汽车电子

車用電子－打造未來智能化汽車　嵌入式系統扮演要角

智能传感器与现代汽车电子

一、汽车电子操控和安全系统

    近几年来我国汽车工业增长迅速，发展势头很猛。因此评论界出现了一些专家的预测：汽车工业有可能超过IT产业，成为中国国民经济最重要的支柱产业之一。其实，汽车工业的增长必将包含与汽车产业相关的IT 产业的增长。例如，虽然目前在我国一汽的产品中电子产品和技术的价值含量只占10%—15%左右，但国外汽车中电子产品和技术的价值含量平均约为22%，中、高档轿车中汽车电子已占30%以上，而且这个比例还在、不断地快速增长，预期很快将达到50%。

   电子信息技术已经成为新一代汽车发展方向的主导因素，汽车（机动车）的动力性能、操控性能、安全性能和舒适性能等各个方面的改进和提高，都将依赖于机械系统及结构和电子产品、信息技术间的完美结合。汽车工程界专家指出：电子技术的发展已使汽车产品的概念发生了深刻的变化。这也是最近电子信息产业界对汽车电子空前关注的原因之一。但是，必须指出的是，除了一些车内音响、视频装备，车用通信、导航系统，以及车载办公系统、网络系统等车内电子设备的本质改变较少外，现代汽车电子从所应用的电子元器件（包括传感器、执行器、微电路等）到车内电子系统的架构均已进入了一个有本质性提高的新阶段。其中最有代表性的核心器件之一就是智能传感器（智能执行器、智能变送器）。

   实际上，汽车电子已经经历了几个发展阶段：从分立电子元器件搭建的电路监测控制，经过了电子元器件或组件加微处理器构筑的各自独立的、专用的、半自动和自动的操控系统，现在已经进入了采用高速总线（目前至少有5种以上总线已开发使用），统一交换汽车运行中的各种电子装备和系统的数据，实现综合、智能调控的新阶段。新的汽车电子系统由各个电子控制单元（ECU）组成，可以独立操控，同时又能协调到整体运行的最佳状态。例如为使发动机处于最佳工作状态，就需要从吸入汽缸的空气流量、进气压力的测定开始，再根据水温、空气温度等工作环境参数计算出基本喷油量，同时还要通过节气门位置传感器检测节气门的开度，确定发动机的工况，进而控制，调整最佳喷油量，最后还需要通过曲轴的角速度传感器监测曲轴转角和发动机转速，最终计算出并发出最佳点火时机的指令。这个发动机燃油喷射系统和点火综合控制系统还可以与废气排放的监控系统和起动系统等组合，构筑成可使汽车发动机功率和扭矩最大化，而同时燃油消耗和废气排放最低化的智能系统。

   还可以举一个安全驾驶方面的例子，出于平稳、安全驾驶的需要，仅只针对四个轮子的操控上，除了应用大量压力传感器并普遍安装了刹车防抱死装置（ABS）外，许多轿车，包括国产车，已增设了电子动力分配系统（EBD），ABS+EBD可以最大限度的保障雨雪天气驾驶时的稳定性。现在，国内外的一些汽车进一步加装了紧急刹车辅助系统（EBA），该系统在发生紧急情况时，自动检测驾驶者踩制动踏板时的速度和力度，并判断紧急制动的力度是否足够，如果需要，就会自动增大制动力。EBA 的自控动作必须在极短时间（例如百万分之一秒级）内完成。这个系统能使200km/h高速行驶车辆的制动滑行距离缩短极其宝贵的20多米。针对车轮的还有分别监测各个车轮相对于车速的转速，进而为每个车轮平衡分配动力，保证在恶劣路面条件下各轮间具有良好的均衡抓地能力的“电子牵引力控制”（ETC）系统等。

   从以上列举的两个例子可以清楚看到，汽车发展对汽车电子的一些基本要求：

    1．电子操控系统的动作必须快速、正确、可靠。传感器（+调理电路）+微处理器，然后再通过微处理器（+功率放大电路）+执行器的技术途径已经不再能满足现代汽车的要求，需要通过硬件集成、直接交换数据和简化电路，并提高智能化程度来确保控制单元动作的正确性、可靠性和适时性。

