1.2 汽车电子系统介绍

汽车电子系统是整个汽车子系统的一部分，是指以汽车电子控制模块为核心，加上传感器、执行器和汽车线束等部分组成的控制环路。它的主要目的是和被控对象一起形成一个汽车的子系统，来实现所要求的功能。图1-3所示为一个典型的汽车电子系统。

汽车电子系统通常包括以下几部分：

（1）传感器

汽车内的传感器主要作用是将物理量转换为可识别的电信号，一般是为控制器收集所需对象的信息和状态，在发动机控制系统、底盘控制系统、娱乐导航系统和车身控制系统等各个汽车部件中都有应用。汽车内的传感器按所测的物理量（如温度、压力、位置和转速、加速度、距离、方位和车速、方向盘转角、雨量、电流、胎压等）分类有多种类型，对于电子控制模块而言，传感器信号是重要的输入信号。

在汽车电子系统快速增长的市场需求下，汽车传感器技术不断发展。随着微型电子机械系统（Micro ElectroMechanical System，MEMS）技术的进步，汽车传感器开始朝着智能化、微型化、集成化、多功能化方向发展，通过将传感器、执行器、机械机构、信号处理和控制电路等集成于一体的MEMS，简化了传统汽车电子系统，真正实现了体积减小、功耗降低和重量减少，这一分支也成为汽车电子重要的发展方向。图1-4所示为汽车MEMS技术和传感器的应用。

（2）汽车开关

传统汽车中有大量的开关，这是由于汽车企业为每个单独的功能都设计了开启和调整的入口，为汽车电子模块提供控制汽车的输入信号，是传统HMI（Human Machine Interface）设计师重要的人机接口。根据实际中的应用，汽车中的开关可分为旋转式开关、顶杆式开关、翘板式开关、电子型开关、按钮式开关和板柄式开关；从时间特性上来说，针对不同的响应时间，可分为长效开关和短时开关；从开关的电气特性而言，可分为组合开关和单一开关。

随着智能手机的更新，人们开始习惯于使用触摸屏，例如以特斯拉为代表的新兴电动汽车企业，都把实体按键在中控屏幕上实现虚拟化；而手势操控和触觉反馈等新技术的导入也为开关的未来蒙上了阴影；消费者追求更好的体验，车企追求体验和安全应急之间的平衡，这些因素都会对汽车开关的选择和应用产生影响。如图1-5所示，汽车开关可能在未来被逐渐淘汰。

（3）汽车电子控制模块

汽车电子控制模块以单片机为核心，包括各种电源电路、通信电路、输入处理电路和输出功率电路几个重要的组成部分。随着汽车电子控制模块越来越多，传输的数据量越来越大，汽车总线速率在不断提升，电子控制模块开始朝多系统集中的方向发展。在电子控制模块中，MCU是汽车电子中的核心部件；但是随着对汽车性能的要求不断提高，在某些应用中，FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）和CPLD（Complex Programming Logic Device，复杂可编辑逻辑器件）等逻辑处理器件也登上了汽车电子的舞台，由逻辑控制为主导的部件实现了模块功能的多样性，整个模块的复杂度也随之不断提高，由此也带来了验证的困难，如图1-6所示。

在汽车电子领域，汽车厂家面临很多的问题，如用户对于车辆功能的要求变化很快，而且市场竞争程度的加剧，也对原有产品的生命周期提出了很大的考验，汽车厂家原有的规划、设计、工程需要跟上快速换代的节奏，想要跟上整个节奏就需要以模块化来达到战略目的。汽车模块化的目标是：缩短产品开发时间，快速推向市场；通过减少模块数量来降低产品质量风险；增强生产线柔性，以便快速应对市场变化；通过整合原来的平台来实现车型开发集聚，降低整体投资（模具、生产等方面）；通过实现跨车型、跨级别的部件通用来降低开发成本和部件成本；将非核心零部件外包，聚焦核心价值，降低管理成本。从某种程度上来说，汽车模块化是用更少的产品开发团队集中精力做核心均一化的部件，来供给不同的车型，但其本身是一把双刃剑，问题在于：通用化造成的缺陷及召回风险会增加；进行产品设计变更时必须投入大量资源，汽车企业对零部件商的要求严格；供货量要有很大的弹性；供应地区需要辐射多个地区，需要有强大的物流系统支持；产品的成本要降低。

每个汽车企业必须面对这样的问题，即如何控制车内的功能和可变量，来构建除了轴距和大小之外的差异化，以支撑走量和获取较高的利润。在对结构、机械功能部件做了大量的分类管理之后，汽车电子的ECU（Electronic Control Unit，电子控制单元）部件就承担了大部分差异化目标。

