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                                     文章主題: 單晶片與引擎控制(六) -- 點火系統微控器篇
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  (2006/5/3)前言 :

            筆者發現最近不只因為車用電子展效應而已,而是真的許多電子業者還是真的想切入這個市場,筆者相信不只您是玩硬體諸如GPS 或多媒體播放器;或是寫嵌入式軟體的AutoPC 或是導航系統平台者。相信都不是一兩個工程師的規模。無論您們公司或團隊有多少人想努力的企盼著這市場時。筆者就以一個小小經驗來說明一個簡簡單單的車用電子應用,卻是一個難以跨越的鴻溝。

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            一般傳統的機車裡有多少個必備電子部品?讓大家來猜一猜:若機車這麼簡單的電子系統若大家還搞不懂如何去切入市場,筆者認為講那些冠冕堂皇的遠大夢想,只不過是一種掩耳盜鈴的阿Q心態而已。很簡單,台灣有自己的汽車工業嗎?!台灣培養了多少機電整合的系統工程師?!

            機車的電子部品數量?答案是:發電機整流器、方向燈的閃光器及CDI點火模組。其餘那些冷光LED儀表啊、霹靂燈啊等都是可有可無的,您覺得車廠 會不會主動理您,就算他讓您切入產品,筆者認為數量也都不大。因為車廠採購不會只獨善某一家協力廠的。發電機的整流器是六顆SCR 或六顆二極體,這種東西對一般廠商要切就不必想太多了,因為人家現在已經用得很順手了,喔∼最近上市的朋程科技好像就是作這個嘛!!;方向燈的閃光器(flasher relay)?!這種東西,可能大家接觸的機會不多吧,他裡面也有一顆IC 喔。不過,也是掌握在國外的手中,會不會很難?!還好啦,一顆約台幣十幾元而已,只有幾個重點啦:直接接 12VDC ,還有當某一個燈泡壞了時,閃光的速度要改變,還有還要直接推一個打音的 relay ,要不然,打方向燈時您怎麼可以聽到滴答∼滴答的聲音呢?!

            至於CDI點火模組,他的成本最貴,零件也最多,發展空間也最大,當然也是最好玩的。筆者就是要來說這個東西的故事:

            先來看機車CDI 點火模組的原理:

STEP-1A.C.G. 輸出激磁信號(類似 AC 發電機),從 CDI EXT 端輸入。

 

STEP-2、在 EXT 端輸入之激磁信號經 D1 整流後對  C1(高壓紙質電容)充電。

 

STEP-3 A.C.G. 上有另一組脈波信號,從 CDI PC 端輸入。

 

STEP-4、在  PC 端輸入之激磁信號經 CDI 內的控制回路,提供 SCR 之觸發信號,使 SCR 導通。

 

STEP-5SCR 導通同時, C1 經由 IG COIL 之一次線圈放電,二次線圈感應極高之電壓,使火星塞跳火。

 

STEP-6、比較相關波形如下:
 

                                                               

STEP-7、停車時,SW1(鑰匙) -> Off CDI SW 端接地,激磁信號經由 D2 接地,充電停止, 點火消失,引擎立即熄火。
 
其中步驟六中的 EXT 有人是半波充電或整流全波充電。但是,在磁電機上就必須繞出一組很細的充電線圈,所以,現在的趨勢已經是用DC來作充電。因為作DC-DC 的技術很成熟,而且如此一來充電比較穩定,否則以前在怠速情況下,點火會因充電不穩定而不穩。

 

        然後您看到步驟七,您會不會昏倒?!原來機車是這麼好偷的!因為您只要把SW1 線剪斷,就可以發動引擎了(用腳踩發動)。哈∼哈∼

        其中控制回路也需要一顆IC,最古早的就是日本新電源拿富士通的MB4213 這顆IC 開發出現在CDI的樣子 。後來,大陸的復旦微電子就把他複製了成了FM4213 。有興趣的可以上網下載來看,他的原理也很簡單,就是利用上圖交流PC波中的前緣端與後緣端行程一個三角波,再與內部一個梯型波作比較所得一個延遲觸發信號來打開後面的SCR。所以,他所得到的點火進角圖為:

                                                          

            FM4213 的原理就是利用磁電機上的那一小塊凸塊,來造成點火觸發信號從後援拉到前緣端。至於,為什麼上面那一條線到高轉速時,又會往下掉呢?!嘻∼嘻∼這點我就不講了,考考大家基本電路學。這個 會掉下來的規格可不是FM4213 作出來的喔!那機車廠怎麼決定這條線的呢?!這個答案我就可以告訴大家了:就是依照引擎怠速與機車的極速來決定的。至於,凸塊的位置就跟傳動系統CVT 有關了。因為當引擎轉到約2000~3000 轉時,CVT 就會搭上作動力輸出了。

        當然,您也不必去做4213 了,因為這顆IC在筆者十年前時,就已經降到台幣十元了!哈∼哈∼

那我們還玩什麼呢?!筆者剛剛不是提到有關用DC來作充電機制嗎?!

