汽車(chē)BCM的低功耗設計及實(shí)現

作者/ 馬建輝1, 2 劉源楊1, 2 候冬冬1, 2 郭坤1, 2 胡代榮1, 2 1.山東省汽車(chē)電子重點(diǎn)實(shí)驗室(山東 濟南 250014)2.山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所(山東 濟南 250014)

摘要：本文針對集成了遠程無(wú)鑰匙進(jìn)入(RKE)功能的車(chē)身控制模塊(BCM)設計了一種低功耗方案，為部分電路設計了可程控供電電源，以實(shí)現在滿(mǎn)足休眠條件時(shí)，通過(guò)禁能部分電路的供電降低電流消耗，同時(shí)設置內部喚醒定時(shí)器，使得BCM在低功耗模式中可以被臨時(shí)喚醒，以判斷遙控鑰匙的操作，同時(shí)針對空間干擾引起的射頻毛刺設計了過(guò)濾機制，能夠自動(dòng)屏蔽外部RF干擾引起的假喚醒，進(jìn)一步降低了低功耗模式下BCM的整體功耗。

引言

　　在由汽車(chē)蓄電池供電的電子控制單元(ECU)設計中，低功耗是個(gè)非常重要的功能要求。首先，如果ECU在休眠狀態(tài)下消耗電流過(guò)大，便會(huì )出現汽車(chē)長(cháng)期停放時(shí)因ECU耗盡電池電量造成無(wú)法啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機的情形;其次，在節能、低碳理念日益深入人心的今天，降低ECU的功耗可以節省能源，為綠色環(huán)保貢獻一份力量。

　　在筆者所設計的車(chē)身控制模塊(BCM)中集成了遠程無(wú)鑰匙進(jìn)入(RKE)功能，RKE模塊的射頻接收芯片在工作模式下消耗的電流比較大，為了實(shí)現整體的低功耗，必須在BCM進(jìn)入低功耗模式時(shí)，同時(shí)禁能射頻接收芯片。由于射頻接收芯片在低功耗模式下無(wú)法進(jìn)行遙控接收，而用戶(hù)操控鑰匙的時(shí)刻是隨機的，在合理的用戶(hù)體驗要求下，用戶(hù)按下鑰匙，BCM就應該進(jìn)行反應，所以需要設計一種RKE低功耗方案，使得BCM既可以滿(mǎn)足低功耗要求，又可以迅速被遙控鑰匙喚醒。本文介紹了一種BCM低功耗設計方案，并特別針對遙控鑰匙喚醒功能設計了RKE子系統的低功耗方案，針對低功耗模式下可能被空間干擾造成的RF毛刺喚醒設計了臨時(shí)喚醒模式以過(guò)濾RF干擾，最終大幅度降低了BCM的整體休眠電流，同時(shí)可以很靈敏地從休眠模式喚醒。

1 總體方案設計

　　根據BCM的工作狀態(tài)，設計三種模式：正常模式、休眠模式和臨時(shí)喚醒模式。其中，休眠模式、臨時(shí)喚醒模式都是低功耗模式，不同的是，休眠模式下完全休眠，臨時(shí)喚醒模式下只使能RKE功能用于判斷是否存在有效的遙控鑰匙操作。

　　在正常工作情景下，休眠條件不滿(mǎn)足，BCM處于正常模式，執行CAN/LIN通信^[1]、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò )管理、開(kāi)關(guān)檢測、負載控制等功能，當休眠條件滿(mǎn)足后，BCM進(jìn)入休眠模式，在休眠模式下關(guān)斷部分電路的供電電源，禁能RKE接收電路，根據喚醒條件使能相應的外部中斷喚醒，同時(shí)使能內部定時(shí)器喚醒源。在休眠模式下，喚醒條件觸發(fā)外部中斷^[2]，喚醒BCM進(jìn)入正常模式。內部定時(shí)器超時(shí)后也可以喚醒處理器[3]，此時(shí)進(jìn)入臨時(shí)喚醒模式。臨時(shí)喚醒模式是專(zhuān)門(mén)針對RKE休眠和喚醒設計的一種低功耗模式，該模式維持一固定的時(shí)間，在這段時(shí)間內使能RKE接收功能，如果接收到有效的RKE數據流，則進(jìn)入正常模式，否則返回休眠模式，等待下一次內部定時(shí)器中斷喚醒。工作模式切換如圖1所示。

2 程控供電設計

　　程控供電設計是針對低功耗模式下無(wú)需工作的電路的電源進(jìn)行控制，使BCM在進(jìn)入低功耗模式時(shí)關(guān)閉該部分電路的供電電源，退出低功耗模式時(shí)，打開(kāi)該部分電路的供電電源，便可以有效降低ECU的功耗。

　　針對12V汽車(chē)電氣系統，設計兩個(gè)程控供電電源，以實(shí)現BCM進(jìn)入休眠模式時(shí)禁能部分電路的供電和進(jìn)入正常模式時(shí)恢復供電。程控電源包括可控12V和可控5V兩種電壓水平，其中，可控12V為部分開(kāi)關(guān)采集電路提供電壓基準，可控5V為其它在休眠期間可以關(guān)閉的5V邏輯電路提供電源?？煽?2V和可控5V的電路設計原理相同，通過(guò)CPU的IO管腳控制MOS管的通斷，實(shí)現電源的程控。12V程控電源設計如圖2所示。

