汽車設計已有相當長遠的歷史，從過去純粹的機械系統演變至現今的汽車，其內部經常搭配數以百計的微處理控制器。在各國政府開始執行汽車性能的管制法律，以控制像是排氣量與省油效率等汽車規格後，業界才開始注重汽車的電子控制功能。以往這些功能都是由獨立的硬體元件或數位邏輯元件負責。像在微處理控制器（MCU）這類嵌入式處理器解決方案陸續問市後，MCU的優勢才逐漸顯現（就成本、彈性以及適應法規與標準的能力），促使業者用MCU取代固定功能的硬體元件，因為MCU在經過程式控制後就能執行模組所要求的特定工作。

汽車設計運用各式各樣的MCU，包括從最簡單的8位元MCU，支援像是控制雨刷與車門的功能；一直到用來控制引擎的32位元精密型MCU。中階產品包括像16位元MCU，具備不同的運算性能、記憶體容量、功耗以及週邊元件功能。針對不同汽車子系統選擇適合的處理器，並妥善將處理效能分散至各個子系統，這對於汽車產品的效能、可靠度以及功能而言扮演著相當重要的角色。

數位訊號控制器：最佳方案

大多數汽車控制與監控的作業都需要進行為數可觀的數學運算。例如在引擎暖機期間，MCU會針對從空氣流量（MAF）感測器與引擎每分轉數（RPM）計數器所傳來的資料進行取樣，並根據所量到的數據計算出每個氣缸需要注入的油量，其計算公式如下：F=MAF/（K×N×RPM/120）

其中K是特定冷卻劑溫度所需要（常數）的進氣/燃油比值，而N代表氣缸的數量。

上述運算不僅包含精準的乘法與除法，且注入燃油的數量亦須不斷計算，以配合持續改變的引擎運轉狀態。因此，當排氣含氧（EGO）感測器準備好量測排氣的品質時，就必須持續監控EGO感測器傳來的資料，以便調整燃油注入的速度，進而獲得最佳的引擎效能，減少排氣。

其他密集運算的實例包括：

《圖一　簡化的引擎控制系統，這個系統是汽車中各種處理器執行作業的一部份》

包括座艙噪音消除、引擎敲擊偵測以及晃動與穩定控制在內的舒適/偵測/安全功能需要更繁複的訊號處理作業，運用像是調適性過濾在內的密集運算演算法。

這類運算會用到處理器執行大量的高速數學計算，可能是8位元MCU或一般的16位元MCU架構，成本的考量讓昂貴的32位元MCU很難被業者採納。針對重複性數學運算進行最佳化的16位元數位訊號處理器（DSP），適合用來執行這類密集運算的作業。

但傳統DSP本身（沒有相關的MCU處理控制作業）並不適合應用在像汽車系統這類動態環境，主要有四個原因：

理想的單晶片架構平台能執行各式各樣的汽車功能，DSC是一套創新的混合式系統單晶片（SoC）架構，緊密結合16位元MCU的各種控制功能以及數量眾多的DSP功能。

另一方面，DSC架構特別適合應用在各種典型控制作業，例如：

另一方面，DSC的CPU支援一套功能強大的DSP指令與彈性定址模組，故能進行快速且精準的數據演算與邏輯運算。

DSC的重要功能

典型的DSC架構含有許多CPU與週邊元件特性，讓它適合應用在許多汽車系統。以下將介紹這些功能的最重要的優點，這些對於任何DSC架構而言都相當重要。

強化型CPU功能

16位元DSC最強悍的功能可能就是完備的數學運算功能。真正的DSC內含兩個40位元累加器，能用來儲存兩次獨立16-bit 乘 16bit的乘法運算結果。

大多數訊號處理演算法以及許多通用型數學運算都涉及到「乘積加總」的計算。像是MAC（乘法與累加）在內的特殊指令，能將兩個16位元數據相乘;將結果累加；從RAM預先擷取一對數據，這些步驟都在一個指令週期內完成。在使用兩個累加器時，系統能同時將資料寫回其中一個累加器，並在另一個累加器上進行運算。

