近年来，汽车电子主动安全技术的开发和应用取得了令人瞩目的成绩，它将目前以安全气囊为主的被动式汽车安全技术，引入到以半导体微控制、传感器、雷达、视觉影像等先进技术为基础的主动式汽车安全领域，通过为驾驶人员提供各种预警信息，协助处理车身稳定控制，以降低交通事故的发生率。从目前的市场现况来看，一个较为明显的现象是，在市场关注度和诉求的强力驱动下，越来越多的车厂开始把主动安全系统从选配升级为一项标准配置，各种电子主动安全系统的装车率正稳步提升，未来更高级别、采用雷达和摄像技术的ADAS高级驾驶员辅助系统将会成为行业开发的又一个重点。
2011-2016年中国汽车半导体市场营业收入预测
Source:IHS iSupplivIeesmc
英飞凌科技(中国)有限公司汽车电子中国区市场部总监杜曦 |
IHS iSuppli最新的研究报告显示，2012年中国汽车半导体市场的营业收入约为41亿美元，从2011-2016年，中国汽车半导体市场的年复合增长率预计可达11%，其中，未来五年增长最快的将是安全控制半导体市场。展望汽车主动安全应用的发展，英飞凌科技(中国)有限公司汽车电子中国区市场部总监杜曦指出，汽车主动安全技术的下一步发展方向是预主动(Pro-Active)，而预主动也可分为“辅助”和“干预”两个阶段。这样的系统对汽车半导体的安全性和可靠性提出了更高的要求，也对半导体的技术和工艺提出新的挑战，例如系统的响应时间、功耗、通讯和冗余设计等，主动安全系统的广阔应用前景也决定了将会有更多的半导体器件将被运用在汽车安全控制上。
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本文下一页：新标准促进安全设计再升级
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新标准促进安全设计再升级
当前，影响汽车主动安全市场发展的一个重要因素，莫过于近期以欧美市场为主导的各项与汽车安全相关的标准和法规的颁布，其中包括：源自工业功能安全和IEC 61508安全标准的ISO 26262道路车辆功能安全系列国际标准；以及Euro-NCAP(欧洲新车安全评鉴协会)最新发布的安全标准。根据这些标准和规定，2015年欧洲车厂将全面导入符合ISO 26262标准的车用元件；并且从2014年起，要获得最高Euro-NCAP 5星安全评级的车辆必须配备自适应定速巡航、自动刹车等先进的主动安全系统。在行业强制法规和政府政策的刺激下，最近一两年将成为汽车安全应用半导体器件全面升级的关键时期，同时也会促进汽车主动安全市场的成长，最终形成全行业的统一标准。
富士通半导体(上海)有限公司高级产品工程师李丹 |
ISO 26262道路车辆功能安全系列国际标准于2011年11月正式颁布，它定义了安全部件的产品概念、开发过程(含系统、软、硬件开发)、支持过程、安全分析等完整的管理规范，同时采用了比较先进的基于模型的软件设计方式，可以降低开发难度、且更好地保证安全系统(包含主动安全系统)的可靠性。富士通半导体(上海)有限公司高级产品工程师李丹进一步指出，ISO 26262标准要求半导体厂商在芯片设计之初就应考虑更高的安全性，从而支持更高等级安全系统应用的开发，例如CPU内核的冗余设计(多核结构)、自诊断功能、锁步运行(Lock Step)功能等。
亚德诺半导体技术(上海)有限公司(ADI)汽车电子行业中国区市场经理许智斌 |
“ISO 26262的推出对于汽车安全功能有着极大的促进作用，”亚德诺半导体技术(上海)有限公司(ADI)汽车电子行业中国区市场经理许智斌说道：“ISO 26262为汽车电子电气系统的整个生命周期中与功能安全相关的工作流程和管理流程提供了指导，定义了汽车安全生命周期和汽车安全完整性等级(ASIL)这两个关键概念，也对汽车电子主动安全提供了更为明确的要求和等级定义，令到半导体器件供应商、零部件供应商、整车厂商都会有更明确的标准可循。”
面对汽车安全如此严苛的应用要求，安全系统设计和功能安全是目前汽车电子主动安全开发过程中最核心的部分。安全系统设计指的是从车身整体安全的角度出发，采用多种先进的探测技术，提高汽车的行驶稳定性，自动规避事故发生；而功能安全则指的是系统应具有完备的自我诊断功能，不会存在由于电子电器功能故障而导致的不合理的风险。在当前汽车主动安全控制市场的实际应用中，还是多种芯片架构系统共存的状况，各种控制、处理芯片方案将围绕安全系统设计和功能安全这两个层面，立足于自身的性能优势，各擅其长，展开激烈的市场角逐。
