度传感器来侦测和比较轮胎转速的不同。间接TPMS无法满足美国TREAD法案对精确度的要求，该法案规定即使轮胎充气率达80%以上，TPMS系统也必须可以监测得到。直接TPMS成本虽然更高，但精确度也更高，此外，它还可以监测并显示轮胎的温度，无论轮胎漏气严重与否都会发出警报。并且能够实现零速度测量和多轮胎亏气情况探测。
飞思卡尔半导体中国区汽车电子业务拓展经理康晓敦表示：胎压监测需通过无线传输来完成，因此无线传输的可靠性及其抗干扰性是TPMS设计时的一大挑战。另外，大多数汽车生产商现在都要求直接TPMS的电池使用寿命能维持7到10年。要达到这个要求，每个组件必须提供电流极低的备用或闲置模式，以及高效的测量和传输硬件等。除了能耗问题以外，体积过大的笨重电池肯定不是合适之选。为了安装方便，轮胎端模块须保证尺寸足够小。
基于上述要求，对半导体芯片提出的新要求是：高度集成化(单芯片方案)、无线发射和接收准确(双向)，可以识别汽车是在运动还是静止(加速度传感器)，当然对轮胎压力和温度的测量也是必不可少的。将以上所有功能集成于一个封装内是TPMS的未来发展方向。
飞思卡尔推出的MPXY8020轮胎压力监控传感器由电容压力传感元件、温度传感元件、具有唤醒功能的接口电路组成，所有这些元件都在一个芯片上。该芯片封装在薄型小尺寸封装中。凭借SSOP的小巧尺寸和增强的介质保护功能，MPXY8020成为阀杆、轮胎安装式TPMS远程传感器模块的最佳打包解决方案。
不过，汽车电子产品有其独特性，这些设备必须能在严格的行驶条件下达到100%的可靠性，同时又要保证它的低成本。NXP半导体的张焕麟提出，除了可靠性，成本也是TPMS设计须考虑的重要因素之一。有市场趋势显示，车主和购车者并不愿意为TPMS支付额外的成本，因此，在美国已有汽车制造商开始部署非常简单的TPMS系统来响应这一市场需求。
NXP的P2SC芯片是TPMS系统后集成模块的重要元件，通常包含一个UHF接收器模块，及4到5个后集成模块(视是否使用备胎而定)。芯片本身包含一个8位RISC控制器、一个承载设备固件的ROM或闪存模块、一个存储客户应用的ROM模块、一个存储设备刻度数据和不同客户特殊数据的EEPROM、一个片上温度传感器、一个连接胎压传感器和加速传感器等外部传感器的接口、一个对外部传感器测量内容进行数字化的模数转换器、一个唤醒系统的LF接口等其它必要的元件。NXP正在开发的第二代P2SC芯片将直接集成UHF传输器，可调节传输的波特率、承载信号频率和输出信号功率，而不需要改变任何硬件。这样，TPMS系统的功耗和生产成本都将大大降低。
作为被动安全的另一个重要组成：传统安全气囊的设计已经比较成熟。实际上，设计难点已经转向加速度信号的采集，处理和碰撞时安全气囊打开的算法等。这些在系统设计方面基本已无难度，难的方面在于如何根据不同车辆进行匹配与标定。当然占位检测问题也需要解决。据康晓敦介绍，飞思卡尔半导体基于高性能Flash技术的MCU配以多轴的加速度传感器，可以帮助用户更快地进行信号的采集、处理、分析。并可记录行车时的实际信息，缩短用户的设计周期。另外，该公司基于电磁场感应的占位检测传感器，可以大大提升整个安全气囊的性能。
汽车防盗系统主要包括被动无钥门禁(PKE)、遥控门禁系统(RKE)和发动机防盗锁止系统。目前应用得比较广泛的是RKE系统：只要按下电子钥匙上的按钮，该系统就可以关闭或打开车门，它还集成了防盗锁止系统。而被动无钥门禁更为方便，只需拥有一个有效的应答器就可方便地进出车辆。
以往，由防盗器提供授权码来启动引擎与遥控车门的功能是分开独立运作的。NXP半导体率先推出将以上两种功能集成在一颗单芯片上的应答器，其拥有的HITAG2+车用遥控门锁应答器(PCF7946)，结合了现有HITAG器件(PCF7936)经过验证的防盗安全功能以及遥控门锁的便利性。另外，该公司最新开发出的双向智能钥匙还能够提供更高的防盗性能。藉由双向身份验证或相互交叉验证技术，汽车遥控门锁可以轻易地加入汽车防盗系统中，提高客户使用汽车的便利性。
张焕麟对双向智能钥匙的优势进行了总结：其一是更易于使用。双向钥匙可通过LED或LCD显示屏在钥匙上显示汽车的状态，从而确认汽车是否已经上锁，引擎是否仍在运转。与传统RKE系统相反的是，用户可以按下按钮锁死钥匙，这样，有关汽车的信息会通过喇叭或者闪光灯传递给用户。另一个优势就是安全性大大增强。传统的单向钥匙向汽车传输信号时，面临着被截获或攻击的危险。而使用双向解决方案时，用户可以利用“攻击—反应”等加密安全运算法则对钥匙和汽车间的传输数据进行加密。
Atmel公司的汽车RF高级市场经理Marcel Hennrich对此亦有认同，他认为遥控门禁系统既可以是一个单向解决方案，也可以是一个双向解决方案，现在Atmel已经在现有汽车平台上实现了这两种解决方案，到底采用哪种解决方案取决于汽车制造商的选择。即将推出的双向RF链路解决方案具有一个反馈通道，用来接收密钥卡(key fob)上的反馈信息，例如闪烁的LED或显示器上的开关指示。但双向解决方案的劣势在于其成本更高。
Microchip公司汽车产品部门经理Willie Fitzgerald则指出，考虑到持续的成本压力，TPMS和被动无钥门禁系统之间的相似性使它们可以共享一些通用组件。例如，它们可以共享RF接收器来实现面向密钥的传输，共享轮胎中传感器/发送器单元的胎压监测。用来产生磁场激活压力传感器的天线线圈还可以用来激活PKE密钥。Microchip推出了适用于智能化125kHz低频无线识别应用的独立模拟前端(AFE)器件MCP2030。这一新款模拟前端器件配备三通道的应答器，具有可编程天线调节功能，调制深度低至8%。该器件适用于被动无钥门禁、胎压监测系统、数据采集及其它无线识别应用。
文章出处：电子系统设计
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