    2．现在几乎所有的汽车的机械结构部件都已受电子装置控制，但汽车车体内的空间有限，构件系统的空间更是极其有限。理想的情况当然是，电子控制单元应与受控制部件紧密结合，形成一个整体。因此器件和电路的微型化、集成化是不可回避的道路。

    3．电子控制单元必须具有足够的智能化程度。以安全气囊为例，它在关键时刻必须要能及时、正确地瞬时打开，但在极大多数时间内气囊是处在待命状态，因此安全气囊的ECU 必须具有自检、自维护能力，不断确认气囊系统的可正常运作的可靠性，确保动作的“万无一失”。

    4．汽车的各种功能部件都有各自的运动、操控特性，并且，对电子产品而言，大多处于非常恶劣的运行环境中，而且各不相同。诸如工作状态时的高温，静止待命时的低温，高浓度的油蒸汽和活性（毒性）气体，以及高速运动和高强度的冲击和振动等。因此，电子元器件和电路必须要有高稳定、抗环境和自适应、自补偿调整的能力。

    5．与上述要求同样重要，甚至有时是关键性的条件是，汽车电子控制单元用的电子元器件、模块必须要能大规模工业生产，并能将成本降低到可接受的程度。一些微传感器和智能传感器就是这方面的典范。例如智能加速度传感器，它不仅能较好地满足现代汽车的各项需要，而且因为可以在集成电路标准硅工艺线上批量生产，生产成本较低（几美元至十几或几十美元），所以在汽车工业中找到了自己最大的应用市场，反过来也有力地促进了汽车工业的电子信息化。

    二、智能传感器：微传感器与集成电路融合的新一代电子器件

    微传感器、智能传感器是近几年才开始迅速发展起来的新兴技术。在我国的报刊杂志上目前所使用的技术名称还比较含混，仍然笼统地称之为传感器，或者含糊地归纳为汽车半导体器件，也有将智能传感器（或智能执行器、智能变送器）与微系统、MEMS等都归入了MEMS （微机电系统）名称下的。这里介绍当前一些欧美专著中常用的技术名词的定义和技术内涵。

   首先必须说明的是，在绝大多数情况下，本文大小标题及全文中所说的传感器其实是泛指了三大类器件：将非电学输入参量转换成电磁学信号输出的传感器；将电学信号转换成非电学参量输出的执行器；以及既能用作传感器又能用作执行器，其中较多的是将一种电磁学参量形式转变成另一种电磁学参量形态输出的变送器。就是说，关于微传感器、智能传感器的技术特性可以扩大类推到微执行器、微变送器——传感器（或执行器、或变送器）的物理尺度中至少有一个物理尺寸等于或小于亚毫米量级的。微传感器不是传统传感器简单的物理缩小的产物，而是基于半导体工艺技术的新一代器件：应用新的工作机制和物化效应，采用与标准半导体工艺兼容的材料，用微细加工技术制备的。因此有时也称为硅传感器。可以用类似的定义和技术特征类推描述微执行器和微变送器。

智能传感器（Smart Sensor）、智能执行器和智能变送器——微传感器（或微执行器，或微变送器）和它的部分或全部处理器件、处理电路集成在一个芯片上的器件（例如上述的微加速度计的单芯片解决方案）。因此智能传感器具有一定的仿生能力，如模糊逻辑运算、主动鉴别环境，自动调整和补偿适应环境的能力，自诊断、自维护等。显然，出于规模生产和降低生产成本的要求，智能传感器的设计思想、材料选择和生产工艺必须要尽可能地和集成电路的标准硅平面工艺一致。可以在正常工艺流程的投片前，或流程中，或工艺完成后增加一些特殊需要的工序，但也不应太多。