DC-CDI 之原理:
          近年來,機車大多轉向 DC-CDI 方向, 所謂 DC-CDI :便是將 上述中 A.C.G. 中的激磁信號(充電信號),改由 電瓶電源所提供。因為一來,A.C.G. 便會減少一組高壓繞線(降低加工成本),且可降低磁阻造成之引擎負載;另一方面可改善點火不會因引擎轉速變化造成不穩之情形。而所要增加的便是 CDI 內部線路的調整。架構如下:
 

                所以就無形中增加了CDI的電子複雜度了,這下就值得大家來想這個問題了。尤其,現在機車的點火進角是為了因應不同引擎需求,而越來越複雜了,所以大家就想到用單晶片微控器來開發此 CDI點火器了

            現在就進入筆者的故事主題了:

            第一代數位點火控制器:筆者用的是NEC 的 uPD78C10 ,算是功能作得蠻完整的。除了基本的進角控制外,還提供PC連線功能,讓引擎工程師可以隨時調整點火進角與即時觀看點火狀態。這套工具筆者服務的單位還賣了兩套給南部某機車大廠(十二年前六十萬!,沒有進筆者口袋,哈∼哈∼)。 不過,到是累積了一些經驗,是花了錢也學不到的經驗。當然,靠著這一套東西,可以讓筆者當初可以接觸到許多廠商。也多多一些業者的心聲,也無形中增加在車用市場的熟悉度。

            至於,想到NEC 就不得不提目前市面上早就量產的數位式CDI:台鈴 Lets 50 (麗仕50) 的CDI 就是採用NEC的單晶片微控器。這裡有一個笑話:不知道真的還是假的,是協力廠商說給我聽的:這顆NEC單晶片微控器為:uPD78P083- 44PIN 的。 當初台灣買不到。協力廠商委託日本朋友在日本找,聽說:日本廠商一聽到說要買這顆單晶片時,劈頭就是說:喔∼您要作點火器喔?!不賣!!不知道是真是假?!不過倒也說明了:若要採用日本這種冷門的微控器的困境,所以自然而然是不可能用這種方案開發產品的。不過,很慶幸的是:當初筆者利用NEC的微控器瞭解到這方面程式的技巧,也做出一點東西。

        由上面的這個例子,就可以說明這個東西--- 單晶片微控器!幾乎就決定了您產品開發的主要方向了。以下的這些故事就是以此為主。

        當然,國內單晶片微控器眾所皆知就是8051 ,而且當初國內華邦也推出國產的8051了。以民族情結來說,當然就試試看國產的8051 了。至於,為何不用國外的8051呢?!因為很簡單,當人家提高價格或供貨不穩時,您不就當在那了嗎?!不過,後來的8051 的設計方案很快就陣亡了,因為抗干擾能力不行。不要說作點火控制器,連筆者兜一個PC波產生器來模擬機車引擎訊號產生器,就常常被點火模組打成Reset 不斷。

        後來,筆者有一天上班時,事先也沒聯絡就突然來一票港仔來筆者當初服務的單位 指名找筆者,表明他們是Motorola (現在的Freescale)的亞太地區總代理。他們從筆者服務單位的網站到筆者發表的單晶片點火控制器文章。希望筆者能拿他們的方案,重新作一套DemoKit !至於,發展工具啊∼IC或是需要任何他們可以提供服務的∼他們都願意配合!筆者就問他們,他們的微控器最便宜的是哪一顆?!--- 68c05 啊!筆者還很客氣的說:若您們一顆要賣到 2~3 美金的話∼那就不必想了!(現在想起來,筆者認為我當初是太客氣一點了!哈∼哈∼)當然啊∼以筆者接觸的引擎控制器的單晶片,也有Motorola 的 68HC11 啊∼當初筆者也反問說:為何您們自己公司的人不自己作呢?!他們的回答到是值得我們深思的:一則:老美的工程開發成本比較高;二來就是他們對機車的引擎系統不熟!其實,後面那一句話真的很重要:當我們要去賺別人的錢時,尤其是要踩進車用電子時,我們必須要瞭解的:我們有比人家懂車用系統嗎?!否則,人家怎麼會願意放棄,而讓您有機會去人家的錢呢?

