1.2 汽車電子系統(tǒng)介紹

汽車電子系統(tǒng)是整個汽車子系統(tǒng)的一部分，是指以汽車電子控制模塊為核心，加上傳感器、執(zhí)行器和汽車線束等部分組成的控制環(huán)路。它的主要目的是和被控對象一起形成一個汽車的子系統(tǒng)，來實現(xiàn)所要求的功能。圖1-3所示為一個典型的汽車電子系統(tǒng)。

汽車電子系統(tǒng)通常包括以下幾部分：

（1）傳感器

汽車內(nèi)的傳感器主要作用是將物理量轉(zhuǎn)換為可識別的電信號，一般是為控制器收集所需對象的信息和狀態(tài)，在發(fā)動機控制系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)、娛樂導(dǎo)航系統(tǒng)和車身控制系統(tǒng)等各個汽車部件中都有應(yīng)用。汽車內(nèi)的傳感器按所測的物理量（如溫度、壓力、位置和轉(zhuǎn)速、加速度、距離、方位和車速、方向盤轉(zhuǎn)角、雨量、電流、胎壓等）分類有多種類型，對于電子控制模塊而言，傳感器信號是重要的輸入信號。

在汽車電子系統(tǒng)快速增長的市場需求下，汽車傳感器技術(shù)不斷發(fā)展。隨著微型電子機械系統(tǒng)（Micro ElectroMechanical System，MEMS）技術(shù)的進步，汽車傳感器開始朝著智能化、微型化、集成化、多功能化方向發(fā)展，通過將傳感器、執(zhí)行器、機械機構(gòu)、信號處理和控制電路等集成于一體的MEMS，簡化了傳統(tǒng)汽車電子系統(tǒng)，真正實現(xiàn)了體積減小、功耗降低和重量減少，這一分支也成為汽車電子重要的發(fā)展方向。圖1-4所示為汽車MEMS技術(shù)和傳感器的應(yīng)用。

（2）汽車開關(guān)

傳統(tǒng)汽車中有大量的開關(guān)，這是由于汽車企業(yè)為每個單獨的功能都設(shè)計了開啟和調(diào)整的入口，為汽車電子模塊提供控制汽車的輸入信號，是傳統(tǒng)HMI（Human Machine Interface）設(shè)計師重要的人機接口。根據(jù)實際中的應(yīng)用，汽車中的開關(guān)可分為旋轉(zhuǎn)式開關(guān)、頂桿式開關(guān)、翹板式開關(guān)、電子型開關(guān)、按鈕式開關(guān)和板柄式開關(guān)；從時間特性上來說，針對不同的響應(yīng)時間，可分為長效開關(guān)和短時開關(guān)；從開關(guān)的電氣特性而言，可分為組合開關(guān)和單一開關(guān)。

隨著智能手機的更新，人們開始習(xí)慣于使用觸摸屏，例如以特斯拉為代表的新興電動汽車企業(yè)，都把實體按鍵在中控屏幕上實現(xiàn)虛擬化；而手勢操控和觸覺反饋等新技術(shù)的導(dǎo)入也為開關(guān)的未來蒙上了陰影；消費者追求更好的體驗，車企追求體驗和安全應(yīng)急之間的平衡，這些因素都會對汽車開關(guān)的選擇和應(yīng)用產(chǎn)生影響。如圖1-5所示，汽車開關(guān)可能在未來被逐漸淘汰。

（3）汽車電子控制模塊

汽車電子控制模塊以單片機為核心，包括各種電源電路、通信電路、輸入處理電路和輸出功率電路幾個重要的組成部分。隨著汽車電子控制模塊越來越多，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越來越大，汽車總線速率在不斷提升，電子控制模塊開始朝多系統(tǒng)集中的方向發(fā)展。在電子控制模塊中，MCU是汽車電子中的核心部件；但是隨著對汽車性能的要求不斷提高，在某些應(yīng)用中，F(xiàn)PGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列）和CPLD（Complex Programming Logic Device，復(fù)雜可編輯邏輯器件）等邏輯處理器件也登上了汽車電子的舞臺，由邏輯控制為主導(dǎo)的部件實現(xiàn)了模塊功能的多樣性，整個模塊的復(fù)雜度也隨之不斷提高，由此也帶來了驗證的困難，如圖1-6所示。