　　將BCM需要采集的外部開(kāi)關(guān)分為兩類(lèi)，一類(lèi)是可以把BCM從休眠模式和臨時(shí)喚醒模式喚醒的開(kāi)關(guān)(喚醒源開(kāi)關(guān))，另一類(lèi)是普通開(kāi)關(guān)。喚醒源開(kāi)關(guān)采集電路采用經(jīng)過(guò)調理后的蓄電池電壓進(jìn)行常電供電，普通開(kāi)關(guān)采集電路采用可控12V進(jìn)行供電^[4]。在BCM進(jìn)入休眠模式時(shí)，CPU關(guān)斷可控12V的輸出，普通開(kāi)關(guān)采集電路的外部電壓基準源無(wú)效，開(kāi)關(guān)采集電路不消耗任何電流。

3 RKE低功耗設計

　　BCM在休眠模式下禁能RKE接收電路，無(wú)法判斷是否存在有效的RF數據，為此，設計了臨時(shí)喚醒模式，BCM進(jìn)入休眠模式時(shí)啟動(dòng)內部定時(shí)器，定時(shí)器超時(shí)后便進(jìn)入臨時(shí)喚醒模式，在休眠條件滿(mǎn)足的情況下，BCM交替進(jìn)入休眠模式和臨時(shí)喚醒模式。在臨時(shí)喚醒模式下，使能RKE接收電路，判斷是否存在有效的RF數據。休眠模式維持時(shí)間為16ms，臨時(shí)喚醒模式維持時(shí)間一般為4ms，通過(guò)這種方式，既可以保證大部分時(shí)間處于最低電流消耗的休眠模式，又可以判斷低功耗模式期間是否存在有效的遙控鑰匙操作，保證了遙控操作的靈敏性。

　　由于汽車(chē)電磁環(huán)境惡劣，RKE會(huì )接收到很多RF干擾信號，為了保證BCM不被誤喚醒，在臨時(shí)喚醒模式中設計誤喚醒過(guò)濾機制，過(guò)濾掉RF空間干擾和非配對的遙控鑰匙操作，確保BCM不會(huì )被誤喚醒進(jìn)入消耗電流較大的正常模式，從而保證了BCM的低功耗性能。

　　3.1 休眠和臨時(shí)喚醒

　　在BCM進(jìn)入休眠模式時(shí)，禁能RKE射頻接收功能，同時(shí)設置可喚醒CPU的內部定時(shí)器，將定時(shí)器的超時(shí)值設置為T(mén)slp，然后CPU進(jìn)入休眠模式。Tslp 后，CPU被定時(shí)器喚醒，BCM進(jìn)入臨時(shí)喚醒模式，臨時(shí)喚醒模式的默認持續時(shí)間為T(mén)wake ，在臨時(shí)喚醒模式中，CPU對系統時(shí)鐘進(jìn)行初始化設置，并使能射頻接收芯片，如果判斷出有效的RKE射頻數據流，CPU進(jìn)入正常模式，否則返回休眠模式。Tslp、Twake根據RKE數據位寬Tbit決定，一般選擇為T(mén)wake > 8 * Tbit，Tslp = 4 * Twake。在這里，Tbit為0.4ms，選擇Twake為4ms，Tslp為16ms。

　　3.2 RKE誤喚醒過(guò)濾機制

　　由于RKE工作在ISM頻段，空間干擾比較多，在臨時(shí)喚醒模式中設計三級過(guò)濾機制，濾除RF頻段的空間雜波產(chǎn)生的毛刺和非配對遙控鑰匙的操作。

　　首先，在Twake時(shí)間內，如果連續接收到的有效RKE數據位數小于5，返回休眠模式，否則，進(jìn)入下一步;

　　延長(cháng)臨時(shí)喚醒模式的持續時(shí)間為2 * Twake，在第二個(gè)Twake時(shí)間內再次判斷連續接收到的新的有效RKE數據位數，如果小于5，返回休眠模式，如果大于5，判斷出有效的按鍵按下操作，進(jìn)入下一步;

　　延長(cháng)臨時(shí)喚醒模式的時(shí)間為(2 * Twake + 有效的RKE幀長(cháng)度)，當時(shí)間結束時(shí)進(jìn)行解碼判斷，如果RKE數據幀來(lái)自已配對鑰匙，進(jìn)入正常模式，否則返回休眠模式。

4 結語(yǔ)

　　本文設計了一種BCM低功耗方案，以實(shí)現在滿(mǎn)足休眠條件時(shí)，通過(guò)禁能部分電路的供電降低電流消耗，同時(shí)設置外部開(kāi)關(guān)中斷喚醒和內部定時(shí)器喚醒，使得BCM在低功耗模式中可以靈敏地響應遙控鑰匙的操作并在外部開(kāi)關(guān)喚醒源的激勵下迅速喚醒。進(jìn)行RKE低功耗設計自動(dòng)過(guò)濾外部RF干擾引起的假喚醒，進(jìn)一步降低了低功耗模式下BCM的整體功耗。

參考文獻：

　　[1] 林可春. 基于CAN與LIN總線(xiàn)的BCM通信協(xié)議棧設計與實(shí)現[J] .長(cháng)江大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,(34):62-64.

　　[2] 宋麗華 戰穎 簡(jiǎn)陽(yáng) 張?chǎng)卫邗U世昆.基于S3C6410的嵌入式系統休眠與喚醒策略設計實(shí)現[J].算機工程與科學(xué),2014,(5):790-796.

　　[3] 侯志成.MSP430省電方式的兩種喚醒方法[J].單片機與嵌入式系統應用,2009,(4):72-73.

　　[4] 山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所.一種低功耗車(chē)身控制器及其控制方法:中國, 201510125944.6 [P].2015-03-20.

　　[5] 黃未棟 梁仙靈.基于插入空白字符提高RKE抗干擾能力的研究[J].電子測量技術(shù),2014,(12):10-13.

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第10期第55頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。