採用40位元累加器取代32位元版本，讓資料能暫時呈現「溢滿」狀態（在累加器中對大量數值進行加總時經常出現這種狀況）。此外，DSC的CPU能透過一種名為飽和的機制將數值維持在允許的範圍，並在寫入至RAM時對資料進行四捨五入或進位的運算。DSC（在MCU中通常沒有這種元件）的另一種特性是能將資料解譯成含有小數點的格式，而不是永遠設定資料為整數型態，藉以協助小數數值的運算。

除了上述功能外，還有各種能迅速移動資料的資料定址模式；支援循環緩衝區與位元反轉的定址模式；零負載的迴圈，很明顯可看出DSC提供一套功能完備但簡單易用的CPU架構。DSC適合用來處理或分析感測器資料；執行各種制動器控制作業有關的運算以及監控汽車系統的效能。

彈性化的中斷架構

DSC架構提供彈性極高的中斷架構。DSC通常支援大量可選擇且可設定優先權限的中斷資源與向量（這對於含有眾多感測器與制動啟的應用而言相當有利）。中斷的延遲都相當確定，鮮少會變化，有助於簡化系統研發業者的工作流程。

執行階段的自我燒錄（RTSP）

大多數汽車應用系統都需求儲存一些常數，利用這些常數並根據環境狀況、轉換器之間的變化以及預先量測的偏移值，校正從感測器擷取到的資料。後置處理演算法也會使用許多常數，例如像濾波器的係數與各種預定系統特性，例如像活塞尺吋、進氣/燃油比以及誤差門檻等。就資料記憶體的使用效率而言，將這類常數儲存在RAM是相當浪費的作法。DSC元件通常含有可燒錄的快閃記憶體以及快閃型資料EEPROM記憶體，能可靠且有效率的儲存或存取這類常數。在快閃型DSC中，使用者的程式甚至能根據環境、資料或運轉狀況，在執行階段修改這些常數。在許多系統中，可以使用像是控制器區域網路（CAN）這類序列通訊通道，協助系統運用Bootloader演算法來修改某段程式碼或常數。

線上串列燒錄（ICSP）

快閃型DSC讓使用者能運用一種名為線上串列燒錄的技術，在現場升級產品的韌體。這項功能讓某些控制器能重複應用在不同的汽車子系統以及不同的運轉/環境條件，而且能修正軟體錯誤或校正感測器，或是在最小的成本與最低的延遲下進行功能升級。

高解析度類比轉數位轉換器（ADC）

許多汽車子系統大量運用感測器，促使業者必須利用具備充裕速度與解析度的晶片內部ADC來量測幅度相當微小且快速變化的流入數據。這對於封閉式迴路的運作而言尤其重要，例如像量測進氣歧管壓力的樣本，以研判點火火花的確切時間，藉以輸出至最佳的扭力。對於許多汽車功能而言，解析度低於12位元的ADC已不敷需求，若非線性錯誤率高於1 Least Significant Bit（LSB），這種ADC也不適用。在某些子系統中，採樣的速度是主要的考量因素，尤其是像安全氣囊控制這類攸關安全的功能。在其他方面，最重要的考量因素可能是同時量測不同數據的能力。例如，主動式氣壓懸吊系統就需要同時擷取汽車速度、加速度、相對車體/輪胎動態與方向盤的轉動角度等數據。根據模組所需的ADC功能，可視狀況使用適合的DSC元件。

脈衝寬度調變（PWM）

汽車系統中使用許多閥門與制動器都是由可調整的作業週期脈衝所控制。兩項PWM控制功能的常見實例包括燃油噴射閥門，會在脈衝期間開啟，藉此控制注入氣缸的燃油量；另一項則是點火火花產生器，在脈衝下降至低電壓階段就會產生火花。DSC能自動產生特定波長與極性的PWM訊號。像是動力方向盤、自動變速箱以及空調等子系統，都涉及到精密的馬達控制演算法。某些DSC結合完備的晶片內部週邊元件來支援各種先進PWM演算法。

相位差編碼器介面（QEI）

精準迅速的量測速度與位置（包括車輛與內部各種機械元件），是以電子元件有效控制汽車運轉的關鍵。例如像防撞系統就需要量測速度與加速度。相位差編碼器（例如像Optical Encoders）經常是這類功能的理想感測器。有些DSC含有一個內部相位差編碼器介面，能在最少的軟體資源使用率下針對相位差編碼器所產生的訊號快速解碼。