在汽車電子領(lǐng)域，汽車廠家面臨很多的問題，如用戶對于車輛功能的要求變化很快，而且市場競爭程度的加劇，也對原有產(chǎn)品的生命周期提出了很大的考驗，汽車廠家原有的規(guī)劃、設(shè)計、工程需要跟上快速換代的節(jié)奏，想要跟上整個節(jié)奏就需要以模塊化來達到戰(zhàn)略目的。汽車模塊化的目標(biāo)是：縮短產(chǎn)品開發(fā)時間，快速推向市場；通過減少模塊數(shù)量來降低產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險；增強生產(chǎn)線柔性，以便快速應(yīng)對市場變化；通過整合原來的平臺來實現(xiàn)車型開發(fā)集聚，降低整體投資（模具、生產(chǎn)等方面）；通過實現(xiàn)跨車型、跨級別的部件通用來降低開發(fā)成本和部件成本；將非核心零部件外包，聚焦核心價值，降低管理成本。從某種程度上來說，汽車模塊化是用更少的產(chǎn)品開發(fā)團隊集中精力做核心均一化的部件，來供給不同的車型，但其本身是一把雙刃劍，問題在于：通用化造成的缺陷及召回風(fēng)險會增加；進行產(chǎn)品設(shè)計變更時必須投入大量資源，汽車企業(yè)對零部件商的要求嚴(yán)格；供貨量要有很大的彈性；供應(yīng)地區(qū)需要輻射多個地區(qū)，需要有強大的物流系統(tǒng)支持；產(chǎn)品的成本要降低。

每個汽車企業(yè)必須面對這樣的問題，即如何控制車內(nèi)的功能和可變量，來構(gòu)建除了軸距和大小之外的差異化，以支撐走量和獲取較高的利潤。在對結(jié)構(gòu)、機械功能部件做了大量的分類管理之后，汽車電子的ECU（Electronic Control Unit，電子控制單元）部件就承擔(dān)了大部分差異化目標(biāo)。

從汽車電子的工程開發(fā)的角度來講，需要在前端的概念中，將整車企業(yè)的模塊化需求融入其中，設(shè)計的過程必然從單一、封閉的開發(fā)轉(zhuǎn)向多平臺、多種需求的融合。

過去的汽車電子系統(tǒng)開發(fā)：單個車系或者說是平臺進行結(jié)構(gòu)化整合，開發(fā)汽車電子系統(tǒng)；單個部件的供應(yīng)商遵循單條線的成本和價值的最優(yōu)化。

現(xiàn)在的汽車電子系統(tǒng)開發(fā)：分結(jié)構(gòu)接近的平臺進入同步整合，從兩個平臺的角度去采購和優(yōu)化部件。

未來的汽車電子系統(tǒng)開發(fā)：采用前驅(qū)和后驅(qū)兩個平臺，但電子部件可能只有一套基本配置；采用云端直接推送配置增加功能；從項目角度而言，單個項目的需求量是之前的幾倍，項目的數(shù)量降為個位數(shù)；成型的戰(zhàn)略供應(yīng)商合作伙伴體系，使項目研發(fā)的費用集中，帶來單個項目研發(fā)的費用增加；需求的復(fù)雜度上升，給工程設(shè)計增加了難度；需要整合更多的實驗數(shù)據(jù)過程，甚至需要更多的模擬仿真來滿足快速開發(fā)和開發(fā)復(fù)雜度的要求。

所以從汽車電子架構(gòu)上，催生了對于新一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的需求，也就是對于域控制器與云端管理的需求。因此從這個層面來說，在域控制器的演化下，模塊的功能會部分簡化，而大量的工作是由整車企業(yè)和少數(shù)Tier1（一級供應(yīng)商）完成的，即將軟件分成嵌入式和云端兩部分來實現(xiàn)對車輛的配置。

