MCU、MPU助力物联网进军汽车行业
发布于2023-12-21
引言
当代汽车的连接日益增加，已经司空见惯。最初的时候，油压、防冻液温度和燃油液位等汽车传感器通过仪表盘上的警告灯图标提醒驾驶员注意相关问题。后来，集成的全球定位 (GPS) 成为了汽车制造商在车辆中最早引入的智能功能。马自达在1990年推出的Eunos Cosmo车型中率先配备了包含GPS的汽车通信系统。今天的汽车还集成了自动泊车和车道偏离辅助等自动功能。
现在每辆车的多个系统有超过100个微控制器和微处理器，它们控制着从打开前灯到调节废气排放，再到车辆如何与仪表盘交互的一切。下面我们将介绍传感器的发展与应用，以及传感器数据如何通过软件控制的功能提高驾驶安全性、舒适性和连接性。
MCU、MPU架起车辆与物联网之间的桥梁
数据是物联网 (IoT) 的命脉。为了使电脑正确响应并通过算法来提高设备性能，工程师必须收集大量数据。而车辆周围和内部的传感器就负责收集数据。然后系统处理数据，用这些数据来控制汽车中以前要手动操作的功能。处理器或微控制器接受数据并将其恢复到程序算法可以评估的格式。然后，控制器可以根据收集到的数据做出适当的响应。影响最大的汽车数据有三类：排放、性能和乘客舒适性。
从车辆到外部接收器的自动数据传输可以尽可能地减少车辆信号和响应之间的延迟。借助此功能，汽车可以与其他用户、车辆或智能城市互动。
车联网技术概述
推动汽车制造商增加传感器使用的主要因素有三个：排放法规、提高道路行驶性能、乘客舒适性和安全性。这几个因素决定了传感器的应用，并诠释了软件控制崭露头角的原因。
排放法规（动力总成）
继机油、防冻液和燃油测量之后，联邦排放法规迫使汽车制造商升级其传感器技术以监测燃烧性能，这带来了排放输出值。因此，工程师研发出了歧管绝对压力 (MAP) 传感器，用于控制发动机性能，减少排放。MAP传感器测量歧管压力，而发动机控制单元则利用测得的压力计算空气密度和质量流动速率。
将这些参数相结合，就可以实现燃油用量控制自动化，让燃烧尽可能充分。此外，尽量接近理想配比的燃烧化学反应，可以让燃烧更充分，从而限制不必要的燃烧反应产物，减少有害排放。通过更加充分的燃烧和减少不想要的燃烧产物，发动机可以更高效地运行。这种情况还有另外一个好处，那就是更高效的燃烧可以减少结焦和其他碳氢化合物产生的废气排放，如氮氧化物 (NOx)。
随着二十世纪60年代初首次实施的汽车尾气排放法规进一步收紧，汽车制造商提高车载传感器的测量灵敏度和性能的需求也水涨船高。为了满足这一需求，他们开发了微机电测量系统传感器 (MEMS)。这些新式传感器用于通过压力测量实现发动机控制，很快扩展到了整部车。MEMS的两个相互关联的因素使其非常适合用于发动机控制：电子智能与机械测量参数的集成、传感器在车上占用的空间很小。这两个因素的结合为数据采集和软件控制提供了经济实惠的高性能解决方案。目前出厂的车辆都使用了MEMS来提高发动机性能，减少排放，提高安全性和便利性，传感器的重要性也在日益提升。
率先实现新的排放目标将会使一些汽车制造商处于优势地位。利用数据和车载过程/控制，用户有机会率先将有害排放降至监管规定的目标以下，迫使竞争对手奋起直追。
提高道路行驶性能（底盘）
除了动力系统性能提升外，测量底盘道路性能的传感器也有了长足进步。这一刻就是车辆自动驾驶相关功能在历史上的转折点。这些应用的实例包括自动刹车系统 (ABS)、路噪消除、牵引力控制和自动泊车。传感器还测量振动数据以控制稳定性，并测量轮胎压力以防止爆胎。
原则上，这些功能以安全为中心，同时也附加带来更顺畅的驾乘体验等好处。例如，工程师可以使用这些数据来设计更稳定的车架，优化轮胎距离和位置以实现平衡和支撑，并通过采用传统驾驶习惯提升防抱死制动系统性能来缩短刹停时间。此外，改善道路行驶体验对提高整体驾驶体验也至关重要。物联网可以响应车辆生成的数据，以确保驾驶员的安全，并自动将车辆移动到不易损坏的位置。