顺便需要说说的是，在一些中文资料中，尤其是一些产品宣传性材料中，笼统地将Smart Sensor(或device)和Intelligent sensor（或device）都称之为智能传感器，但在欧美文献中是有所差别的。西方专家和公众通常认为，Smart（智能型）传感器比Intelligent(知识型)的智慧层次和能力更高。当然，知识型的内涵也在不断进化，但那些只能简单响应环境变化，作一些相应补偿、调整工作状态的，特别是不需要集成处理器的器件，其知识等级太低，一般不应归入智能器件范畴。

   相信大多数读者能经常接触到的，最贴近生活的智能传感器可能要算是用于摄像头、数码相机、摄像机、手机摄像中的CCD图像传感器了。这是一种非智能型传感器莫属的情况，因为CCD 阵列中每个硅单元由光转换成的电信号极弱，必须直接和及时移位寄存、并处理转换成标准的图像格式信号。还有更复杂一些的，在中、高档长焦距（IOX）光学放大数码相机和摄像机上装备的电子和光学防抖系统，特别是高端产品中的真正光学防抖系统。它的核心是双轴向或3轴向的微加速度计或微陀螺仪，通过它监测机身的抖动，并换算成镜头的各轴向位移量，进而驱动镜头中可变角度透镜的移动，使光学系统的折射光路保持稳定。

    微系统（Microsystem）和MEMS（微机电系统）——由微传感器、微电子学电路（信号处理、控制电路、通信接品等）和微执行器构成一个三级级联系统、集成在一个芯片上的器件称之为微系统。如果其中拥有机械联动或机械执行机构等微机械部件的器械则称之为MEMS。

微传感器合乎逻辑的发展延伸是智能传感器，智能传感器自然延伸则是微系统和MEMS，MEMS 的进一步发展则是能够自主接收、分辨外界信号和指令，进而能独立、正确动作的微机械（Micromachines）。现在，开发成功、并已有商业产品的MEMS品种已不少，涵盖图4所示的各大领域。其中包括全光光通信和全光计算机的关键部件之一的二维、三维MEMS光开关。

微机械（也称为纳米机械）则尚处于开发试验阶段，但已有许多很重要的实验室产品涌现，如著名的纳米电机、微昆虫、微直升机和潜水艇等。技术产业界普遍认为，它们的开发成功和投入实际应用将对工业技术和生活质量产生深远的影响。

根据远程信息处理研究集团（TRG）的标准，汽车工业越来越注意用电子产品和车载娱乐设备来区别新旧车型。TRG是一家位于明尼苏达州的汽车与移动电子研究公司。

    根据北美国际车展本周早些时候的调查结果，TRG发现17家汽车制造商在其2005年生产的车型中将会使用基于蓝牙技术的通信可选配置。蓝牙技术是一项通用的无线标准，常用于实现车载电话免提技术。去年，只有7家汽车制造商的产品支持蓝牙技术。

    紧随而来机会可能属于后座娱乐设备和车用导航解决方案，TRG发现多数汽车制造商（37家中的28家）将这两项作为标准配置或可选配置。

    TRG远程通信处理分析负责人Phil Magney 说：“汽车制造商们开始认识到，不提供这些功能就等于有钱放在桌上却不拿。”根据TRG的调查，去年销售的车中有近10％有后座娱乐系统，到2009年底将增涨到25％。

    “汽车零部件市场前几年开始扑向这一市场机会，因为他们可以比汽车制造商更快获得消费者对电子产品的需求。” TRG首席技术分析师Egil Juliussen 博士说，“汽车公司需要两年的时间来实现消费者对电子类功能的需要，而在2005年的车型表明在某些方面已经达到要求了。”

    与此同时，汽车零部件市场几乎在趋势刚刚出现的时候就利用他们领先时间的优势引入解决方案。根据TRG调查，一个最新的趋势是接口工具（interface kits），可以使手提式媒体设备与车内音响系统融为一体。在上周的拉斯维加斯消费电子展上，这些成功驾御了苹果iPod的产品和许多同种工具被介绍给零部件市场的。迄今为止，只有几个汽车生产商有能力响应iPod解决方案。