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本文下一页：实现更高性能的控制管理
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实现更高性能的控制管理
在目前汽车主动安全技术的众多应用中，量产数量增长较快的是电子稳定控制系统(ESC)，其间，大量不同类型的传感器被运用在汽车电子领域，这一方面需要更高效能的微控制器MCU来实现对整体系统的控制和管理。另一方面，针对大多数半导体解决方案缺乏灵活性，无法支持客户多样化功能开发的要求；而有的方案则需要客户投入较大的安全软件开发资源，却同时也增加了系统复杂度等等问题，目前，部分厂商开始在硬件结构上融入了更多以前需要通过软件诊断而现在全部由硬件自身检测的功能，来提升硬件的处理能力，帮助客户节省大笔的软件开发成本。
以TI新推出的Hercules TMS570安全微控制器(MCU)为例，其采用基于ARM Cortex-R4内核的单芯片双核架构，使得系统设计更为精简，之前需要用两颗MCU作冗余的安全系统，现在只需要一颗TMS570芯片和电源即可实现，在PCB板的布板空间上也更为节省。同时，ARM Cortex-R4内核侧重实时处理(Real time)的特点，可保证大数据量处理条件下优秀的实时响应。另外，该系列高端产品还带有浮点运算能力，能够进一步满足需要高安全性及实时处理的应用，借助双核锁步功能，与安全性相关的保护和诊断功能均由硬件实现，降低了软件开发的难度。
德州仪器(TI)半导体事业部汽车电子中国业务拓展经理姜辉 |
德州仪器(TI)半导体事业部汽车电子中国业务拓展经理姜辉介绍道，目前汽车主动安全系统的发展要求半导体器件能够在产品的高性能和成本上作更好的优化，要能够从系统的角度，提供包括模拟器件、微控制器、软件、系统架构、外设等在内的一整套解决方案。为此，TI推出了一整套面向功能性安全的设计套件(SafeTI)，从微处理器，到电源，以及驱动电路等，全套方案大大简化了客户系统安全设计的开发过程。
飞思卡尔汽车电子市场开发经理郗蕴侠 |
另外，基于MCU的硬件集成也是部分厂商目前重要的发展方向，其中的一种方案是将MCU和模拟器件整合在同一个芯片内，以缩小尺寸，降低功耗和成本，飞思卡尔推出的Magniv家族混合信号MCU就是代表型产品之一。该技术在MCU上实现了扩展模拟集成，使开发人员可以在汽车设计中将高压信号和电源直接连接到MCU，帮助节省电路板空间，提高系统质量，并降低系统复杂性。在功能安全方面，飞思卡尔汽车电子市场开发经理郗蕴侠介绍道：“根据ISO26262标准的要求，还需要厂商提供安全过程设计、安全软件进行配套。飞思卡尔目前实现功能安全的途径包括四个主要领域：安全流程、安全硬件、安全软件和安全支持，采用飞思卡尔针对功能安全标准开发的器件，能够帮助设计工程师快速完成产品设计，加快上市时间。”
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辅助驾驶系统开发成热点
最近几年，在部分豪华型车辆市场上，ADAS高级驾驶员辅助系统是较为热门的汽车主动安全应用之一。随着视频、雷达等技术被越来越多地引入这一系统，并且多种传感器技术正处于交互融合之中，面对多种数字信号应用模式和处理模式的不同，迫切需要更强大的数字信号处理技术，来实现各种复杂、实时、并行的计算目标。在这一方面，DSP处理器以其优秀的数据处理能力以及数据算法，使得相应的主动安全预警或干预措施成为可能。
TI为大多数主流ADAS系统供应商所提供的DSP系统数据处理平台不仅具有强大的可编程性，且实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，以满足ADAS系统的需求。此外，TI还提供专用视频处理加速单元EVE(Embedded Vision Engine)，进一步强化了DSP技术的优势，使系统拥有更强大的运算能力，而功耗更低。
德州仪器(TI)OMAP业务发展经理翟骁曙 |
“针对中国市场的特点，我们还将ADAS系统进一步区分为辅助警告类产品与主动干预类产品。对于主动干预类产品，由于其对可靠性的极高要求，因此传统的独立系统设计模式仍将被沿用；但对于辅助警告类产品，则将其与Infotainment系统作整合，为中国市场提供低成本、高性能的解决方案。”TI OMAP业务发展经理翟骁曙说道。
