浅析汽车电子技术及发展趋势
时间：2020-12-13 08:09:24 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
(天津工业大学 信息与通信工程学院，天津 300160)
摘 要：文章全面介绍了汽车电子的作用、分类、发展过程以及目前在汽车上所应用的总线技术、MPU技术、传感器技术等，并对汽车电子技术的安全化，网络化和智能化发展趋势作了展望。
关键词：汽车；
电子技术；
发展
中图分类号：U463.6 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2008)12—0074—03
由于经济的快速发展和生活水平的进一步改善，人们对汽车安全、舒适等方面要求不断提高，促进了中国汽车工业的快速发展。由于传统机械装置与技术在汽车领域的应用已趋于成熟，有些甚至已达到其物理极限，要进一步发展存在成本等方面的局限性，使得汽车电子技术在整车和零部件上的应用越来越广泛。现在汽车技术创新的70%源于汽车电子技术。汽车电子技术本身的创新进步也为汽车工业快速发展提供了技术保证。节能、环保、安全等方面日益严格的要求和人们对车载信息化、网络化、智能化的诸多需求，为汽车电子提供了发展平台。〔1〕
随着汽车电子部件价格的降低，电子信息技术向低档车延伸的速度正在逐步加快，作用也越来越重要。电子控制、计算机、通信等技术的迅猛发展，使汽车电子技术和产品的开发日新月异。随着现代汽车的发展，汽车的电子化程度逐年增加。电子技术已在车辆发动机控制、底盘控制、故障诊断以及音响、导航等各个方面得到广泛应用，显著提高了车辆的整体性能。
1 汽车电子技术的发展历程
一般来说，汽车电子技术的发展随着电子技术的发展而不断进步。在近些年发展尤其迅速，较难划分发展阶段。有人以产品技术的更新换代为起点进行如下划分〔2〕：
1974年以前为第一阶段，是汽车电子控制技术发展的初级阶段。主要产品有交流发电机、电子式电压调节器、电子式闪光器、电子控制式喇叭、电子式间歇刮水控制器、汽车收音机、电子点火控制器、数字时钟等。
1974～1982年为第二阶段，是汽车电子控制技术迅速发展阶段。在此期间，汽车上广泛应用集成电路和16位以下的微处理器。主要产品有电子燃油喷射系统(FFI)、空燃比反馈控制系统、防抱死制动系统(ABS)、安全气囊系统(SRS)、电子控制自动变速系统(ECT)、巡航控制系统、电子控制门锁、程控驾驶系统、超速报警系统、座椅安全带收紧系统、车辆防盗系统、故障自诊断系统、车身高度自动控制系统、数字式组合仪表盘(包括车速表、里程表、转速计、燃油表、水温表)等。
1982～1990年为第三阶段，是微型计算机在汽车上应用日趋成熟并向智能化发展的阶段。主要产品在牵引力控制系统、四轮转向控制、轮胎气压控制系统、声音合成与识别系统、数字
式油压表、超速限制器、自动后视镜系统、道路状态指示器等。
1990年以后为第四个阶段，是汽车电子控制技术向智能化发展的高级阶段。主要产品有微波系统、多路传输系统、32位微处理器、动力最优化控制系统、通讯与导航协调系统、安全驾驶检测与警告系统、自动防追尾碰撞、自动驾驶系统和电子地图等。
2 汽车电子产品的分类
从汽车技术的发展现状看，汽车电子技术是支撑现代汽车发展的基础技术之一，根据汽车的实际使用条件多变的需要，对汽车进行优化综合控制。通常按照对汽车各部分控制作用把汽车电子划分为发动机电子、底盘电子、车身电子、信息通信与娱乐系统几类：
2.1 发动机电子技术
发动机电子技术包括空燃比控制、点火正时控制、废气再循环控制、怠速控制等。
2.2 底盘电子技术
底盘电子技术包括制动防抱死控制、驱动防滑控制、牵引力控制、电子控制悬架、车辆稳定性控制、电子控制自动变速器、汽车动力转向控制、巡航控制、车载防撞雷达控制等。
2.3 车身电子技术
车身电子包括电子控制安全带、安全气囊、主动式膝垫、车内气候控制、电子防盗系统、遥控门锁、电动座椅、电动后视镜、电子仪表板、灯光控制、轮胎压力监测等。
2.4 信息通信
信息通信包括汽车行驶的自身信息系统、车载通信系统、语音信息系统、上网设备等。
2.5 汽车娱乐
汽车娱乐系统包括数字式收音机、音响、冰箱、电视、CD/DAT、导航系统和智能运输系统的辅助设备等。
3 汽车电子技术的发展现状