    导航系统也受到了的汽车工业的关注，27家汽车制造商都提供导航系统作为标准或可选配置。同样的，汽车零部件市场业准备用一种零售价格为400美元的新型便携式方案从这个市场上分一杯羹。“对于汽车导航，汽车制造商几年前就首次提供了该系统，但都由于功能限制和价位太高而销售缓慢。零部件市场包括便携式方案的汽车导航系统的增长为该领域的发展提供了催化剂。”

提供新技术的汽车品牌数

    多数汽车公司的远程信息监控的解决方案（如通用的Onstar，宝马的Assist）都是依照TRG的方案。15家汽车制造商提供这一可以保障保险和安全的监控解决方案，它是通过嵌入式电话连接GPS定位装置实现的。

汽车越来越人性化

    田江将标致307停放在院子内的一个过道上，让发动机处于怠速状态，多功能电脑显示屏显示，汽车处于停止状态。田江将车倒回停车位，车载倒车雷达以声音的快慢不停提示，车尾离安全距离还有多远。田江停稳车，拉上手刹，显示屏红灯提示，手刹处于工作状态。田江将安全带解开，在驾驶位停留片刻，显示屏嘟嘟报警，提示驾驶员安全带未系。打开车门，显示屏显示左前门打开。车门未关严实，显示屏提示车门未关好。

    田江介绍，这些电子装置状态，是通过车内局域网相连，电脑显示屏上才能即时显示。

    田江是神龙汽车公司负责整车和零部件电子电器室的经理。他介绍，前面所看到的，只是汽车电子的一部分。目前流行的整车上，有的还配有电喷、安全气囊、ABS、EBD、电子密码钥匙等汽车电子装置，只是不直观罢了。但正因为有了这些配置，汽车变得更安全、舒适和人性化，附加值也越来越高。

    据介绍，10年前的富康，电子产品占整车成本的比重在15%至20%之间，目前标致307的电子产品所占比重则达到了25%。

    电子比重越来越高

    按一般说法，汽车电子产品分为两类。

    一类是汽车电子控制装置，要和车上机械系统配合使用，即所谓“机电结合”的汽车电子装置。它们包括发动机、底盘、车身电子控制，如电子燃油喷射系统、制动防抱死控制、防滑控制、牵引力控制、电子控制悬架、电子控制自动变速器、电子动力转向等。另一类是车载汽车电子装置。车载汽车电子装置是在汽车环境下能够独立使用的电子装置，它和汽车本身的性能并无直接关系。它们包括汽车信息系统（行车电脑）、导航系统、汽车音响及电视娱乐系统、车载通信系统、上网设备等。

    据了解，目前在汽车上应用的电子产品，已多达100余种，汽车的动力性、可靠性、安全性、舒适性、便利性和经济性等各项指标得到了显著提高，并基本解决了汽车环保生态问题。在产品车上，汽车电子装置的比重，从上世纪80年代的不足10%，迅速上升到现在的30%左右，部分高级轿车甚至超过了35%。专家预言，未来高档轿车至少90%功能的实现将由电脑控制。

    资料显示，在发达国家的轿车产品上，发动机控制系统（EMS）已成为标准配置，ABS装车率高达80%以上，安全气囊在美国轿车的装车率已达90%以上，欧洲、日本、韩国也分别达到了70%、40%和30%左右。AT装车率在美国已经达到90%以上，日本也已经达到80%左右。

    由于电子控制系统在汽车上的应用日益广泛，大大促进了汽车电子技术向更先进、更高级的方向迅速发展。

    电喷、ABS、盘式制动，这几种电子产品，是轿车上的常见配置。可这些产品以前全是飞机上才有的配置。田江介绍，上世纪50年代的飞机配置，与20年前的汽车配置一样。

    现在的汽车，越来越像一台小型飞机。

    汽车电子成一大产业

    调查资料显示，近两年市场规模较大的汽车电子产品，依次为发动机电子控制系统（31.6%）、防抱死制动系统（9.1%）、安全气囊（8.3%）、电子组合仪表（8.3%）、车载娱乐系统（7%）、汽车空调（7.6%）等，占整个汽车电子产品市场的71.9%；另外，车身控制器、自动变速控制系统、防盗系统、GPS导航系统、车载通信等也占有相当的市场份额。

