了解 ECU 和 CAN

ECU 是什麼？

汽車專用的微控制器

和我們每天用著的電腦一樣，由 CPU、記憶卡、A/D 轉換器等集成的電路所組成，簡單來說就是汽車的大腦，最主要的目的是精準控制引擎的性能，以及汽車的各種控制。

Eletronic Control Unit

過去機械式的噴射及化油器

早期還在化油器時代的汽車，油門踏板非常機械化，只用鋼線開啟節氣門的開度。

過去機械式的噴射及化油器

60-70年代的老車都是以純機械式來控制引擎噴油和變速箱的換檔，那種用鋼線帶動的直接回饋有人車一體的感覺，反而現今主流的車款並沒有這樣的效果，踩下油門踏板時總是覺得引擎反應慢了一點，那是因為訊號傳給ECU去計算給引擎的噴油量和檔位的過程需要一點時間，在ECU未應用在汽車前，大部分的引擎參數都是固定的，所以每一個汽缸的注油量是由化油器來決定，在低轉速行駛還行，一旦到高轉速很容易造成供油不穩定的現象。

ECU 的介入為了提昇可靠性

當ECU取代油門線後，ECU會先從油門踏板、進氣管路和噴油嘴訊號的蒐集來判定當下最適當的節氣門開度，達到最佳的空燃比。

ECU 的介入為了提昇可靠性

ECU 透過各種感知器去蒐集引擎各部分的工作狀態信號，再由傳輸線路回傳到ECU，當收到這些信號後就會進行各別分析和比較，才能知道各零件目前處於什麼樣的運作情況，根據ECU裡頭事先寫好的程式碼自行運算，判斷哪些零件在當下應該做哪些事情，再將指令發送並執行工作，透過不斷循環的運算來調整當下最佳的狀態。

感測器訊號

綜合運算判斷

下達指令

ECU 輸入與輸出 (發動機)

RPM 發動機 轉速

TPS 歧管壓力

空氣溫度

Text

ECU

噴油器

點火系統

ECU 的介入為了提昇可靠性

設置許多ECU控制這些電子系統和機械零件，使車子愈來愈電腦化。

ECU 的介入為了提昇可靠性

將當下的狀態傳送給ECU，根據它們的回饋，
不斷的調整噴油量和點火正時，大幅度提高引擎的效率。

透過寫好的程式來設定引擎的工作規律，例如：

• 在排氣觸媒轉換處加裝氧氣感知器，判斷目前的油量多寡，再決定節氣門的開度；
• 在進氣管路加裝流量計，判斷吸到的空氣溫度高低，避免高溫產生汽缸內的爆震而降低動力的輸出；
• 水溫感知器可以判斷引擎燃燒室的溫度來判定是否要修正供油量等等，
• ......

ECU 的介入為了提昇可靠性

ECU 的自我診斷功能

ECU都具備自我診斷的功能，系統發生故障時能在RAM中記錄故障代碼，在固有的程式中讀取替代程式來維持引擎的運轉，同時在儀錶亮燈提醒車主趕快檢查。

經常出現警告燈號 ?!

隨著房車的引擎動力愈來愈快，意味著散熱的效率要求更加嚴格，車廠的工程師不曉得生產的市售車最終會往哪個緯度運送去，也不知道冷卻系統是否能適應當地環境，基本上ECU裡面的軟體設定通常很保守和標準化（也有部分車款會因進口地點的環境而特別調校）。只要感知器探測到水溫、油溫、渦輪增壓過高時，ECU就會啟動保護模式並鎖住變速箱，限制引擎的輸出。

ECU 標準化

ECU 標準化

ECU 的介面標準化，讓軟體可以在原本的 ECU 內持續的更新，未來可能車主就能自行下載更新版本，不用再回到原廠，加速軟體供應商的發展。

• 早期 OSEK/VDX
• 近期 AUTOSAR

ECU 標準化

當軟硬體逐步成熟
ECU架構也標準化

時代的演進，汽車的控制功能愈來愈多，但初期每家車廠都有自己的一套方案，後來全球汽車製造商、零件供應商、軟體和半導體公司組成 AUTOSAR（汽車開放系統架構）聯盟，建立起的合作關係讓電子控制裝置形成開放式及標準化的軟體架構。

AUTOSAR (汽車開放系統架構)

AUTOSAR 合作夥伴關係成立於 2003 年，是一種面向汽車行業內各組織的開發夥伴關係。該聯盟為汽車電子控制裝置開發開放的、標準化的軟體架構。

截至2023年12月，AUTOSAR開發聯盟的成員公司已超過360家。

Automotive Open System Architecture

AUTOSAR 理念

理念：AUTOSAR 制訂一系列標準規範，包括基礎軟體模塊規範介紹、應用接口定義規範以及基於標準轉換形式建立一套通用的開發方法論，以應用於不同廠家生產的車輛以及不同供應商提供的電子部件。

