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微控器在機車引擎管理系統上的應用

誼騰動力(Eltronix)股份有限公司技術長凌全伯。

當32甚至64bit MCU、多核MCU的出現,是否對嵌入式工業、機電整合控制帶來必然的影響,車電動力整合開發商提供另外一種角度,演算法(或控制﹧決策IP智財)的關鍵技術掌控,往往超越有形的硬體規格束縛,成為數位化機電整合的核心關鍵…

從多核心FPPA談起

誼騰動力(Eltronix)股份有限公司技術長凌全伯先生,針對「微控器在機車引擎管理系統上的應用」之議題做演說。他先從自己的背景經歷說起,在進入機車業界前,曾任工業技術研究院機械所動力機械組副研究員、全技半導體、凌陽科技、應廣科技,也曾參與過8核FPGA處理器的專案;現在為誼騰動力研發處總工程師(CTO),負責機車動力系統的機電整合相關研發。

當微控制器強調聯網連接性、低功耗以及寬廣的暫存器位元(16->32->64bit),對汽機車的引擎動力管理而言,是否也需要使用如此先進、高規格的微控制器?

凌全伯他先列舉過去參與的8核現場可程式處理起陣列(Filed Programmable Processor Array;FPPA)處理器晶片,以硬體架構完成即時控制的作業系統(RTOS),MCU從一個Clock時脈訊號產生,每個核心的資料訊號陸續送出,從事件程序控制、多核處理器、多任務切換與眾多週邊切換功能,應可提供絕佳C/P值。

從現場來賓都沒聽過這顆8核FPPA微控制器晶片的反應,他也提到從實務上,這顆8核、可組態化的FPPA控制器晶片,怎麼到各汽機車控﹧機電模組廠去推銷,還是無法獲得青睞;那引擎電子控制模組﹧設備商,對MCU的需求究竟為何?以MCU發展來看,一般人還是比較容易接受普羅大眾化的微處理器。因此不能忽略這些國際MCU大廠的產品發展趨勢。

引擎電子控制線路的沿革

凌全伯列出一張1908年手繪的引擎點火線路圖,至今超過百年歷史,這個點火線路發明人為Charles F. Kettering,他是知名汽車電子商AC Delco創辦人,也是通用汽車(GM)研發副總裁。汽機車引擎點火電路一百多年來都沒有改變,簡單的利用線圈升壓的原理,因此汽機車的運作原理,一百多年來也是維持不變,因為機械部份能改變的很有限。改變車輛往後的發展會以電子電機控制為主。

大家製造MCU微控制器都聽過8051,由英特爾(Intel)所開發歷史最成功的8bit 微控制器單晶片,他列出一張知名德國汽車電子大廠BOSCH所設計的Ignition Control(點火控制)線路,以及Fuel Injection Control(燃油噴射控制)線路,因為以前MCU速度不夠快,所以點火、噴油控制的線路各作一套;今日MCU時脈與效能越來越高,開始出現將Ignition與Fuel Injection合一的ECM/ECU模組設計。

台灣設計製造MCU很厲害,但目前機車ECM/ECU模組沒有一個國產的,他列出幾張國產與進口的ECM/ECU模組,看來PCB面積大小、BOM表、零件組成差異不大,但純粹Ignition ECM/ECU不到2,000元,而點火噴油ECM/ECU動輒萬元,有錢還買不到,為何會有如此大的價差與差異,值得產業界深思。

他再列出現代的引擎機電管理系統(Modern Engine Management System;EMS)剖面圖,其中9個紅色標出的各種感測器,至今使用的技術與規格演變不大。

台灣機電整合欠缺橫向整合的人才,撰寫程式只要用10根指頭大家都會敲得出來,當他把台灣四大機車廠所使用的ECM/ECU模組列表比較,其中有的使用Motorola(Freescale) MC908、Infineon XC164、Renesas M16C與BOSCH(MCU不明),絕大多數還停留在16bit的MCU規格,因此引擎管理系統不需要多快的韌體速度,關鍵的是機電整合,整個模組連動的演算法。

MCU的導入需考量汽機車機電控制的封閉性

另外在機車校準﹧診斷機台的應用上,撰寫Apps人人都會,但怎麼把引擎各種輸入、輸出函數與軟體介面的控制寫得很簡單,讓人一看就懂,其實是件不容易的事情。因為連機車師父有時照著使用說明書接線,有時都會接錯,跟他們講APP如何下載與操作簡直整死他們。

另外在數位點火器(Digital CDI)部分,誼騰動力開發出數位點火器模組,支援USB HID級別,並且搭配SparkLink診斷平台,無須驅動程式就能即插即用。就可以讓許多使用者達到輕易上手的市場機會。

過去像機車防盜警報器,台灣的機車防盜器只能說是警報器,因為遇到竊賊入侵只會警報而不會鎖引擎、鎖機械機構,把警報器線剪斷一樣騎走;蘋果、谷歌開發無人車﹧自動駕駛系統,為何要挖汽車機電人才,車用電子是引擎蓋以內的部分最難,毛利也最高,但全球能主導的幾乎是每一洲一家(全球約五大家)。最知名的美國是Delphi、德國BOSCH、日本電綜(DENSO)等,光BOSCH+DENSO一年掌控全球近一兆美元億汽車機電市場營業額。

由於汽機車機電產生的工作條件會有低電壓大電流的使用環境,傳統橋式整流器以二極體設計10安培,會因功率熱耗,產生效率低落進而影響車用電系的諸多問題,所以整合先進半導體技術都可以克服這些使用上的問題。

當MCU廠商來ECM/ECU廠推銷MCU時,總是強調多核心、週邊整合、所有功能集中在一個MCU統籌處理,他詢問這種設計是合理的嗎?當MCU掛掉不就整套機電控制設備就停擺?還是將各運作單元分散且專注獨立運作。再以高速介面連結做資料交換,是否比較合理的設計?這也是一種互聯網絡的基本概念。

另外機車的USB充電也是一個問題,像是騎機車可透過USB充電很酷炫,但要完美解決整個配套並不容易,因為USB充電機制是開放規格,要融入機車這個封閉、不對外開放的黑箱機電規格很不容易;譬如:明明USB規格是寫明2A使用規格,但使用者可能忽略,車廠為了安全因素,不願意為了USB充電這種開放規格去開放、驗證與背書其安全性,增加其產品的風險。

凌全伯最後總結車輛將持續發展油電動力或其他替代能源系統,未來MCU在汽機車機電整合、控制方面會越來越多,再搭配半導體技術演進,在引擎管理系統(EMS)導入MEMS微機電、運算能力、通訊,並做好機電整合,達到高效率、安全性與平台人性化的要求。

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