電子控制器幫助提升發(fā)動(dòng)機性能

汽車(chē)行業(yè)對節能減排的力度在不斷加強，這也使發(fā)動(dòng)機控制架構發(fā)生了較大的變化。微控制器主頻并沒(méi)有提高多少，但是內存卻急劇增加，部分原因是發(fā)動(dòng)機采用了越來(lái)越多的傳感器，而搜集這些數據則需要足夠的內存來(lái)處理。

在電池技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，從而使電動(dòng)動(dòng)力系統可行之前，內燃機的工作效率還將進(jìn)一步提升。為了做到這一點(diǎn)，電子控制系統將發(fā)揮重要作用——負責“監測”并管理發(fā)動(dòng)機工作中各種狀態(tài)和瞬息萬(wàn)變的事件。

“在駕駛員操控時(shí)，你要能夠預測出發(fā)動(dòng)機的轉速是多少，然后確定燃油和點(diǎn)火策略，”飛思卡爾半導體微控制器產(chǎn)品經(jīng)理Tony Veri說(shuō)道?！霸陬A測出什么時(shí)候點(diǎn)火后，你還需要進(jìn)行每缸每秒36,000次模擬到數字的轉換。在監測發(fā)動(dòng)機轉速時(shí)，這些一定要進(jìn)行?！?

無(wú)論何時(shí)，只要這些控制策略中有一個(gè)參數發(fā)生變化，發(fā)動(dòng)機的整體性能都會(huì )受到一定的影響。因此這也需要發(fā)動(dòng)機設計師在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)好好思考如何實(shí)現硬件的重復使用，這樣可以盡量減少對設計變更的處理。

“發(fā)動(dòng)機系統已經(jīng)非常復雜了，而且很難再進(jìn)行簡(jiǎn)化，”通用汽車(chē)全球動(dòng)力總成電子工程經(jīng)理Alberto Pisoni說(shuō)道?！霸谶M(jìn)行控制元件設計時(shí)，我們會(huì )確定可以重復使用的基塊。我們在軟件開(kāi)發(fā)時(shí)也是這么做的?！?

芯片的發(fā)展

今天發(fā)動(dòng)機上采用的微控制器技術(shù)的發(fā)展可謂一日千里。微處理器內核在主頻沒(méi)有提高太多的情況下處理能力了較大的提升，這樣可以保持較低的能耗和工作溫度。此外，內存的不斷提升也帶來(lái)了許多變化。

RAM和閃存的大小都在增加，這樣程序員和控制工程師就可以更快地處理計算任務(wù)。閃存用于存儲程序，所需的空間需要更大，而控制器更多地負責功能的實(shí)現。程序員越來(lái)越注重可以提供更高性能和準確性的技術(shù)，因此RAM也在不斷增加。

雖然RAM越來(lái)越重要，但是今天微控制器芯片空間大部分都分配給了非易失性存儲。隨著(zhù)傳感器數量的不斷增加及實(shí)時(shí)處理速度的不斷提高，閃存的需求也在持續升高。

“發(fā)動(dòng)機控制器通常有2-8兆的閃存存儲空間，比以往大了很多，容量也高很多，”瑞薩電子美國公司市場(chǎng)經(jīng)理Amrit Vivekanand說(shuō)道?！霸诮酉聛?lái)幾年里，256kb的RAM會(huì )很常見(jiàn)?！?

雖然控制器的主頻不會(huì )增加多少，但是整個(gè)處理能力會(huì )持續升高。這是因為發(fā)動(dòng)機控制工程師越來(lái)越多地開(kāi)始采用多核處理器。核心頻率可以保持不變，但是隨著(zhù)內核數量的增加，處理能力也會(huì )提高，只不過(guò)能耗不會(huì )升高很多，因為能耗通常會(huì )隨著(zhù)主頻的增加而升高。

“我們都開(kāi)始采用四核處理器了，這也是可以滿(mǎn)足客戶(hù)需求的方式，”飛思卡爾的Veri說(shuō)道?！拔覀冇锌畎l(fā)動(dòng)機控制器目前可以達到客戶(hù)的標準。但是我們新推出來(lái)的多核芯片可以超過(guò)其兩倍之多，但是其每個(gè)內核的工作主頻反而更低?！?