    我国汽车电子产业的发展严重滞后于汽车工业整体发展水平，国内平均每辆新车的汽车电子支出为885美元（折合人民币7237元），而同期全球平均每辆新车的汽车电子支出为2025美元，差距相当明显。现有国内汽车电子市场，主要被进口产品占据，市场与产业的矛盾非常突出。

    今年，我国汽车总需求将达到550万辆，按汽车电子价值占整车价值的15%计算（轿车约25%，客车和货车约10%），汽车电子的年市场需求规模将达到800亿元以上，中国汽车电子产业快速成长，将成为我国又一个新的独立的支柱产业。

    信息产业厅的一项调查显示，按汽车电子部分价值在整车中所占比例为15%来测算，湖北省汽车电子产业2003年市场规模近90亿元，如果保持35%的增长速度，预计到2010年仅我省汽车电子配套市场规模将接近600亿元。

汽车电子勾画未来广阔宏图

汽车电子日趋成为一个独立的产业分支。在汽车商业模式中，主要有整车制造商（OEM）、一级供应商与元器件供应商，他们之间存在着三角关系（图1）。由于汽车产业的分化，这个三角形中的各方独立性正在加强，每个角日益成为一个独立的产业。

    其中，元器件的革新成为了汽车革新的主要焦点，Motorola公司的分析表明， 汽车上70%的革新来源于汽车电子，半导体已成为车辆智能化的神经和大脑。英飞凌（Infineon）公司预计：世界范围内的车用半导体用量将增加，从平均每车200美元有望增加到2009年的每车300美元。

世界主要汽车制造大国都对汽车电子的发展提出了乐观的展望。据美国Strategy Analytics调查公司与德国 SiemensVDO（威迪欧）公司推测，汽车电子部分的增长在汽车中的比例越来越大，将从2000年的22%左右增加到2010年的35%左右（图2）。具体到欧洲，2010年时8家OEM厂商将生产7300万辆汽车，电子系统将花费2700亿欧元，占汽车成本的比例为35%；其中半导体将消耗200亿欧元，占汽车总成本的3%；软件为180亿欧元，占总成本的2%。

    尽管从世界范围内看汽车的产量增幅不大，趋于饱和，但对车辆本身的技术水平要求更高了，具体体现在以下几个方面：

    满足环保的要求。尽管汽车为人们的生活带来了便利，但也成为了污染环境的元凶。为此，几十年来，许多国家都出现过抵制汽车的运动。但事实证明，人们终归离不开汽车，只能使汽车尾气排放等技术不断提高，尽量减低对环境造成的损害。

    产品的区别主要由个性化与高技术设备决定。到2010年，定义汽车智能将从技术层面转到设计层面，以满足“个性化时代”的需要。届时，电子、软件与硬件作为“设计元素”，将在未来的汽车中扮演主导的角色。那时，也许两辆车外表相同，但内部是完全不同的功能配置了。

    平台战略可增加成本效益。改良的软件与IC性能将缩短轿车制造商的设计周期，从而降低成本。

    安全、舒适和发动机性能效率的需求增加。

    未来的汽车电子将有如下特色：

    由于世界各国对环境保护的投入日益增加，导致整个市场对点火和ECU（电子控制单元）的关注度增加。需要诊断、通信总线、自我保护等方面有更高集成度的半导体，点火IGBT向智能IGBT转变。

    各国政府以立法的形式强制汽车供应商安装安全设施，包括安装轮胎压力监控设施、气囊与侧面气囊等。这导致了装有控制电路的传感器数量的增加，以及车体内通讯网络的发展。

    过去所谓豪华车才有的性能、装饰与配置，现在在普通的低档、中档车中成为了标准配置。其中使用电源动力的配件需求越来越大，包括用电源可控制调整位置的座椅、后行李仓门自动开启、面包车（van）的滑动门等，对车的牵引控制及四轮的ABS（制动防抱死）等已安装得很普遍了。

    可编程汽车需要