Modularity in Engine Control Units

Abstract

The increasing complexity and long service life of large marine and industrial combustion engines, combined with the rapid evolution of electronics, tightening emissions regulations, and industry demand for alternative fuels, demand more adaptable and cost-effective control systems. Traditional engine control systems based on highly integrated, monolithic control modules are limited in their ability to adapt to new functionalities without a complete redesign, leading to high development costs and long validation cycles. This thesis introduces a modular architecture for Engine Control Units (ECUs), where I/O functions are offloaded to expansion cards connected via a serial bus interface. The approach decouples the processor and other common functions from I/O development, enabling independent upgrades, simplified lifecycle management, and reduced engineering overhead. A key focus of this work is the design of a reliable, low-latency communication protocol between the processor board (mainboard) and expansion cards. A prototype implementation is presented, featuring a custom AXI4-Lite bridge over serial low-voltage differential signaling (LVDS) links, including error detection, retransmission support, and Linux integration based on the dynamic device tree kernel framework. The system supports FPGA- and MCU-based expansion cards, with EEPROM-based autodetection and runtime driver instantiation. Performance and fault tolerance were validated through simulation and hardware testing, where submicrosecond latency and 1.3 million AXI transactions per second, with robust error recovery, was achieved. The modular approach demonstrates improved flexibility, maintainability, and subcontractor engagement potential, with favorable long-term economic implications.

Suurten, merellä ja teollisuudessa käyettyjen polttomoottorien tekniikan jatkuva monimutkaistuminen ja pitkä käyttöikä, yhdistettynä elektroniikan nopeaan kehitykseen, kiristyviin päästörajoituksiin, ja haluun käyttää vaihtoehtopolttoaineita, edellyttävät entistä joustavampia ja kustannustehokkaampia ohjausjärjestelmiä. Perinteiset moottorinohjausjärjestelmät perustuvat integroituihin, monoliittisiin ohjausyksiköihin, jotka vaativat merkittävästi suunnittelutyötä elektroniikkaa muutettaessa. Tämä johtaa korkeisiin kehityskustannuksiin ja pitkiin validointiprosesseihin. Tässä työssä esitetään modulaarinen arkkitehtuuri, jossa ohjausyksikön I/O toiminnot on siirretty erillisille laajennuskorteille, jotka liitetään pääkorttiin sarjaväylän välityksellä. Tämän rakenteen ansiosta prosessori- ja I/O-osien kehitys voidaan erottaa toisistaan, mikä helpottaa järjestelmän elinkaaren hallintaa ja pienentää suunnittelukuormaa. Työn keskiössä on luotettavan ja matalaviiveisen tiedonsiirtoprotokollan kehitys pääkortin ja laajennuskorttien välille. Esitetty prototyyppi perustuu AXI4-Lite-siltaan, joka toimii differentiaalisten sarjalinkkien yli. Protokolla sisältää virheentunnistuksen, uudelleenlähetyksen ja integroituu Linux-järjestelmään hyödyntäen ytimen dynaamista laitepuurakennetta (dynamic device tree). Järjestelmä tukee sekä FPGA- että mikrokontrolleripohjaisia laajennuskortteja, joissa korttikohtainen EEPROM mahdollistaa automaattisen tunnistuksen ja ajurien ajonaikaisen lataamisen. Ratkaisun suorituskykyä ja virheensietokykyä arvioitiin simulaatioiden ja laitteistotestauksen avulla, jotka osoittivat väylän kyekenevän alle mikrosekunnin viiveeseen ja noin 1.3 miljoonaan operaatioon sekunnissa. Virheensieto toimi odotetulla tavalla. Modulaarinen rakenne osoittautui joustavaksi ja helposti ylläpidettäväksi. Lisäksi se tukee alihankkijayhteistyötä sekä tarjoaa pitkällä aikavälillä merkittäviä taloudellisia etuja.