汽車BCM的低功耗設(shè)計(jì)及實(shí)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(山東 濟(jì)南 250014)2.山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所(山東 濟(jì)南 250014)

摘要：本文針對(duì)集成了遠(yuǎn)程無鑰匙進(jìn)入(RKE)功能的車身控制模塊(BCM)設(shè)計(jì)了一種低功耗方案，為部分電路設(shè)計(jì)了可程控供電電源，以實(shí)現(xiàn)在滿足休眠條件時(shí)，通過禁能部分電路的供電降低電流消耗，同時(shí)設(shè)置內(nèi)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(duì)空間干擾引起的射頻毛刺設(shè)計(jì)了過濾機(jī)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

　　在由汽車蓄電池供電的電子控制單元(ECU)設(shè)計(jì)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)下消耗電流過大，便會(huì)出現(xiàn)汽車長(zhǎng)期停放時(shí)因ECU耗盡電池電量造成無法啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)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(xiàn)一份力量。

　　在筆者所設(shè)計(jì)的車身控制模塊(BCM)中集成了遠(yuǎn)程無鑰匙進(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(xiàn)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法進(jìn)行遙控接收，而用戶操控鑰匙的時(shí)刻是隨機(jī)的，在合理的用戶體驗(yàn)要求下，用戶按下鑰匙，BCM就應(yīng)該進(jìn)行反應(yīng)，所以需要設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案，并特別針對(duì)遙控鑰匙喚醒功能設(shè)計(jì)了RKE子系統(tǒng)的低功耗方案，針對(duì)低功耗模式下可能被空間干擾造成的RF毛刺喚醒設(shè)計(jì)了臨時(shí)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(shí)可以很靈敏地從休眠模式喚醒。

1 總體方案設(shè)計(jì)

　　根據(jù)BCM的工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)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，休眠條件不滿足，BCM處于正常模式，執(zhí)行CAN/LIN通信^[1]、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)管理、開關(guān)檢測(cè)、負(fù)載控制等功能，當(dāng)休眠條件滿足后，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(jù)喚醒條件使能相應(yīng)的外部中斷喚醒，同時(shí)使能內(nèi)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(nèi)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)喚醒模式是專門針對(duì)RKE休眠和喚醒設(shè)計(jì)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(nèi)使能RKE接收功能，如果接收到有效的RKE數(shù)據(jù)流，則進(jìn)入正常模式，否則返回休眠模式，等待下一次內(nèi)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(shè)計(jì)

　　程控供電設(shè)計(jì)是針對(duì)低功耗模式下無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)，打開該部分電路的供電電源，便可以有效降低ECU的功耗。

　　針對(duì)12V汽車電氣系統(tǒng)，設(shè)計(jì)兩個(gè)程控供電電源，以實(shí)現(xiàn)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(fù)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(guān)采集電路提供電壓基準(zhǔn)，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。可控12V和可控5V的電路設(shè)計(jì)原理相同，通過CPU的IO管腳控制MOS管的通斷，實(shí)現(xiàn)電源的程控。12V程控電源設(shè)計(jì)如圖2所示。

　　將BCM需要采集的外部開關(guān)分為兩類，一類是可以把BCM從休眠模式和臨時(shí)喚醒模式喚醒的開關(guān)(喚醒源開關(guān))，另一類是普通開關(guān)。喚醒源開關(guān)采集電路采用經(jīng)過調(diào)理后的蓄電池電壓進(jìn)行常電供電，普通開關(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，普通開關(guān)采集電路的外部電壓基準(zhǔn)源無效，開關(guān)采集電路不消耗任何電流。

3 RKE低功耗設(shè)計(jì)

　　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(shè)計(jì)了臨時(shí)喚醒模式，BCM進(jìn)入休眠模式時(shí)啟動(dòng)內(nèi)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(shù)據(jù)。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。

　　由于汽車電磁環(huán)境惡劣，RKE會(huì)接收到很多RF干擾信號(hào)，為了保證BCM不被誤喚醒，在臨時(shí)喚醒模式中設(shè)計(jì)誤喚醒過濾機(jī)制，過濾掉RF空間干擾和非配對(duì)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(shè)置可喚醒CPU的內(nèi)部定時(shí)器，將定時(shí)器的超時(shí)值設(shè)置為Tslp，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(rèn)持續(xù)時(shí)間為Twake ，在臨時(shí)喚醒模式中，CPU對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行初始化設(shè)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(jìn)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(jī)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(shè)計(jì)三級(jí)過濾機(jī)制，濾除RF頻段的空間雜波產(chǎn)生的毛刺和非配對(duì)遙控鑰匙的操作。

　　首先，在Twake時(shí)間內(nèi)，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(jìn)入下一步;

　　延長(zhǎng)臨時(shí)喚醒模式的持續(xù)時(shí)間為2 * Twake，在第二個(gè)Twake時(shí)間內(nèi)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(jìn)入下一步;

　　延長(zhǎng)臨時(shí)喚醒模式的時(shí)間為(2 * Twake + 有效的RKE幀長(zhǎng)度)，當(dāng)時(shí)間結(jié)束時(shí)進(jìn)行解碼判斷，如果RKE數(shù)據(jù)幀來自已配對(duì)鑰匙，進(jìn)入正常模式，否則返回休眠模式。

4 結(jié)語

　　本文設(shè)計(jì)了一種BCM低功耗方案，以實(shí)現(xiàn)在滿足休眠條件時(shí)，通過禁能部分電路的供電降低電流消耗，同時(shí)設(shè)置外部開關(guān)中斷喚醒和內(nèi)部定時(shí)器喚醒，使得BCM在低功耗模式中可以靈敏地響應(yīng)遙控鑰匙的操作并在外部開關(guān)喚醒源的激勵(lì)下迅速喚醒。進(jìn)行RKE低功耗設(shè)計(jì)自動(dòng)過濾外部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。

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