其他供應商也認同，用戶(hù)今天都不再將主頻作為評判微處理器好壞的主要標準了。微控制器的選擇標準在于它們處理當前任務(wù)的能力，而這通常需要專(zhuān)用的內核以及外圍設備。

“雙核芯片的主頻為300MHz，但是芯片的延遲時(shí)間相對吞吐量來(lái)說(shuō)更重要。在任務(wù)較多時(shí)你需要的是驟然提升的處理能力，”Vivekanand說(shuō)道?！霸S多處理器采用DSP內核，可以滿(mǎn)足動(dòng)力總成系統的要求，比如快速傅立葉變換?！?

保持簡(jiǎn)單

隨著(zhù)零部件及系統變得越來(lái)越復雜，工程師們也在尋求可以簡(jiǎn)化他們工作的方法。其中一個(gè)方法就是通過(guò)標準來(lái)為一些基本的功能（如接口）提供常用的方法。而對發(fā)動(dòng)機控制帶來(lái)較大影響的一個(gè)標準就是汽車(chē)開(kāi)放系統架構（AUTOSAR）。

“AUTOSAR大大降低了系統的復雜性，”通用公司的Pisoni說(shuō)道?！癆UTOSAR還可以讓我們采用多核處理器——在不增加電磁耦合的情況下我們需要提高其性能。該標準可以讓我們將軟件分配給不同的內核?！?

他還透露通用公司正在開(kāi)始簡(jiǎn)化電路板的設計。工程師目前采用的是專(zhuān)用集成電路（ASIC），而實(shí)現的功能卻無(wú)法通過(guò)專(zhuān)用的標準微控制器或控制器來(lái)完成。如果將專(zhuān)用集成電路用于基本功能的實(shí)現，可以通過(guò)將大量被動(dòng)元器件整合到專(zhuān)用集成電路中的方式來(lái)降低電路板的復雜性和占用的空間。

“通過(guò)具有一定可編程的專(zhuān)用集成電路，我們可以開(kāi)發(fā)出類(lèi)似直噴這樣的系統，不僅可以用于汽油機和柴油機，還可以用于不同排量的發(fā)動(dòng)機，”P(pán)isoni說(shuō)道?！安捎脤?zhuān)用集電路的話(huà)，我們可以加入許多電阻和電容，而這節省了大量的空間，也就意味著(zhù)節省了大量的成本?！?

縮減的概念

傳感器的設計也在簡(jiǎn)化。今天許多傳感器都是安置在電路板上，用相當復雜的封裝技術(shù)保護起來(lái)。而這種方式也在發(fā)生快速的變化。

Melexis微電子系統公司不久前推出了一款用于EGR（廢氣再循環(huán)）閥門(mén)定位的線(xiàn)性和角度位置傳感器以及電子節氣門(mén)傳感器。前者采用了一種雙模具封裝技術(shù)，可以直接焊接在加固型連接器上，省去了電路板的使用。

“通過(guò)這種方式可以避免伴隨PCB板常出現的系統易損性，因為PCB板常常暴露在高溫或高振動(dòng)的環(huán)境中。如果可以將元器件和錫焊接頭的數量減少兩倍，系統出現故障的風(fēng)險就會(huì )大大的降低，”Melexis公司傳感器市場(chǎng)經(jīng)理Vincent Hiligsmann說(shuō)道。

提高傳感器的性能和可靠性對發(fā)動(dòng)機開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常關(guān)鍵的要求。隨著(zhù)速度的不斷提升，從不同源頭快速獲取準確的數據也就顯得非常重要。工程師們也在不斷增加傳感器的數量。

“雙頂置凸輪軸發(fā)動(dòng)機可能需要在每個(gè)凸輪軸上各放置一個(gè)傳感器，然后曲軸上再有一個(gè)傳感器，”英飛凌北美公司磁學(xué)部門(mén)經(jīng)理James Sterling說(shuō)道?！坝腥さ氖?，隨著(zhù)對效率的追求逐漸使汽缸的數量不斷減少，傳感器的數量也在減少，雖然對精度的要求在不斷提高?！?

