嵌入式技術助力汽車業(yè)應對54MPG法規(guī)帶來的挑戰(zhàn)

2012年8月，美國交通部國家公路交通安全管理局(NHTSA)和美國環(huán)保局(EPA)共同公布了全新的汽車業(yè)企業(yè)平均燃油經(jīng)濟性(CAFÉ)標準。里程數(shù)將以一種全新的方式定義，此外，汽車的“排放”將被納入效率評級中。

到2025年，目標燃油經(jīng)濟性將為每加侖54.5英里(MPG)。當今乘用車的平均燃油經(jīng)濟性為27.8mpg，要實現(xiàn)CAF的54.5mpg的目標，2021年前小轎車需每年平均提高5%的燃油經(jīng)濟性，而輕型卡車需每年提高3.5%，之后所有車輛需提高5%的燃油經(jīng)濟性。歐盟在降低能耗方面已遠遠超過了美國，并計劃在2020年以前實現(xiàn)65MPG的平均燃油經(jīng)濟性。

采用新一代動力總成控制器，可整合更多的功能并大幅增加計算性能，可在提升燃油經(jīng)濟性的諸多方面(以及汽車尾氣排放)做出改進。這個由控制器所控制的精密系統(tǒng)遠遠超出了傳統(tǒng)火花點火(SI)引擎和傳輸控制。包含混合動力電動汽車和插入式混合動力電動汽車(帶發(fā)動機、電池和系統(tǒng)管理電子)的要求迫使廠商采用與傳統(tǒng)改進趨勢不同的控制技術。

安全和效率的高增長需求

在動力總成控制中正在出現(xiàn)一種相對不可預見的趨勢，即對汽車電子系統(tǒng)安全性的不斷需求。設計人員必須確保在規(guī)避任何燃料和排放控制機制時，不影響車輛控制單元。

當汽車電子在20世紀70年代首次推出時，所實現(xiàn)的控制功能非常簡單——這些汽車電子是分離的，并且沒有連接到車輛的其他組件。控制火花塞的組件未與儀表盤的速度表或轉(zhuǎn)速表對接，也沒有無線移動電話接口或音響系統(tǒng)。行車電腦是當時最先進的功能，在當時僅僅處于起步階段。

隨著時間的推移，更多的復雜電子以及更多的固定和便攜式組件(如無鑰門禁系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、車載信息系統(tǒng)和無線通信)組合使人們可以訪問深嵌在汽車中的控制系統(tǒng)。這些用戶可訪問的系統(tǒng)可能包含個人和隱私信息，同時，嵌入式系統(tǒng)不可避免地影響到汽車的基本物理行為——如加速、制動、和轉(zhuǎn)向。這些互聯(lián)功能的新特性意味著，如果車輛的控制或信息系統(tǒng)受到侵害，盜賊便有機會從外部對車輛進行破壞。

通向節(jié)能之路

作為汽車動力總成微控制器(MCU)的主要供應商，飛思卡爾半導體以其在電子控制領域促進汽車業(yè)開拓同樣的方式應對了這些挑戰(zhàn)。

圖1顯示了2012年至2022年間，不同車輛的燃料消耗趨勢走向圖。通過減少車重和滾動阻力并改進空氣動力特性可提高燃油經(jīng)濟性，但符合這些不斷變化的標準且最具經(jīng)濟效益和最實際的方法是改進內(nèi)燃機和汽車電器化。

如果制造商未遵守相關規(guī)定，可能會受到處罰。同樣，購買不符合標準汽車的用戶必須支付額外的汽車稅。為了減少在非節(jié)能高效型汽車上所支付的花費，汽車制造商可利用當前和未來的飛思卡爾Qorivva MCU(如MPC5676R和MPC5777M)所提供的不斷增加的性能和功能。

這些飛思卡爾MCU有許多通用特性，如Power Architecture內(nèi)核、DMA控制器和串行通信接口。它們與上一代動力總成MCU相似，允許傳統(tǒng)軟件遷移到最新實施方案中；然而，與十年前的老式MCU相比，性能提升了5倍，閃存存儲器大小增大了4倍。

多核MCU的崛起

雖然通過簡單地增加操作頻率即可提升MCU的性能，但最新的Qorivva MCU實施方案采用多個CPU內(nèi)核，大大增強了功能，同時減少功耗。如果沒有多核架構，由于產(chǎn)生的熱量過多以及設計和集成更高頻率電路所面臨的其他挑戰(zhàn)，以經(jīng)濟高效的方式提供滿足即將來臨的54mpg要求的性能是幾乎不可能的。

MPC5676R MCU是首款面向動力總成應用的雙核Power Architecture器件，可與上一代單核MPC5674F MCU實現(xiàn)虛擬無縫兼容。它還提供了一組強大的、全新雙核特性，以應對虛擬傳感和啟發(fā)式控制算法等全新計算密集型軟件的挑戰(zhàn)。這些功能使開發(fā)人員不再需要大量的外部組件，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，節(jié)省了30%的成本，并使高級節(jié)能技術更經(jīng)濟實惠。

MPC5777M提供了每核300MHz的性能(比MPC5746M性能高50%)以及2.5到8MB的閃存存儲器擴展功能。利用I/O處理器分流計算內(nèi)核，它還使汽車設計人員可以靈活執(zhí)行任務并提高了其并行處理能力。MPC5777M還包括新一代安全保護功能，如硬件安全模塊和防篡改檢測模塊，可阻止軟件遭受黑客攻擊并防止售后篡改。

隨著效率標準的不斷出臺，最新的MCU可幫助汽車制造商采取節(jié)能措施，如直接注入燃料、汽缸去活、廢氣再循環(huán)、渦輪增壓、自動停止-啟動、雙離合變速器和先進的閥門控制。在不久的將來，更高級的MCU(目前在開發(fā)管道內(nèi)使用)將允許汽車制造商在實現(xiàn)燃料經(jīng)濟性和排放控制時采用新方法，如均質(zhì)充量壓縮點火(HCCI)、2沖程/4沖程切換、主動式空氣動力學和尾氣余熱回收。