當代汽車日益增多連線性能已經不足為奇。在初期，油壓、冷卻液溫度和燃油液位元等汽車感測器會透過儀表板上警告燈圖示，提醒駕駛員需要注意問題。後來，整合全球定位(GPS)成為汽車製造商在車輛中引入最早智慧功能，Mazda在1990年Eunos Cosmo中整合了第一個包含GPS的行動通訊系統，當下汽車還整合有自動泊車和車道偏離輔助等自動功能。
目前每台車各個子系統大概擁有100多個微控制器(MCU)和微處理器(MPU)，它們控制著從打開前燈到調節廢氣排放，再到車輛如何與儀表板互動的一切。本文將回顧感測器發展和應用，以及這些感測器資料如何透過軟體控制功能提高駕駛安全性、舒適性和連通性。
MCU、MPU實現車輛和物聯網之間連通
資料是物聯網(IoT)之命脈。為了讓電腦做出回應並透過適當演算法來提高設備性能，工程師必須收集大量資料，車輛周圍和內部感測器用途就是收集這些資料。然後對資料進行處理並用於控制汽車中以往透過手動實現的功能。處理器或微控制器接受資料並將其復原到程式演算法能夠評估的形式。然後，根據收集到的資料，控制器可以用適當動作做出回應，並藉由自動資料傳輸系統與接收到的外部訊號進行互動。影響力最大的汽車資料有三大類別：排放、性能和乘客舒適度。
車載感測器三大應用領域
驅動汽車製造商增加感測器使用的因素有三個：排放法規、改進道路性能以及乘客舒適性和安全性。這些領域定義了感測器應用，並預示著軟體控制技術出現。
在對油、冷卻液和燃料進行量測之後，按照新排放法規，要求汽車製造商升級其感測器技術以監測燃燒性能，進而減少溫室氣體排放。因此，工程師開發了歧管絕對壓力(MAP)感測器來控制引擎性能和限制廢氣排放。MAP感測器量測歧管壓力，引擎控制單元用它計算空氣密度和質量流速。
這些參數組合能夠自動控制燃料供應量，以實現最大限度燃燒。此外，實現盡可能接近化學計量的燃燒化學操作可最大限度提高燃燒程度，限制產生有害氣體排放以及不希望產生的燃燒產物，透過更高程度燃燒和減少不希望燃燒產物，可使引擎更高效地運作。這種情況也導致其它好處，因為更高效燃燒減少了結焦和其他未充分燃燒碳氫化合物導致的廢氣排放，例如氮氧化物(NOx)。
汽車排放法規進一步加嚴，促使汽車製造商提高車載感測器量測靈敏度和性能。為了滿足這一需求，他們正在採用微機電(MEMS)量測系統感測器。這些新穎感測器專為透過壓力量測來控制引擎而設計，並已經在車輛應用中迅速擴展。兩個相互交織的因素使MEMS更加擅長於引擎控制：電子智慧與機械量測參數整合以及感測器在車輛上所占據較小空間。這兩個因素整合為資料擷取和軟體控制提供了一種經濟、高性能解決方案。由於當今採用MEMS技術構建車輛可以提高引擎性能、減少排放、增加安全性和便利性，這種感測器重要性也在不斷提高。
實現新排放目標首先會使某些汽車製造商處於優勢地位。透過利用資料和車載過程/控制能夠為用戶率先提供將有害排放減少到監管目標以下的服務，進而迫使競爭者競相迎頭趕上。
底盤上進行道路行駛性能量測的感測器也在不斷進步，目前場景正是歷史上與車輛自主行駛所需有關功能之交會點。這些應用示例包括自動煞車系統、道路噪音消除、牽引控制和自動停車等。感測器還能夠量測振動資料，以進行穩定性控制，也可量測車輪輪胎壓力以避免爆胎。 這些功能主要以安全為中心，但所帶來其它好處包括更順暢駕駛和乘車體驗。例如，工程師可以透過分析這些資料來設計更穩定車架，優化輪胎距離和位置以實現更優化的平衡和支撐，並利用傳統駕駛習慣改善防鎖死煞車系統性能以減少停車時間。此外，改進道路行駛體驗對於提升整體駕駛體驗至關重要。