發(fā)動(dòng)機上傳感器數量的減少不僅僅是因為從六缸到四缸這樣的轉變。工程師們也在想盡各種辦法可以讓他們僅從兩到三個(gè)傳感器上獲取信息，而以往這些信息可能還需要其他類(lèi)型的傳感器。這種傳感器已經(jīng)成為新的發(fā)展趨勢，盡管實(shí)際應用中并不總是盡如人意。

“只要有可能，我們就會(huì )盡量可以采用更少的傳感器，”P(pán)isoni說(shuō)道?！坝袝r(shí)候因為診斷所需，實(shí)現這一點(diǎn)并不容易。比如在美國就有多個(gè)在診斷方面的法規?！?

1、 電子系統監控著(zhù)發(fā)動(dòng)機的復雜工況。
2、 飛思卡爾半導體微控制器的內存大小以較快的速度在增加。
3、 Melexis傳感器摒棄了印刷電路板的使用，這樣不僅大大降低了整體封裝尺寸，還提高了產(chǎn)品的可靠性。
4、 通用汽車(chē)公司采用專(zhuān)用集成電路板來(lái)簡(jiǎn)化電路板的設計，摒棄了許多被動(dòng)元件的使用。

數字傳感器連接方式登上舞臺，FlexRay或淡出

隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機的轉速在更的控制下愈來(lái)愈高，通信逐漸成為系統設計中愈加關(guān)鍵的一環(huán)。傳感器通信已經(jīng)獲得了巨大的提升，芯片制造商預計動(dòng)力總成系統下一代連接方式將會(huì )發(fā)生新的變革。

發(fā)動(dòng)機控制連接方面大的改變當屬數字接口的應用，其將微控制器與提供真實(shí)世界信息的傳感器連接起來(lái)。開(kāi)發(fā)人員開(kāi)始選用串行通信，來(lái)替代用于連接傳感器的分立式布線(xiàn)方式。

數字信令可以提高通信的速度，減少布線(xiàn)同時(shí)還為雙向通信開(kāi)啟了大門(mén)。一些新的通信協(xié)議逐漸應用到發(fā)動(dòng)機機艙系統內。

“外設傳感器接口5（PSI5）以及SPC協(xié)議都允許雙向通信。你可以在節氣門(mén)、油門(mén)踏板以及閥門(mén)傳感器面向MCU的通信中看到這些協(xié)議的應用，”英飛凌北美公司磁學(xué)經(jīng)理James Sterling說(shuō)道?！皵底中帕羁梢詭椭鉀Q噪音和電磁兼容性（EMC）問(wèn)題，因為數字接口要比電壓輸出更容易被理解。你還可以在面向MCU的單通道通信中設置幾個(gè)傳感器，這樣可以為其他功能保留一些針腳，從而降低系統的成本?！?

別的通信一般由CAN（控制器局域網(wǎng)）協(xié)議來(lái)解決。多年來(lái)，許多開(kāi)發(fā)人員一直認為FlexRay會(huì )成為下一代高性能通信協(xié)議。不過(guò)，FlexRay的復雜性降低了系統工作的效率，從而為以太網(wǎng)開(kāi)啟了應用的大門(mén)。

以太網(wǎng)已經(jīng)在工業(yè)應用領(lǐng)域證明了這項技術(shù)的可靠性，已經(jīng)廣泛應用于家庭和辦公室環(huán)境中。越來(lái)越多的汽車(chē)供應商開(kāi)始認為這項技術(shù)會(huì )更為廣泛的應用。

“我們已經(jīng)感受到了以太網(wǎng)的發(fā)展勢頭，”瑞薩電子北美公司細分市場(chǎng)經(jīng)理Amrit Vivekanand說(shuō)道?！翱赡茉诙唐趦冗@項技術(shù)還不會(huì )成為主流的通信方式，但是越來(lái)越多的人開(kāi)始采用以太網(wǎng)來(lái)簡(jiǎn)化檢測工作。我們預計在接下來(lái)五年左右的時(shí)間里，相對FlexRay來(lái)說(shuō)，以太網(wǎng)會(huì )獲得更進(jìn)一步的發(fā)展?！?end)