3.1 软件仿真设计
汽车电子设计已成为汽车系统设计中的重点和难点。传统方式下的汽车设计者不得不借助各种机械、液压、电子零部件来验证汽车各子系统的功能。这种设计使得开发周期长，成本高。为了缩短开发周期和降低开发成本，现在引入了软件仿真技术进行汽车系统技术的验证和开发。通过对整个汽车系统进行有效地建模和分析，能够节约大量的试验设备和试验时间。现在许多大公司已经开始使用仿真技术进行设计，其中使用较多的是Simplorer和SABER。
Ansoft Simplorer是一个功能强大的跨学科多领域的高性能系统仿真软件，适合于进行汽车电子、机电、电力电子和传动等领域的仿真。Simplorer包括一个面向对象的求解器核与以及第二代模型描述语言。
Simplorer对电力系统、电动和混合动力汽车等复杂系统的仿真能力很高。
SABER仿真技术通过对整个汽车系统进行有效的建模和分析，能够节约大量的试验设备和试验时间。SABER仿真器能够让设计人员对从汽车的最初设计方案（方框图）到由实际电路和机械实现的完整系统进行仿真。这字能力对于复杂运动控制系统的设计（如ABS系统、安全气囊系统、发动机控制系统、车身控制系统等）尤为重要。国际上几大跨国汽车公司都已使用SABER仿真技术进行设计，如美国通用、大众、克莱斯勒等。
3.2 主要的汽车电子技术
3.2.1 总线系统。由于汽车电子装置的不断增加，使得连接这些专用的电子线路迅速膨胀，线束复杂和布线困难甚至使得在汽车设计、装配、维护中的负担到了无法承受的程度，而且线路以及接插头的增加会带来更多的安全隐患。要摆脱这种困境，而使用总线技术是解决问题的一条好途径。车载网络技术标准已成汽车电子应用的决定性因素，目前世界上有近10种车辆网络技术标准，但最主要的应用则是控制器局域网CAN、局部互联协议LIN、车辆多媒体网络MOST，以及最近才开始得到商用的具有高速容错功能的网络协议FlexRay。〔3～6〕
为方便研究和设计使用，美国汽车工程师协会(SAE)根据速率的不同，将汽车网络划分为A、B、C三类，如表1所列。
A类网主要总线技术是LIN(本地因特网)协议。LIN是在1999年由欧洲汽车制造商Audi、BMW、DaimlerChrysler、Volvo、Volkswagen和VCT 公司以及Motorola公司组成的LIN协会，共同
推出的用于汽车分布式电控系统的开放式的低成本串行通信标准，从2003年开始使用。它适用于汽车内进行低成本、短距离、低速网络通信，其用途是传输开关设置状态以及对开关变化回应。
B类和C类网技术总线主要是CAN总线，是德国Bosch公司从20世纪80年代初，为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换问题而开发的一种串行数据通信协议。它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1Mbps。CAN(控制局域网络)是汽车产业中得到广泛应用的数据与控制通信网路，通过遍布车内的各种感应控制模块及时采集各项数据，控制模块之间进行相互通信、让全车的信息资源得以共享，以及各控制器的自动协调应变来增强系统可靠性。低速CAN具有许多容错功能，一般用在车身电子控制中；
而高速CAN则大多用在汽车底盘和发动机的电子控制中。
多媒体信息系统总线中较为主要的技术是MOST总线和蓝牙协议。MOST网络是由德国Oasis Silicon System公司开发的。MOST技术针对塑料光纤媒体而优化，采用环行拓扑机构，在器件层提供高度可靠性和可扩展性。它可以传送同步数据(音频信号、视频信号等流动型数据)、非同步数据(访问网络及访问数据库等的数据包)和控制数据(控制报文及控制整个网络的数据)。蓝牙无线技术是一种用于移动设备和WAN/LAN接入点的低成本、低功耗的短距离射频技术。它描述了手机、计算机和PDA如何方便地实现彼此之间的互连，以及与家庭和商业电话和计算机设备的互连。
