应用开发更简单电子嵌入式系统车用解决方案

据港台媒体报导，从体积走向小型化的移动电话，与生活息息相关的汽车，到巨无霸喷射客机自动导航系统，嵌入式系统无所不在的“嵌入”在我们生活中。嵌入式系统平台的基本功能，除了大家熟知的应用及效率的要求之外，特别强调稳定度和可靠度，因此当车用嵌入式系统被开始运用到各式各样的车用电子产品，并通过不断创新的思考模式后，带给汽车安全革新及驾驶者新的体验。新一代车用嵌入式系统技术，并非一般嵌入式系统所能够比拟，而是一个全方位智慧的六度思维空间，使汽车添加了人性化元素。因此，本文将介绍嵌入式系统在车用电子的发展与应用。
  
     嵌入式系统让车用电子应用开发更简单
  
     何谓“嵌入式系统”?简单来说，嵌入式系统是一种具有控制、监视或辅助的系统平台，并同时拥有电脑般的软硬件功能，但不需要像电脑般需要有强大的运算或储存功能，所以软硬件的需求比比简单，相对复杂度也比低；而嵌入式系统最大的特色在于“量身定做”的多元性，专为某一项产品所设计的特殊用途，例如:航空业、汽车业、智慧型机器人、工业控制等控制系统的领域，是一项快速而具有低成本开发的应用系统。
  
     拜汽车电子广泛应用所赐，汽车电子IC控制器用于汽车上的数量越来越多，虽然电控系统方面可以提高汽车的动力性、经济性和舒适性，但是也增加电路系统的复杂度，进而降低汽车的可靠性，增加维修的难度。从整体布线的角度来分析，传统电子设备的系统大多采用点对点的单一通信方式，相互之间少有联系，如此一来，便会造成庞大的布线问题:如汽车动力总成控制、汽车电控系统，以及汽车安全系统等，都会有布线上的问题。为了应对这些问题，车用嵌入式系统便取代了传统的汽车电脑系统，成为车用系统中的新主流。
  
     以车用嵌入式系统硬件平台而言，比比适用于HIL（硬件回路）或是Bypass的环境，并运用在多功能电路系统控制与通信系统的接口上，针对汽车驾驶的灵敏度以及安全性的考虑，可以获得比高的灵活性及可靠度。另外，在软件平台则提供嵌入式操作系统以及强大的I/O应用模块软件库支持，确保系统运行安全、可靠，并方便快速开发应用系统。
  
     在目前嵌入式操作系统厂商中，最积极的厂商之一便是IT软件巨人微软，从1998年开始以嵌入式操作系统WinCE跨入汽车市场，提供客制化的开发环境，并做为汽车内娱乐至卫星导航系统的控制中心。
  

图1 车用嵌入式平台让越来越复杂的车用电子变得更加简单     车用嵌入式系统发展历程
  
     嵌入式系统集合了ROM、RAM、CPU、I/O在同一颗芯片，其中CPU在这几年不断的研究发展，历经4位、8位、16元，到现在32位甚至64位，对嵌入式系统运算性能的提升有极大帮助，目前在这方面投入的厂商有如过江之鲫。从基本架构来看，嵌入式处理器大致上可分为RISC（Reduced Instruction Set Computer）与CISC（Reduced Instruction Set Computer）两大主流，并利用一些简单的指令，藉以降低编译程序（Compiler）的工作，使线路可以达到最佳化的效果，提高执行速率。
  
     嵌入式系统进入汽车产业大致上可分成3个发展阶段：
  
     （1） 单芯片微电脑控制系统
     以4位和8位处理器为主要核心，配置外部平行总线、串列通信接口、SFR模块系统；所需的元件包括:中央处理单元、内存单元、输入/输出、时脉产生单元及相关周边装置，并制作在同一颗芯片上，成为一个独立运作的控制系统；但是，硬件结构和功能也比比单一，处理效率低、存储容量小、软件结构简单，不需要嵌入操作系统。这种低端的汽车SCM系统主要用于任务相对简单、资料处理量小和即时性要求不高的控制装置，如:雨刷、车灯系统、仪俵盘，以及电动门窗等。
  
     （2） MCU系统
     以高档的8位和16位处理器为核心，有了比多的外部接口功能，如:A/D转换、PWM、PCA、Watchdog、高速I/O口等，配置了芯片间的串列总线，软件结构比比复杂，程序资料量有明显增加，目前被广泛应用在汽车电控系统中，如:ABS系统、智慧安全气囊、主动式悬吊系统，以及发动机管理系统等。
  
     （3） SoC系统
     以性能极高的32位甚至64位嵌入式处理器为核心，对于资料信号需求量比比高，要求比快处理速度，并使用DSP作为辅助运算器所发展出来的系统架构，这是为了满足汽车系统不断扩展的嵌入式应用需求，以提高处理速度，增加存储容量与集成度。在嵌入式操作系统的支持下具有即时多工处理能力，同时与网络的结合更为紧密。汽车SoC系统是嵌入式技术在汽车电子上的高端应用，满足了现代汽车电控系统功能不断扩展、逻辑渐趋复杂、子系统间通信频率不断提高的要求，代表着汽车电子技术的发展趋势。汽车嵌入式SoC系统主要应用在混合动力总成、底盘综合控制、汽车定位导航、车辆状态记录与监控等领域。
  

图2 嵌入式软件系统平台开发流程     SoC系统将成为车用电子未来潮流
  
     既然车用嵌入式系统大多已朝着SoC系统的方向发展，SoC系统优越的性能也逐渐被汽车电子产业所认可，那么我们就来谈谈车用嵌入式平台SoC系统。笔者认为，基本上车用嵌入式SoC系统会以FPGA/CPLD（线上可编程闸阵列）的模式发展；这是因为系统是由分散式可编程互连逻辑单元所构成，并可以交换信息，经由大量运算过程并由硬件直接完成，系统的结构更加灵活，集成度更高。在系统开发上遵循通用的汽车电子系统开放平台和统一的标准，在提高软硬件通用性之后，便能加快汽车电子的开发速度，以及降低成本。但目前来看，SoC系统还是需要建构一套统一的标准与开发平台，如，欧洲颁布的基于OSEK/VDX标准的MODISTARC规范，将会影响到汽车嵌入式系统开发平台的发展趋势。
  

图3 SoC系统需要建构统一的标准与开发平台     “是新产品带动新需求，还是新需求造就新产品”；我们也可以用相同的思考模式去思考汽车嵌入式系统平台的未来。汽车嵌入式系统这几年发展非常迅速，随着后PC时代的来临，以及汽车电子导引汽车进入新领域的同时，在车内局部的网域技术和智慧交通技术的强大发展之下，相信嵌入式SoC系统将会形成车内网络系统的基础，网络通信和即时多工并行处理的车用电子产品将会越来越广泛的被应用。汽车嵌入式SoC系统在硬件上采用32位或64位高性能处理器，在软件上嵌入了操作系统，具有功能多样、集成度高、通信网络化、开发快速及成本低廉的特点，在汽车电子控制和车载网络通信系统方面有着广泛的应用，将未来汽车电子的最佳解决方案。