为汽车行业提供物联网的MCU和MPU

简介

当代汽车日益增加的连接性能已经不足为奇。在初期，油压、冷却液温度和燃油液位等汽车传感器会通过仪表板上的警告灯图标，提醒驾驶员需要注意的问题。后来，集成全球定位 (GPS) 成为汽车制造商在车辆中引入的最早智能功能，马自达在 1990 年的 Eunos Cosmo 中集成了第一个包含 GPS 的移动通信系统，如今的汽车还集成有自动泊车和车道偏离辅助等自动功能。

目前每台车的各个子系统大概拥有100多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板交互的一切。下面我们将回顾传感器的发展和应用，以及这些传感器数据如何通过软件控制功能提高我们驾驶的安全性、舒适性和连通性。

MCU、MPU 在车辆和物联网之间实现联通

数据是物联网 (IoT) 的命脉。为了让计算机做出响应并通过适当算法来提高设备性能，工程师必须收集大量数据，车辆周围和内部的传感器用途就是收集这些数据。然后对数据进行处理并用于控制汽车中以前通过手动实现的功能。处理器或微控制器接受数据并将其复原到程序算法能够评估的形式。然后，根据收集到的数据，控制器可以用适当的动作做出响应。影响力最大的汽车数据有三大类别：排放、性能和乘客舒适度。

从车辆内部到外部接收器的自动数据传输系统能够最大限度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、车辆或智能城市进行交互。

车联网技术概述

驱动汽车制造商增加传感器使用的因素大概有三个：排放法规、改进的道路性能以及乘客舒适性和安全性。这些领域定义了传感器的应用，并预示着软件控制技术的出现。

排放法规（动力总成）

在对油、冷却液和燃料进行测量之后，按照新的排放法规，要求汽车制造商升级其传感器技术以监测燃烧性能，从而减少温室气体排放。因此，工程师开发了歧管绝对压力 (MAP) 传感器来控制发动机性能和限制废气排放。 MAP 传感器测量歧管压力，发动机的控制单元用它计算空气密度和质量流速。

这些参数的组合能够自动控制燃料供应量，以实现最大限度地燃烧。此外，实现尽可能接近化学计量的燃烧化学操作可最大限度地提高燃烧程度，限制产生有害气体排放以及不希望产生的燃烧反应产物，通过更高程度的燃烧反应和减少不希望的燃烧产物，可使发动机更高效地运行。这种情况也导致另外的好处，因为更高效的燃烧减少了结焦和其他未充分燃烧的碳氢化合物产生的废气排放，例如氮氧化物 (NOx)。

汽车排放法规的进一步收紧促使汽车制造商提高车载传感器的测量灵敏度和性能。为了满足这一需求，他们正在采用微机电（MEMS）测量系统传感器。这些新颖的传感器专为通过压力测量来控制发动机而设计，并已经在整个车辆应用中迅速扩展。 MEMS 两个相互交织的因素使它们更加擅长于发动机控制：电子智能与机械测量参数的集成以及传感器在车辆上所占据的较小空间。这两个因素的结合为数据采集和软件控制提供了一种经济、高性能解决方案。由于当今采用 MEMS 技术构建的车辆可以提高发动机性能、减少排放、增加安全性和增加便利性，这种传感器的重要性也在不断提高。

实现新的排放目标首先会使某些汽车制造商处于优势地位。通过利用数据和车载过程/控制能够为用户率先提供将有害排放减少到监管目标以下的服务，从而迫使竞争者竞相迎头赶上。

改进的道路行驶性能（底盘）

除了能够对动力总成性能带来好处之外，在底盘上进行道路行驶性能测量的传感器也在不断进步，目前的场景正是历史上与车辆自主行驶所需有关功能的交汇点。这些应用示例包括自动刹车系统、道路噪音消除、牵引控制和自动停车等。传感器还能够测量振动数据，以进行稳定性控制，也可以测量车轮轮胎压力以防止爆胎。

