汽車BCM的低功耗設計及實現(xiàn)

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.山東省汽車電子重點實驗室(山東 濟南 250014)2.山東省科學院自動化研究所(山東 濟南 250014)

摘要：本文針對集成了遠程無鑰匙進入(RKE)功能的車身控制模塊(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，以實現(xiàn)在滿足休眠條件時，通過禁能部分電路的供電降低電流消耗，同時設置內部喚醒定時器，使得BCM在低功耗模式中可以被臨時喚醒，以判斷遙控鑰匙的操作，同時針對空間干擾引起的射頻毛刺設計了過濾機制，能夠自動屏蔽外部RF干擾引起的假喚醒，進一步降低了低功耗模式下BCM的整體功耗。

引言

　　在由汽車蓄電池供電的電子控制單元(ECU)設計中，低功耗是個非常重要的功能要求。首先，如果ECU在休眠狀態(tài)下消耗電流過大，便會出現(xiàn)汽車長期停放時因ECU耗盡電池電量造成無法啟動發(fā)動機的情形;其次，在節(jié)能、低碳理念日益深入人心的今天，降低ECU的功耗可以節(jié)省能源，為綠色環(huán)保貢獻一份力量。

　　在筆者所設計的車身控制模塊(BCM)中集成了遠程無鑰匙進入(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，為了實現(xiàn)整體的低功耗，必須在BCM進入低功耗模式時，同時禁能射頻接收芯片。由于射頻接收芯片在低功耗模式下無法進行遙控接收，而用戶操控鑰匙的時刻是隨機的，在合理的用戶體驗要求下，用戶按下鑰匙，BCM就應該進行反應，所以需要設計一種RKE低功耗方案，使得BCM既可以滿足低功耗要求，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(tǒng)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喚醒模式以過濾RF干擾，最終大幅度降低了BCM的整體休眠電流，同時可以很靈敏地從休眠模式喚醒。

1 總體方案設計

　　根據(jù)BCM的工作狀態(tài)，設計三種模式：正常模式、休眠模式和臨時喚醒模式。其中，休眠模式、臨時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，休眠條件不滿足，BCM處于正常模式，執(zhí)行CAN/LIN通信^[1]、網(wǎng)關、網(wǎng)絡管理、開關檢測、負載控制等功能，當休眠條件滿足后，BCM進入休眠模式，在休眠模式下關斷部分電路的供電電源，禁能RKE接收電路，根據(jù)喚醒條件使能相應的外部中斷喚醒，同時使能內部定時器喚醒源。在休眠模式下，喚醒條件觸發(fā)外部中斷^[2]，喚醒BCM進入正常模式。內部定時器超時后也可以喚醒處理器[3]，此時進入臨時喚醒模式。臨時喚醒模式是專門針對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間，在這段時間內使能RKE接收功能，如果接收到有效的RKE數(shù)據(jù)流，則進入正常模式，否則返回休眠模式，等待下一次內部定時器中斷喚醒。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需工作的電路的電源進行控制，使BCM在進入低功耗模式時關閉該部分電路的供電電源，退出低功耗模式時，打開該部分電路的供電電源，便可以有效降低ECU的功耗。

　　針對12V汽車電氣系統(tǒng)，設計兩個程控供電電源，以實現(xiàn)BCM進入休眠模式時禁能部分電路的供電和進入正常模式時恢復供電。程控電源包括可控12V和可控5V兩種電壓水平，其中，可控12V為部分開關采集電路提供電壓基準，可控5V為其它在休眠期間可以關閉的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CPU的IO管腳控制MOS管的通斷，實現(xiàn)電源的程控。12V程控電源設計如圖2所示。

　　將BCM需要采集的外部開關分為兩類，一類是可以把BCM從休眠模式和臨時喚醒模式喚醒的開關(喚醒源開關)，另一類是普通開關。喚醒源開關采集電路采用經(jīng)過調理后的蓄電池電壓進行常電供電，普通開關采集電路采用可控12V進行供電^[4]。在BCM進入休眠模式時，CPU關斷可控12V的輸出，普通開關采集電路的外部電壓基準源無效，開關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，無法判斷是否存在有效的RF數(shù)據(jù)，為此，設計了臨時喚醒模式，BCM進入休眠模式時啟動內部定時器，定時器超時后便進入臨時喚醒模式，在休眠條件滿足的情況下，BCM交替進入休眠模式和臨時喚醒模式。在臨時喚醒模式下，使能RKE接收電路，判斷是否存在有效的RF數(shù)據(jù)。休眠模式維持時間為16ms，臨時喚醒模式維持時間一般為4ms，通過這種方式，既可以保證大部分時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。

　　由于汽車電磁環(huán)境惡劣，RKE會接收到很多RF干擾信號，為了保證BCM不被誤喚醒，在臨時喚醒模式中設計誤喚醒過濾機制，過濾掉RF空間干擾和非配對的遙控鑰匙操作，確保BCM不會被誤喚醒進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 休眠和臨時喚醒

　　在BCM進入休眠模式時，禁能RKE射頻接收功能，同時設置可喚醒CPU的內部定時器，將定時器的超時值設置為Tslp，然后CPU進入休眠模式。Tslp 后，CPU被定時器喚醒，BCM進入臨時喚醒模式，臨時喚醒模式的默認持續(xù)時間為Twake ，在臨時喚醒模式中，CPU對系統(tǒng)時鐘進行初始化設置，并使能射頻接收芯片，如果判斷出有效的RKE射頻數(shù)據(jù)流，CPU進入正常模式，否則返回休眠模式。Tslp、Twake根據(jù)RKE數(shù)據(jù)位寬Tbit決定，一般選擇為Twake > 8 * Tbit，Tslp = 4 * Twake。在這里，Tbit為0.4ms，選擇Twake為4ms，Tslp為16ms。

　　3.2 RKE誤喚醒過濾機制

　　由于RKE工作在ISM頻段，空間干擾比較多，在臨時喚醒模式中設計三級過濾機制，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時間內，如果連續(xù)接收到的有效RKE數(shù)據(jù)位數(shù)小于5，返回休眠模式，否則，進入下一步;

　　延長臨時喚醒模式的持續(xù)時間為2 * Twake，在第二個Twake時間內再次判斷連續(xù)接收到的新的有效RKE數(shù)據(jù)位數(shù)，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，進入下一步;

　　延長臨時喚醒模式的時間為(2 * Twake + 有效的RKE幀長度)，當時間結束時進行解碼判斷，如果RKE數(shù)據(jù)幀來自已配對鑰匙，進入正常模式，否則返回休眠模式。

4 結語

　　本文設計了一種BCM低功耗方案，以實現(xiàn)在滿足休眠條件時，通過禁能部分電路的供電降低電流消耗，同時設置外部開關中斷喚醒和內部定時器喚醒，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關喚醒源的激勵下迅速喚醒。進行RKE低功耗設計自動過濾外部RF干擾引起的假喚醒，進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總線的BCM通信協(xié)議棧設計與實現(xiàn)[J] .長江大學學報(自然科學版),2014,(34):62-64.

　　[2] 宋麗華 戰(zhàn)穎 簡陽 張鑫磊鮑世昆.基于S3C6410的嵌入式系統(tǒng)休眠與喚醒策略設計實現(xiàn)[J].算機工程與科學,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(tǒng)應用,2009,(4):72-73.

　　[4] 山東省科學院自動化研究所.一種低功耗車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,2014,(12):10-13.

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