3.2.2 微处理单元。微处理控制单元是汽车中的核心部件，不但发动机上应用，在其他许多地方如防抱死制动系统、四轮驱动系统、电控自动变速器、主动悬架系统、安全气囊系统、多向可调电控座椅等都配置也有。通过车内网络完成协调与连接完成对发动机、车身、底盘、通信等系统的控制。微处理单元在汽车上的广泛应用，使得汽车的动力性、经济性、安全性、舒适性、可靠性都得到了显著的改善和提高。就目前的市场来看, MCU扔将持续发展, 车身控制用的最多的是8位MCU; 动力安全方面, 使用最多的是16位MCU。汽车多媒体, 包括导航、DVD等可能更多的将会使用32位的MCU。
3.2.3 传感器技术。车用传感器是促进汽车高档化、电子化、自动化发展的关键技术之一，世界各国对车用传感器的研究开发、提高性价比都非常重视。汽车电子化越发达，自动化程度越高，对传感器依赖性就越大。由于汽车电子控制系统的多样化，使其所需要的传感器种类和数量不断增加。
3.2.4 软件技术。为了处理汽车电子领域软件功能剧增的问题，通过工业范围内标准化软件设施来大大减少结构上的复杂性是必须的。目前已经在汽车领域内建立Autosar(Automotive Open Systen Architecture,汽车开放式系统构架)协会，定义一套支持分布式的，功能驱动的汽车电子软件开发方法和电子控制单元上的软件架构标准化方案，希望在汽车电子领域创造出一个标准，以使得各个厂商可以在一个开放的平台下，提供符合标准的不同实现。
4 汽车电子的未来发展
当前，汽车电子技术进入了优化人——汽车——环境的整体关系阶段，向着智能化、网络化以及安全化方向发展，并为汽车上的集中控制提供了基础（例如制动、转向和悬架的集中控制以及发动机和变速器的集中控制）。未来汽车电子技术应在以下几方面进行突破。〔7～9〕
4.1 智能化
智能化是指随着信息化道路的建设，越来越多的实时信息开始在车辆、道路和交通系统中共享，这不但为更科学的交通管理提供丰富的数据，也将为人们的出行提供更大的方便。智能化要求“车识路”和“路识车”，需要有完善的交通管理体系和服务中心相配合。
汽车智能化相关的技术问题已受到汽车制造商们的高度重视。其主要技术中“自动驾驶仪”的构想必将依赖于电子技术实现。而智能交通系统（ITS）的开发将与电子、卫星定位等多个交叉学科相结合，它能根据驾驶员提供的目标资料，向驾驶员提供距离最短而且能绕开车辆密度相对集中处的最佳行驶路线。从全球定位卫星获取沿途天气、车流量、交通事故、交通堵塞等各种情况，自动筛选出最佳行车路线。具有自动控制车速、自主寻路、自动导航、主动避撞、自动电子收费、无人驾驶等功能。智能汽车是今后国内外汽车发展的热点领域,是未来汽车发展的必由之路。
4.2 网络化
汽车制造商和一级供应商面临日益复杂的安全性、动力总成、底盘和车身系统协调统一的问题。诸如线控、碰撞避免、辅助驾驶等新兴系统都需要一个能预测的可靠方式提供极高数据速率的网络。MOST可支持高数据速率，但主要专为连接车内多媒体设计的；
CAN网络有相对较低的数据速率以及容错功能；
而LIN从本质上讲是一种用于连接CAN的价格便宜且速度相对较慢的子网络，它无法达到下一代车辆中采用的高级安全系统所需的要求。
近两三年提出的FlexRay总线是一种高速网络，由FlexRay联盟为高速通信所制订的标准，最初是作为电动控制(x-by-wire)应用的通信协议被提出的。从技术上讲FlexRay作为下一代汽车网络协议，提供了充足的带宽、可靠性和实时响应能力，以实现线控应用。该标准已开始商用并将被越来越多的汽车制造商采用也是确定无疑的，但其高成本因素决定了FlexRay在一定的时间内只能定位于高端汽车的应用。
4.3 安全化
汽车安全性是集成电路设计师面临的一大挑战。新型汽车安全系统越来越智能化和自动化，而技术挑战也越来越严峻。比如说，安全气囊系统是从最初采用的单驾驶员系统逐步演进而来的。
目前有一些制造商已经使用安全总线和协议如Delphi公司的SafetyBus和BMW公司的Byteflight，为被动安全提供保障，主要用于安全气囊系统，以连接速度计、安全传感器等装置。
5 总结
电子技术已经广泛应用于汽车的各个领域,极大地改善汽车的综合性能,使汽车在安全、节能、环保、舒适等各方面都有长足的进步。随着汽车电子设备对汽车产品重要性的不断增加,预计在未来5年内,汽车上的电子装置成本将可能占汽车整车成本的20%～30%之间,这样汽车电子产品将获得巨大的市场容量。汽车电子产业拥有广阔的发展空间和前景。
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