乘客舒适性和安全性（驾驶室和外部）
传感器日益普及的第三个领域是乘客舒适性。随着智能手机和互联技术的兴起，驾驶员已成为车上的联网界面与可定制技术的用户。MEMS将安全性放在了汽车行业最重要的位置，改进了正面和侧面安全气囊弹出的模式和时机。它们还可以更准确地预测在环境照明条件发生变化时，应在何时打开大灯。
在舒适性方面，工程师可以使用传感器的数据来记住驾驶员的偏好和功能设置，如座椅温度和方向。此外，传感器还可以协助导航，而驾驶员对用户界面的偏好可以指导软件控制偏好设置。这很可能是MCU/MPU对乘客影响最大的应用。
驾驶位上的软件
在车内部署MEMS传感器和其他技术让车辆软件工程师可以调整和优化驾驶体验。Utopia是一个足够强大的数据集，微处理单元 (MPU) 可以接收、分析和预测该数据集并响应当时的条件，驾驶员无需实施控制。但挑战在于内燃机 (ICE) 用软件控制设置的能力有限。电气化是迈向实质上由软件控制车辆环境的推动力。
遍布车辆的MPU和微控制器 (MCU) 就像人脑一样来实现驾驶员和乘客所期望的汽车性能、安全性和舒适性。这是迈向自动驾驶体验的又一步。由于大多数电动汽车都适合软件控制，因此汽车制造商的产品线将变得更简单，并为客户提供更高的灵活性。处理平台可以支持上述领域的软件控制。这里有三个例子来展示软件控制功能的实用性。
动力总成
系统架构师选择16位数字信号控制器（DSC）和MCU用于一系列内燃机车和电动汽车（EV）动力总成应用。这种发展趋势的一个重要好处是，这些平台可以在严苛的工作条件下提供实时响应和高可靠性。此外，还可以通过软件进行电机控制、废气再循环 (EGR) 阀门操作以及水泵和油泵控制。虽然这些16位器件主要用于动力总成，但也有利于改进车辆软件控制的电源管理、电池充电和外部照明。
适合软件应用的组件可以提供数字信号处理以增加DSC数据吞吐量。先进的DSC和MCU通过双向模拟/数字转换器对脉冲宽度进行调制，从而最大限度地提高双向速度和性能。
底盘
高级驾驶员辅助系统和防抱死制动系统等道路行驶应用需要更多的内存才能运行。与16位相比，32位解决方案可以访问更多的内存，而且通常在更高的电压下运行，扩大了其适用范围。虽然32位控制器的容量更大，但其结构仍然足够紧凑，适用于汽车，可以提供道路行驶应用所需的性能。
驾驶室和外部
要实现复杂、新颖、现代的软件控制汽车功能，32位MPU是功能强大的设计平台的理想选择。该解决方案可以处理信息娱乐和驾驶员-汽车交互界面。32位MPU具有可媲美完整电脑的处理能力，可以分析大量数据供车载电脑处理内存消耗比较大的应用，并通过先进的安全功能防范网络威胁。
除了提供驾驶室和外部应用所需的容量外，32位MPU还包含用于保障数据完整性的安全功能。此外，市场领先的MPU还提供嵌入式音频和视频功能来丰富用户体验。这些功能可以提高系统的数据处理准确性，从而增强软件定义响应的有效性。
结语
物联网正在以前所未有的速度促进数据生成。处理器对数据进行收集、整理和处理，使软件和自主功能可以减少车辆的碳排放，提高安全性和性能。
MCU和MPU在我们的汽车中已经非常普遍。不过，随着电动汽车的日益突出，16位和32位MCU，以及32位MPU等解决方案已准备好提供软件控制的现实。当设计师使用这些组件来帮助处理大量的传感器数据时，他们可以利用现有的数据处理基础设施为软件控制汽车奠定基础，促进自动驾驶汽车的发展。
作者简介
Adam Kimmel拥有近20年执业工程师、研发经理和工程内容撰稿人经验， 编写过白皮书、网站副本、案例研究以及博客文章，涉及汽车、工业/制造业、科技和电子等垂直细分市场。Adam拥有化学和机械工程学位，并且是工程和技术内容写作公司ASK Consulting Solutions, LLC的创始人兼总负责人。