汽車BCM的低功耗設(shè)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(xué)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(shè)計了一種低功耗方案，為部分電路設(shè)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(shè)置內(nèi)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(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)該進行反應(yīng)，所以需要設(shè)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(shè)計方案，并特別針對遙控鑰匙喚醒功能設(shè)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(shè)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(shè)計

　　根據(jù)BCM的工作狀態(tài)，設(shè)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(guān)、網(wǎng)絡(luò)管理、開關(guān)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(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，同時使能內(nèi)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(nèi)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(shè)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(nèi)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(nèi)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(shè)計

　　程控供電設(shè)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(guān)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(shè)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(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，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(shè)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(shè)計如圖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行常電供電，普通開關(guān)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(guān)斷可控12V的輸出，普通開關(guān)采集電路的外部電壓基準源無效，開關(guān)采集電路不消耗任何電流。

3 RKE低功耗設(shè)計

　　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)計了臨時喚醒模式，BCM進入休眠模式時啟動內(nèi)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(shè)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(shè)置可喚醒CPU的內(nèi)部定時器，將定時器的超時值設(shè)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(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(shè)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(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(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(jié)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(jié)語

　　本文設(shè)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(shè)置外部開關(guān)中斷喚醒和內(nèi)部定時器喚醒，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)喚醒源的激勵下迅速喚醒。進行RKE低功耗設(shè)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。

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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。