为了降低开发难度，TI DSP处理器的系统开发模式与通用处理器的系统开发模式相似，同时，还为ADAS系统开发者提供了多种辅助手段，例如，TI免专利费软件库VLIB集成了60+种高度优化的常用视频处理算法单元模块，这些模块都是完整视频处理算法的核心组成部分，而且也是整个系统之中运算密度最高的部分。基于VLIB进行产品开发，不但可以缩短产品的开发周期，还能为开发者提供高达数倍的性能提升，并且不会为开发者带来额外的成本负担。
针对汽车前视系统的数据处理能力，ADI于近期发布的新一代双核、1GHz Blackfin BF60x系列DSP可同时运行5个前视视觉功能，包括车道偏离报警、自动大灯、交通标识识别、行人检测、前方碰撞预警。ADI提供的基于视觉的智能辅助驾驶方案采用的是DSP、视频转换器、视频放大器的多芯片方案，同时，ADI还可为车载雷达系统提供丰富的信号链产品，包括PLL信号调制器、接收通道放大器、MUX以及集成接收芯片；另外，ADI推出的SHARC浮点型DSP可适用于雷达系统的信号处理，这些产品均专门为高性能的ADAS系统而开发。
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向中高端汽车市场拓展
汽车主动安全系统仍然处于不断发展完善的过程中，越来越多的安全创新应用被加入进来，目的是减小或防止对交通事故对人们所造成的伤害。但对于绝大多数汽车主动安全应用来说，目前一项重要的任务是降低系统的使用成本，提高普及率，向更为广阔的中高端汽车市场拓展。在这一过程中，以灵活性著称的FPGA解决方案成为了市场的生力军。
赛灵思(Xilinx)公司汽车市场营销经理Alix Coxon |
赛灵思(Xilinx)公司汽车市场营销经理Alix Coxon表示道：“为了推动ADAS系统的市场应用，在成本因素的考量下，单一平台上做更高程度的系统整合将是主要趋势，以使得一辆汽车上装有的一个或多个摄像头、传感器等可以用于执行多个辅助驾驶程序，提升系统的利用率。其次，这些辅助驾驶的处理器件还需要有灵活性，可适应不断优化的算法和各种独特的车辆平台设计，以及可扩展性，来随时调整辅助驾驶系统各种特征功能集合的BOM成本预算，为客户提供理想且符合成本效益的解决方案。”
针对这些需求，Xilinx开发的Zynq-7000 All Programmable SoC芯片将ARM双核Cortex-A9 MPCore处理系统和FPGA紧密整合在同一个芯片之上，显著提升了系统的性能表现，以及辅助驾驶系统密集型数据处理的实时性，并减少了BOM成本，功耗也更低。据了解，目前多家赛灵思联盟计划认证成员已展开了基于该SoC芯片的开发项目。其中，视频专业公司Xylon采用其作为LogiADAK Zynq-7000 SoC汽车辅助驾驶套件的核心，这款实时ADAS优化开发平台使汽车制造商和汽车电子产品供应商能够将自己的软/硬件IP与高性能可重编程的SoC相结合，不必再为硬件配置或软件系统分神，而是更专注于进行产品的创新和特性开发，这也有助于系统差异化应用的发展。
Altera公司汽车业务部战略营销经理John Goldie |
另一家可编程逻辑解决方案的领导厂商Altera开发的FPGA SoC系列新器件(Cyclone V SoC)，在一片器件中同时实现了双核ARM Cortex-A9处理器系统和FPGA逻辑器件，降低了材料成本(BOM) 和系统功耗，减少了PCB板引脚布局和尺寸，且提高了系统性能。Altera公司汽车业务部战略营销经理John Goldie强调道，除了提高系统的集成度之外，未来的器件还会针对安全应用进一步优化，并包括更多的诊断功能，因此，为被动及主动安全应用设计系统的汽车Tier 1供应商应特别重视功能安全方面的研发。
在功能安全开发上，Altera是目前唯一能够为工业安全应用提供认证功能安全数据套装(FSDP)的可编程逻辑器件供应商，支持IEC 61508标准。该功能安全数据套装将设计方法、工具、IP和可编程逻辑器件器件本身都用在功能安全应用中，提供了指南、检查表和已知办法，以及合格的方法和工具。通过基准测试表明，应用该FSDP可有效降低成本，并缩短开发时间，且由于该套装的方法/工具/IP和器件都经过了认证，因此，它还支持对最终系统(项目)进行快速认证。2013年，Altera计划将会对该功能安全数据套装进行扩展，以满足汽车安全ISO 26262特有的需求。
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