这些功能主要以安全为中心，但所带来的其它好处包括更顺畅的驾驶和乘车体验。例如，工程师可以通过分析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更优化的平衡和支撑，并利用传统驾驶习惯改善防抱死制动系统性能以减少停车时间。此外，改进道路行驶体验对于提升整体驾驶体验至关重要。物联网可以对车辆生成的数据做出反应，以确保驾驶员安全，并自动将汽车移动到不容易受伤害的位置。

乘客舒适度和安全性（驾驶室和外部）

促使传感器普及率提高的第三个因素是乘客舒适度。随着智能手机和互联技术的兴起，驾驶员已成为车辆中互联界面和可定制技术的最直接用户。由于安全性一直是处在汽车行业的前沿，应用MEMS 可以改进前部和侧面安全气囊释放的模式和时机。如果环境照明条件发生变化，它们还可以更准确地预测何时自动打开前大灯。

而在舒适度方面，工程师可以使用传感器的数据来记录驾驶员的喜爱和偏好，以及座椅温度和方向等功能设置。此外，传感器还可以帮助导航，驾驶员在用户界面的偏好可用于引导软件控制方面的偏好，这一优势可能是 MCU/MPU 所带来的对乘客最具变革性的应用。

驾驶座位上的软件

在车辆内部署 MEMS 传感器和其他技术能够使车辆软件工程师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) 可以完成接收、分析、预测，并对当时条件做出反应，而无需驾驶员进行控制，但挑战在于内燃机 (ICE) 对于软件控制设置的能力有限，提高电气化程度是实现由软件控制车辆的最大推动力。

遍布车辆各处的 MPU 和微控制器 (MCU)类似于人类的大脑，能够实现驾驶员和乘客所期待的汽车性能、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于软件控制，汽车制造商的产品线将会变得更加简单，同时能够为客户提供了更高的灵活性。处理平台能够支持对上述领域进行软件控制，这里举三个例子来展示软件控制功能的实用性。

动力总成

系统架构师可以选择16位数字信号控制器（DSC）和MCU用于许多内燃机（ICE）和电动汽车（EV）动力总成应用，该发展趋势的一个重要好处是，这些平台能够在严苛的操作条件下提供实时响应和高可靠性。此外，它们还可以实现软件控制的电机控制，排放气体再循环（EGR）阀门操作以及水和油泵控制等。 这些16位设备虽然主要用于动力总成，但同时也有利于改进由车辆软件控制的电源管理、电池充电和外部照明等。

那些适合软件应用的元器件能够提供数字信号处理以增加DSC数据吞吐量。先进的DSC和MCU采用用双向模拟/数字转换器调节脉冲宽度，以最大程度地在两个方向提高处理速度和性能。

底盘

高级驾驶员辅助系统和ABS等车辆公路行驶应用需要具有更多的内存才能运行。 32位解决方案通常能够比16位提供更多的内存，并且能够在更高电压下运行，以扩大其应用范围。尽管32位控制器具有更大容量，但在汽车部署时仍然足够紧凑，同时可以提供车辆公路行驶用例所需性能。

驾驶舱和外部

对于最复杂、最新颖和最现代的软件控制功能，32位MPU是功能强大设计平台的最佳选择。该解决方案可处理信息娱乐和驾驶员-汽车交互界面。由于32位MPU具有类似完整计算机的处理能力，它能够对大量数据进行分析，以保证车辆计算机通过高级安全功能来防范网络威胁。

除了能够提供驾驶室和外部应用所需的容量外，32位MPU还包含用于数据完整性的安全功能。此外，市场领先的MPU可提供嵌入式音频和视频功能以丰富用户体验，这些功能可提高系统的数据处理精度，从而改进软件定义响应的有效性。

总结

物联网正在以前所未有的速度生成数据，而进行数据采集和组织，并采取相应动作的处理器则能够支持和实现多种软件和自主功能，从而降低车辆的碳排放，提高安全性和性能。

MCU和MPU在我们的汽车中已经相当普遍。但是，随着电动汽车在市场中变得越来越重要，诸如16位和32位MCU，以及32位MPU之类的解决方案已经准备就绪，完全可以实现软件控制汽车的目标。当设计人员使用这些元器件来帮助实现大量传感器数据的处理时，他们可以利用现有的数据处理基础架构为实现软件控制汽车奠定基础，同时推动完全自动驾驶汽车的发展。