（4）執(zhí)行器

汽車?yán)锏膱?zhí)行器用來執(zhí)行電子控制器發(fā)出的控制信號，它對電子模塊來說是負(fù)載。目前汽車用的執(zhí)行器多為機電式類型，如電磁閥、壓電元件、繼電器和直流電動機等，這些執(zhí)行器大部分在電氣上具有很大的感性特點。正是由于執(zhí)行器基本都是由機械器件構(gòu)成的，因此也就決定了電子控制模塊具有機電一體的特性。

（5）HMI（人機交互）設(shè)備（光學(xué)和聲音）

在汽車的發(fā)展過程中，如何有效地利用聲音和光學(xué)設(shè)備提供HMI接口是非常重要的，也是不同汽車企業(yè)往前整合的非常重要的部分。這里分為對外和對內(nèi)兩個方面：

對內(nèi)：現(xiàn)在各個主要的Tier1零部件企業(yè)無不把電子座艙作為一個未來重要的發(fā)展方向，包括大陸、博世、Denso、佛吉亞和偉世通等公司都在扮演一個系統(tǒng)整合者的角色，電子座艙已成為兵家必爭之地；因為通過設(shè)計智能電子座艙可以接近車主，了解其對于汽車功能的反饋，電子座艙使用的體驗直接影響到車主對于汽車產(chǎn)品的看法。

對內(nèi)HMI設(shè)備的特點如下：從設(shè)計風(fēng)格來看，各家公司都傾向于全艙布滿顯示屏和觸摸屏，從數(shù)字側(cè)視鏡到中央顯示屏，形成了一個完整的系統(tǒng)；信息輸入都需要借助于駕駛艙攝像頭和算法識別駕駛?cè)撕拖鄳?yīng)的動作；在智能電子座艙里面配置人工智能驅(qū)動技術(shù)，可基于不斷變化的交通道路條件進行調(diào)節(jié)；在座椅端設(shè)置通過傳感器獲取駕駛?cè)私】当O(jiān)測數(shù)據(jù)的交互型座椅面套。

對外：傳統(tǒng)意義上的對外主要是指喇叭和車燈，后者主要分為室外照明和室內(nèi)照明。室外照明有近光燈、遠光燈、轉(zhuǎn)向燈、霧燈、倒車燈和牌照燈等；室內(nèi)照明有門燈、頂燈、點煙燈、腳燈和手套箱燈等。現(xiàn)代人們常要求車輛有情感化的個性表達，這時就可以采用外部燈光顯示和交互，通過內(nèi)部軟件組合的控制內(nèi)容視覺化地呈現(xiàn)在外觀內(nèi)飾的設(shè)計當(dāng)中。而這又和內(nèi)部的系統(tǒng)完整地整合了，例如利用車輛前、后部的LED（Light-emitting Diode，發(fā)光二極管）燈帶和發(fā)光LOGO組合成獨特的智能表情，在不同的使用場景下（如不同的電量狀態(tài)、車輛解鎖以及行進期間）開啟不同的顯示模式，與用戶和行人進行“對話”。

（6）汽車線束

汽車線束是電氣系統(tǒng)的物理連接，是構(gòu)成汽車電路網(wǎng)絡(luò)的重要“成員”。線束由電線、接插件和包裹膠帶組成。由于汽車安全性能要求高的特點，對汽車線束也提出了簡潔性和可靠性的要求，因此往往采用柔性加強型的線束。在汽車線束領(lǐng)域，隨著汽車電子系統(tǒng)的功能越來越復(fù)雜，信號傳輸和配電管理也逐漸出現(xiàn)分化。

在大多數(shù)情況下，整車企業(yè)往往將以上的各個不同部分交給不同的供應(yīng)商，然后收集所有的信息，匯總并整理成規(guī)范，由汽車電子的一級供應(yīng)商來完成電子控制模塊的系統(tǒng)設(shè)計和整合。按照這種模式，汽車電子企業(yè)所涉及的開發(fā)對象遍布整個控制系統(tǒng)，但是提供的產(chǎn)品僅僅是電子控制模塊。通常與控制模塊一起工作的如傳感器、開關(guān)、執(zhí)行器、線束、指示和顯示設(shè)備都是由整車企業(yè)采購的。從產(chǎn)品設(shè)計的角度來看，整個信息的獲取和功能的確定都是由整車企業(yè)進行定義的。