促使感測器採用率提高的第三個要素是乘客舒適度。駕駛員已是車輛聯網互動技術的主要使用者，且由於安全性一直處在汽車產業前沿，應用MEMS可以改進前部和側面安全氣囊釋放模式和時機。如果環境照明條件發生變化，它們還可以更準確地預測何時自動打開前大燈。
而在舒適度方面，工程師可以使用感測器資料來記錄駕駛員喜愛和偏好，以及座椅溫度和方向等功能設置。此外，感測器還可以幫助導航，駕駛員在用戶介面偏好引導軟體控制方面偏好，這優勢可能是MCU/MPU所帶來對乘客最具變革性應用。
汽車軟體控制功能不可少
在車輛內部署MEMS感測器和其他技術能夠使車輛軟體工程師調整和優化駕駛體驗。Utopia是一個足夠強大的資料集，MPU可以完成接收、分析、預測，並對當時條件做出回應，而毋須駕駛員進行控制，但挑戰在於內燃機(ICE)汽車對軟體控制的設置能力有限，提高電氣化程度是實現由軟體控制車輛之最大推動力。
遍布車輛各處的MPU和MCU類似於人類大腦，能夠實現駕駛員和乘客所期待的汽車性能、安全性和舒適性，這是邁向自動駕駛體驗的又一步。由於大多數電動車都適合於軟體控制，汽車製造商產品線將會變得更加簡單，同時能夠為客戶提供更高靈活性。處理平台能夠支援對上述領域進行軟體控制，這裡舉三個例子來展示軟體控制功能實用性。
系統架構師可以選擇16位元數位訊號控制器(DSC)和MCU用於許多內燃機和電動車的動力總成應用，該發展趨勢的一個重要好處是，這些平台能夠在嚴苛操作條件下提供即時回應和高可靠性。此外，它們還可以實現軟體控制馬達控制、排放氣體再循環(EGR)閥門操作以及水和油泵控制等。這些16位元組件雖然主要用於動力總成，但同時也有利於改進由車輛軟體控制的電源管理、電池充電和外部照明等。
那些適合軟體應用的零組件能夠提供數位訊號處理以增加DSC資料輸送量(Throughput)。高階DSC和MCU採用雙向類比/數位轉換器調節脈衝寬度，以最大程度地在兩個方向提高處理速度和性能。
先進駕駛輔助系統(ADAS)和ABS等車輛公路行駛應用，需要具有更多記憶體才能運作。32位元解決方案通常能夠比16位元提供更多記憶體，並且能夠在更高電壓下運作，以擴大其應用範圍。儘管32位元控制器具有更大容量，但在汽車部署時仍然足夠精巧，同時可提供車輛公路行駛應用所需性能。
對於最複雜、最新穎和最現代的軟體控制功能，32位元MPU是功能強大設計平台最佳選擇，可處理訊息娛樂和駕駛員與汽車間的互動介面。由於32位元MPU具有類似完整電腦的處理能力，能夠對大量資料進行分析，以保證車輛電腦透過先進安全功能來防範網路威脅。
除了能夠提供駕駛艙和外部應用所須容量外，32位元MPU還包含用於資料完整性的安全功能。此外，市場領先的MPU可提供嵌入式音訊和視訊功能以豐富用戶體驗，這些功能可提高系統資料處理精度，進而改進軟體定義回應有效性。
MCU/MPU為電動車核心元件
物聯網正在以前所未有速度生成資料，而進行資料擷取和組織，並採取相應動作的處理器則能夠支援和實現多種軟體和自主功能。伴隨16位元和32位元MCU，以及32位元MPU之類解決方案已經準備就緒，完全可以實現軟體控制汽車目標。當設計人員使用這些零組件來幫助實現大量感測器資料處理時，他們可以利用現有資料處理基礎架構為實現軟體控制汽車奠定基礎，同時推動完全自動駕駛汽車發展。
(本文作者為貿澤電子特約技術內容撰稿人)