从汽车电子的工程开发的角度来讲，需要在前端的概念中，将整车企业的模块化需求融入其中，设计的过程必然从单一、封闭的开发转向多平台、多种需求的融合。

过去的汽车电子系统开发：单个车系或者说是平台进行结构化整合，开发汽车电子系统；单个部件的供应商遵循单条线的成本和价值的最优化。

现在的汽车电子系统开发：分结构接近的平台进入同步整合，从两个平台的角度去采购和优化部件。

未来的汽车电子系统开发：采用前驱和后驱两个平台，但电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；从项目角度而言，单个项目的需求量是之前的几倍，项目的数量降为个位数；成型的战略供应商合作伙伴体系，使项目研发的费用集中，带来单个项目研发的费用增加；需求的复杂度上升，给工程设计增加了难度；需要整合更多的实验数据过程，甚至需要更多的模拟仿真来满足快速开发和开发复杂度的要求。

所以从汽车电子架构上，催生了对于新一代网络架构的需求，也就是对于域控制器与云端管理的需求。因此从这个层面来说，在域控制器的演化下，模块的功能会部分简化，而大量的工作是由整车企业和少数Tier1（一级供应商）完成的，即将软件分成嵌入式和云端两部分来实现对车辆的配置。

（4）执行器

汽车里的执行器用来执行电子控制器发出的控制信号，它对电子模块来说是负载。目前汽车用的执行器多为机电式类型，如电磁阀、压电元件、继电器和直流电动机等，这些执行器大部分在电气上具有很大的感性特点。正是由于执行器基本都是由机械器件构成的，因此也就决定了电子控制模块具有机电一体的特性。

（5）HMI（人机交互）设备（光学和声音）

在汽车的发展过程中，如何有效地利用声音和光学设备提供HMI接口是非常重要的，也是不同汽车企业往前整合的非常重要的部分。这里分为对外和对内两个方面：

对内：现在各个主要的Tier1零部件企业无不把电子座舱作为一个未来重要的发展方向，包括大陆、博世、Denso、佛吉亚和伟世通等公司都在扮演一个系统整合者的角色，电子座舱已成为兵家必争之地；因为通过设计智能电子座舱可以接近车主，了解其对于汽车功能的反馈，电子座舱使用的体验直接影响到车主对于汽车产品的看法。

对内HMI设备的特点如下：从设计风格来看，各家公司都倾向于全舱布满显示屏和触摸屏，从数字侧视镜到中央显示屏，形成了一个完整的系统；信息输入都需要借助于驾驶舱摄像头和算法识别驾驶人和相应的动作；在智能电子座舱里面配置人工智能驱动技术，可基于不断变化的交通道路条件进行调节；在座椅端设置通过传感器获取驾驶人健康监测数据的交互型座椅面套。

对外：传统意义上的对外主要是指喇叭和车灯，后者主要分为室外照明和室内照明。室外照明有近光灯、远光灯、转向灯、雾灯、倒车灯和牌照灯等；室内照明有门灯、顶灯、点烟灯、脚灯和手套箱灯等。现代人们常要求车辆有情感化的个性表达，这时就可以采用外部灯光显示和交互，通过内部软件组合的控制内容视觉化地呈现在外观内饰的设计当中。而这又和内部的系统完整地整合了，例如利用车辆前、后部的LED（Light-emitting Diode，发光二极管）灯带和发光LOGO组合成独特的智能表情，在不同的使用场景下（如不同的电量状态、车辆解锁以及行进期间）开启不同的显示模式，与用户和行人进行“对话”。

（6）汽车线束

汽车线束是电气系统的物理连接，是构成汽车电路网络的重要“成员”。线束由电线、接插件和包裹胶带组成。由于汽车安全性能要求高的特点，对汽车线束也提出了简洁性和可靠性的要求，因此往往采用柔性加强型的线束。在汽车线束领域，随着汽车电子系统的功能越来越复杂，信号传输和配电管理也逐渐出现分化。

在大多数情况下，整车企业往往将以上的各个不同部分交给不同的供应商，然后收集所有的信息，汇总并整理成规范，由汽车电子的一级供应商来完成电子控制模块的系统设计和整合。按照这种模式，汽车电子企业所涉及的开发对象遍布整个控制系统，但是提供的产品仅仅是电子控制模块。通常与控制模块一起工作的如传感器、开关、执行器、线束、指示和显示设备都是由整车企业采购的。从产品设计的角度来看，整个信息的获取和功能的确定都是由整车企业进行定义的。