控制器區域網路（CAN）

一部汽車中含有大量的處理器執行各式各樣的功能，不同的子系統之間必須迅速且可靠的相互通訊，以便分享感測器與控制方面的資訊。各模組之間的通訊除了進行系統層級的監控與偵測外，同時也讓系統不必配置多個偵測器來量測相同的數據。例如在電池監控的功能中，MCU不僅要時常量測電池電壓，亦須傳送開啟或關閉的控制訊號到其他模組，以達到最佳化的電池使用效率，讓汽車順利發動。在汽車網路方面，CAN匯流排標準在各種通訊標準中佔有相當重要的地位。許多DSC內含一或多種晶片內建CAN控制器，吸引許多業者將它們應用在汽車的設計。更高階通訊協定的軟體支援（例如像遵循OSEK標準的即時作業系統以及CAN應用層的建置），針對在汽車網路中使用DSC的業者提供更多的功能。

《圖二　顯示由CAN匯流排串連的汽車系統元件》

一些典型應用

以下是數位訊號控制器在汽車方面的一些典型應用，雖然沒有完整列出，但可以說明DSC所支援的多元化汽車功能。

結論

汽車系統的需求日趨嚴苛，就功能、連結以及數學運算的需求而言，16位元數位訊號控制器在許多汽車子系統方面已成為理想的處理器架構。愈來愈多創新且強大的功能，包括新型的汽電混合與燃料電池技術，迅速引進至汽車設計領域。這促使業者需要DSC的性能以及多元化的特性。包括像OSEK、CAN-based通訊協定堆疊、TCP/IP以及預先封裝的DSP演算法，將進一步提昇這類架構在各種汽車應用中的適用性。（作者為Microchip Technology數位訊號控制器部門應用工程師）

延 伸 閱 讀	手自排變速箱（Automated Manual Transmission；AMT）基本上是以類似手排變速箱之平行軸式齒輪檔位系統加上自動離合及自動排檔等機電模組而成之變速箱產品。相關介紹請見「 手排變速箱（AMT）發展趨勢」一文。 隨著消費性電子及手機等可攜式產品的成長爆發力趨緩，各電子元件大廠無不積極調整產品策略，期望推出符合各個垂直整合性市場的電子元件。你可在「 類比/電路保護元件大廠一致看好車用電子市場潛力 」一文中得到進一步的介紹。 在車廠競爭激烈下，電子化成為創造汽車附加價值與差異性的重要進程，促使車用電子的開發及應用急速發展，預計2010年每輛車搭載汽車電子的金額可佔汽車價格的35％，較2004年的28％大幅成長，市場商機的確不小。在「汽車電子產業─汽車電子零件商機大搜查」一文為你做了相關的評析。

市場動態

國內首家跨入車用市場的半導體廠盛群科技，去年因為產品調整策略成功，獲利大幅成長超過六成，今年持續增加微控制IC比重，獲利可望再成長一成以上。相關介紹請見「跨入車用IC盛群毛利40％汽車週邊控制IＣ商機大」一文。 汽車電子系統的平台性、數位化、模組化、無線網絡、低功耗、高速運算要求、多處理器協同工作以及滿足整機廠商多變的要求等，為半導體產品供應商帶來強大的挑戰，系統解決方案上的能力將在汽車電子市場上扮演關鍵作用。你可在「 汽車電子市場考驗半導體企業系統解決方案能力」一文中得到進一步的介紹。 瑞薩科技宣布將增加24款新產品至其低PIN數R8C/TINY系列16位元含內建晶片快閃記憶體的微控制器，以符合汽車工業和工業設備市場需求。R8C/TINY系列產品可分為六大群組︰48 PIN封裝版本的R8C/20、R8C/21、R8C/22和R8C/23群組，以及52 PIN封裝版本的R8C/24和R8C/25群組。在「 瑞薩針對汽車工業和工業應用推出24款R8C/Tiny系列16位元快閃MCU」一文為你做了相關的評析。