本文作者:UL 台灣家電、空調及製冷設備資深專案工程師林宗慶

在電子產品益加訴求「輕薄精巧、智慧多功能」的今日,產品研發製造商為達到創新、省電、設計等要求,在重新改造舊有技術的電子產品並進行去蕪存菁的工藝流程後,即常可見「微控制器 (MCU)」 的身影。在此趨勢下,「韌體 (Firmware)」在電子產品的運用日益重要,然而我們還是無法規避「安全」這件事。

台灣製造業長期以來在電子產品的開發有著深厚的經驗,故能夠機動因應時代潮流,駕輕就熟地研製出許多高規格產品,以符合中高端市場的需求。

不論是將很多的電路設計合併到一顆積體電路 (IC) 中,或是透過韌體 (Firmware) 控制取代龐大的邏輯電路,皆能使得現在的電子產品,變得更為精緻小巧、省電極佳,或具有創新性等優點。許多製造商在將舊有技術的電子產品重新去蕪存菁的設計後,可見微控制器 (MCU) 正大量現身在各式電子產品上。我們也由此可知今日韌體在電子科技產業上的運用日益重要。

具有前置把關意味的安全功能

當很多電子產品的功能都需要仰賴韌體設計實現時,與安全相關的保護功能自然不容忽視。我們就以越來越多廠商使用在電子產品上的無刷直流馬達 (後簡稱:BLDC) 為例,說明「軟體評估  (Software Evaluation)」與「安全功能(Safety Function)」之間的關係:

《圖一》

由於必須透過控制器才能驅動的 BLDC,是屬於電子保護式的馬達 (Electronically Protected Motors) 其中一種,在國際安全規範是需要經過 UL 1004-1 及 1004-7 的審核,該標準即針對產品的安全功能有以下幾項安全要求:

  • Locked Rotor Protection
  • Running Heating
  • Loss of Phase

而為滿足標準的要求,一般在馬達控制器的設計時,即會將上述的安全功能一併考量進去。根據《圖一》的控制器示意圖,不難發現微控制器除了執行驅動馬達的工作外,也扮演安全功能的重要元件。

在馬達的安規標準中,對於控制器的要求,往往會直接引用其它的標準,如 UL 60730-1,以確保是否有掌握住茲事體大的安全功能。而其中引用的方式,可以僅針對安全功能性評估,當然也可以直接就對整個控制器進行審核。不過無論引用何種方式,只要保護的過程中,是需要透過微控制器的韌體達成安全性功能,即必須額外進行「軟體評估」。

不得忽略的軟體安全

由上所述,我們簡單了解軟體評估的引用關係,亦大致清楚軟體評估如何與安全功能息息相關,這也是為何我們必須抓住以下的軟體安全評估兩大重點:

  1. 終端產品 (End-Products) 的安全功能設計
    確認控制器在接受到輸入訊號,能夠與終端產品的訊號之間具正確性與可靠度。此部份確認的重點為,當單一元件失效 (Single Fault) 後,而產品仍在持續運轉的情況下,安全功能必須能被正確地執行。
  2. 微控制器的自我檢測功能 (MCU Self-Check Function)
    在確保終端產品的安全功能是否被正確執行前,猶如大腦的微控制器進行週期性自我檢測,亦是一項不得省去的功能。此部份確認的重點為,在產品發生危險前,若微控制器有故障時,必須能被及時檢查出來並執行相應的保護措施。

在 UL 60730-1 Annex H.11.12 中,雖然清楚提及與軟體評估相關的要求,然而畢竟軟體評估是近幾年來才日漸受重視,因此對製造廠商而言仍十分陌生,也一旦進行這方面的評估,往往需時耗力,相對付出不少的成本,卻反而可能錯失產品進入市場的先機。

UL 正視此問題下,在綜合分析後,提出與軟體評估相關的解套方案,以希望幫助廠商迎刃而解這類的難題。

直接從微控制器下手的功能植入

我們可以先試想一個情境,假若現有兩間製造商,皆採用了相同廠商的微控制器控制帶有 BLDC 的產品,雖該兩間廠商一定會開發不同特性且各具規格優勢的產品,然基本上,BLDC 的安全要求仍是如出一轍,而此部份的軟體設計,即有很大的可能是會有諸多雷同的概念。所以最好的作法是,若微控制器廠能將「安全功能」與「自我檢查」兩大功能直接整合進微控制器產品中,例如一個函式庫,放在非揮發性的記憶體中 (如下圖示意),以便終端成品廠在進行產品研製時,能在該產品的運轉中直接呼叫引用。

如此一來,終端成品製造商不但能省去產品申請軟體評估的流程,亦能省去開發安全功能的人力與時間,以更加專注在產品的特性與創新開發。

而透由微控制器廠商主動直接植入「安全功能」與「自我檢查」兩大軟體評估的重點,將能更有效率且精準地發揮微控制器產品本身的優點,且將能提升終端產品的使用安全。最重要的是,此舉將可大幅提高終端成品製造商採用微控制器的意願,最後樂觀其成的是啟動供需兩造雙方在市場上雙贏的機制。

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