AUTOSAR 軟體架構

AUTOSAR制訂的標準規範包括基礎軟體模組化、運行環境 (RTE) 和應用層面。

• 基礎軟體模組化能提供不同車廠生產的車款和電子零件供應商，足夠降低研發成本
• 藉由「運行環境」實現不同ECU之間的訊息交換（說白一點就是指定軟體也要能應用在不同的硬體），能適應複雜的軟體架構。
• 應用層面上，為了提高性能、增加安全性和環保效益，ECU變得像家用電腦一樣，可以下載軟體更新。

透過標準的介面設定，讓軟體的重用性及交換性不再受硬體的限制，車廠可以選擇的供應商相對增加，造就龐大的市場。

AUTOSAR 三層軟體架構

AUTOSAR 軟體架構圖

Source: https://www.artc.org.tw/tw/knowledge/articles/2846

ECU 數量與佈線困難度

早期 ECU 的每項訊號都是以獨立的數據線進行交換，比如說兩個 ECU 之間要傳遞 5 項訊號，就需要 5 條獨立的數據線，意味著訊號愈多，數據線和 ECU 電板腳位的數量愈多，不僅車重會增加，整體的佈線也變得很困難。

ECU 數量的問題

時下新車的控制系統多達 70 幾個ECU，大多被應用在ABS、EPS、定速巡航、安全氣囊、車道偏移、音響系統等等，而 ECU 需要好幾個感知器的回饋資訊來作出判斷，那如果有兩個 ECU 要同時交換資訊，就會產生資訊傳遞的問題。

CAN 的產生

• 為了簡化電路，在 80 年代德國 Bosch 開發了控制器區域網路（Controller Area Network，簡稱 CAN 或 CAN-bus）,將不同的 ECU 系統用通信網路直接互相連線，不再需要主機來控制通訊，使整車的 ECU 形成一個網路系統。
• 旨在為汽車提供一種高效、可靠的通信機制。

CAN 的產生

CAN能在網路上直接跟ECU或通訊設備互相聯繫，即使在網路中增加節點也不用對軟硬體作出調整，降低車內的銅線和電板腳位的使用量，成為ECU工作的主流模式，也應用到到其他行業。

CAN 的原理

CAN 的工作原理其實有點像一家大公司的運作模式，比如說不同的 ECU 就是各個部門的經理，感知器如同該部門的員工要匯報給經理，交由他分析並下指令執行。

假設引擎 ECU 內的轉速和油門踏板這兩個訊號需要傳遞給變速箱 ECU，藉此來發出換檔的指令，CAN 將 ECU 之間都利用兩條數據線（又稱「CAN匯流排」）進行交換，不管訊號容量的大小都能夠傳遞，可想而知在每個ECU 都連接到兩條 CAN 總線上，進行訊號的共享，讓整個系統的效率提高很多，可以大量減少銅線和腳位的數量，簡化了整車的佈線。

CAN 的原理

• CAN 是一種基於消息的協議，這意味著設備之間的通信是以消息的形式傳遞，而不是以地址或節點為基礎。
• 每條消息都有一個標識符，該標識符決定了消息的優先級。

CAN 的原理

CAN-bus 的工作原理跟大眾運輸很類似，每個站點代表一個 ECU，而行駛路線代表 CAN 總線，傳送的是 ECU 的數據，簡化了過去訊號個別用數據線傳送的複雜。

CAN 的原理

為了將不同的 CAN 總線系統完成精確的傳送資訊，車載網路中必須設置很重要的「網關（Gate-way）」，能同時接收各種的 CAN 總線系統並在傳送中起到解讀作用，跟轉運站很類似。

CAN 的特點

• 高可靠性：CAN 具有高度的噪聲抗性和故障容錯性，使其非常適合於車輛環境。
• 即時性：由於其高效的通信機制，CAN 能夠提供接近即時的數據傳輸。
• 彈性：CAN 可以輕鬆地擴展，新增或移除節點而不會影響整個網絡。

CAN 的安全問題

• 儘管 CAN 在其設計中是高度可靠的，但它並沒有內置的加密或安全功能。這使得如果攻擊者獲得了物理訪問權限，他們可能能夠攔截或注入消息。
• 在近年來，隨著車輛網絡安全問題的日益受到關注，有許多研究專注於如何增強 CAN 的安全性。

CAN 的應用

• 應用：

  • 儘管 CAN 最初是為汽車設計的，但它也被廣泛應用於其他領域，如工業自動化、醫療設備和其他交通工具。

CAN

Controller Area Network (CAN) 是一種在各種車輛和工業應用中使用的電腦網絡標準。它主要用於允許各種車輛的電子控制單元 (ECUs) 之間的通信。

ECU 的未來發展

ECU發展至今，開始從「自我診斷功能」演變到「主動學習功能」，RAM會不斷的記錄駕駛者的行車數據，根據駕駛記錄提供最佳的控制狀態，達到主動安全的目的，但這項技術還有待觀察。

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