        後來,筆者就看破紅塵,還是專心的到園區賺錢了∼沒想到,當初我們老闆也覺得車用微控器也是蠻不錯的一個題材,所以就幫筆者拿了一顆8051 的核心,就加了一些周邊電路到IC內部也可稱一顆點火專用的SOC。

            您可別小看這個東西喔!他可是有申請專利的喔!只不過∼因為畢竟當初時空的關係,後續就沒有進一步的驗證系統了。雖然如此,也的確讓筆者深深的體會到:IC設計的強大優勢!!您認為您拿別人的IC能做出系統,同理,另一個比您更聰明的人也可以作得到。而當您是用IC設計這種上游產業的優勢時,對別人來說:可能也已經心有餘而力不足了!而像這種這麼特殊的應用,若能以IC設計產業切入的話,那更是如虎添翼了。這是我們作系統的所需要考量的一個重要因素!否則,人家台灣IC設計業會這麼發達∼不是沒有道理的!

            後來,又有另一家園區的IC設計公司,他們的專長是作類比技術的∼他們也想到用類比的技術來開發這樣一顆控制IC,當然也有做出成品,送到國內業者去做測試!只不過,這一部份筆者就沒參與了!後續的故事筆者就無法交代了!(這家公司也是對外號稱是做車用電子的IC開發∼商業週刊也有專訪過!)

        當然,接下來大家所關心應該是另一個有名的方案了吧:沒錯!就是Microchip 的PIC 系列

        這點筆者就實際有拿了一顆 PIC16F628 來實際驗證系統了∼為什麼筆者又回到國外方案懷抱呢?!因為很簡單的一句話:工規的抗干擾能力。這是一個您在系統上無法避免面對的!真的PIC 就比較強一點了!至於,為什麼要挑 PIC16F628 ?!很簡單,作這種東西,您沒有PC 連線或其他連線診斷功能的話。您就不必開發了∼因為沒有一家廠商願意採用您的系統的,尤其是完全不懂電子的機械廠商,因為很簡單,筆者剛剛說過,雖然您懂電子會寫單晶片韌體很厲害,但人家車廠會質疑您說:您懂車子嗎?您一旦做出類似的引擎診斷系統時,車廠就會深深的佩服您:因為您也懂得他們需要的是什麼?!也懂得車子除了電子以外的東西!!。我想上述那個 六十萬的故事告訴您什麼事?您除了賣 CDI 模組外,您還可以賣診斷系統!!哈∼哈∼

        雖然,PIC16F628 的單價超過 US$ 1元,但是,若能達到系統需求,其實筆者認為還是有機會的!不過,很不幸的是:PIC16 的架構上有一個很致命的問題:就是中斷的即時處理能力與反應不佳。 當您系統上有過多的中斷時,PIC的處理能力就備受考驗了!這點對點火正時控制就有嚴重的致命問題了!或許,有人會比筆者更厲害也說不定。但是筆者認為挑戰度還是蠻高的。關於這點有興趣者,也可以提出討論。

        其實,故事發展到此,已經過了多久?!大家要不要猜一下:答案是:十二年了!筆者從完全不懂寫單晶片程式到協助開發與設計IC來說,算是已經仁盡義至了。在車用電子的領域裡,算也專研到一個程度了。(當然,後來去玩多媒體的東西,也接觸到做車載多媒體的技術團隊!也多多少少的聽到或參與車載多媒體系統)

        故事到此本來就該劃下一個句點了,雖然不怎麼光彩,但畢竟筆者也努力過了!問心無愧了。一顆無法掌握在國內的單晶片微控器幾乎就讓筆者在這個領域鎩羽而歸。也深深體會與感受到外面冠冕堂皇而且信誓旦旦的要進軍車用電子,國內相關研究機構也投入相關產業∼結果呢?!連一顆簡單的單晶片微控器都無法落實國內產業生根!真是百般無奈啊!

        人生不盡如此這般無奈吧?!天也無絕人之路吧?!就在此時!筆者的老長官又另起爐灶開了一家IC設計公司此次結合了國內作單晶片微控器設計領域的頂尖人物。尤其在工規的設計經驗豐富,而且從微控器的基本架構做出重大的革命,雖然,不是針對引擎控制所需所研發設計。但在基本的設計觀念上,獨步全球。一掃國內單晶片微控器在抗干擾能力與性能方面的陰霾。此顆單晶片微控器已經於今年(2006) 年初問世了!當我拿給做車用點火器的朋友那時,五支高壓火星塞同時對著我們原型單晶片微控器放電時。我們單晶片微控器仍能以優異的性能跑著他的DEMO CODE ~~果然,只要您願意投入研發創新,您就會有不斷的機會。雖然未來還不可知,但 筆者相信機會會永遠為堅持的人大開一扇門的!故事結束沒?當然還沒有!現在進行式......

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        結語:希望藉由這個小小故事,能給許多後生晚輩許多啟示,或許,您們在工作職場上曾遭遇或正面臨許多挫折或掙扎時。不妨,換個角度想一想:人生的精彩之處,不在於他的順遂與成功,而是在於柳暗花明一村的轉折處!至少,筆者個人是這樣子認為。而您認為呢?!

        還是謝謝指教!

               

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