汽车BCM的低功耗设计及实现

作者/ 马建辉1, 2 刘源杨1, 2 候冬冬1, 2 郭坤1, 2 胡代荣1, 2 1.山东省汽车电子重点实验室(山东 济南 250014)2.山东省科学院自动化研究所(山东 济南 250014)

摘要：本文针对集成了远程无钥匙进入(RKE)功能的车身控制模块(BCM)设计了一种低功耗方案，为部分电路设计了可程控供电电源，以实现在满足休眠条件时，通过禁能部分电路的供电降低电流消耗，同时设置内部唤醒定时器，使得BCM在低功耗模式中可以被临时唤醒，以判断遥控钥匙的操作，同时针对空间干扰引起的射频毛刺设计了过滤机制，能够自动屏蔽外部RF干扰引起的假唤醒，进一步降低了低功耗模式下BCM的整体功耗。

引言

　　在由汽车蓄电池供电的电子控制单元(ECU)设计中，低功耗是个非常重要的功能要求。首先，如果ECU在休眠状态下消耗电流过大，便会出现汽车长期停放时因ECU耗尽电池电量造成无法启动发动机的情形;其次，在节能、低碳理念日益深入人心的今天，降低ECU的功耗可以节省能源，为绿色环保贡献一份力量。

　　在笔者所设计的车身控制模块(BCM)中集成了远程无钥匙进入(RKE)功能，RKE模块的射频接收芯片在工作模式下消耗的电流比较大，为了实现整体的低功耗，必须在BCM进入低功耗模式时，同时禁能射频接收芯片。由于射频接收芯片在低功耗模式下无法进行遥控接收，而用户操控钥匙的时刻是随机的，在合理的用户体验要求下，用户按下钥匙，BCM就应该进行反应，所以需要设计一种RKE低功耗方案，使得BCM既可以满足低功耗要求，又可以迅速被遥控钥匙唤醒。本文介绍了一种BCM低功耗设计方案，并特别针对遥控钥匙唤醒功能设计了RKE子系统的低功耗方案，针对低功耗模式下可能被空间干扰造成的RF毛刺唤醒设计了临时唤醒模式以过滤RF干扰，最终大幅度降低了BCM的整体休眠电流，同时可以很灵敏地从休眠模式唤醒。

1 总体方案设计

　　根据BCM的工作状态，设计三种模式：正常模式、休眠模式和临时唤醒模式。其中，休眠模式、临时唤醒模式都是低功耗模式，不同的是，休眠模式下完全休眠，临时唤醒模式下只使能RKE功能用于判断是否存在有效的遥控钥匙操作。

　　在正常工作情景下，休眠条件不满足，BCM处于正常模式，执行CAN/LIN通信^[1]、网关、网络管理、开关检测、负载控制等功能，当休眠条件满足后，BCM进入休眠模式，在休眠模式下关断部分电路的供电电源，禁能RKE接收电路，根据唤醒条件使能相应的外部中断唤醒，同时使能内部定时器唤醒源。在休眠模式下，唤醒条件触发外部中断^[2]，唤醒BCM进入正常模式。内部定时器超时后也可以唤醒处理器[3]，此时进入临时唤醒模式。临时唤醒模式是专门针对RKE休眠和唤醒设计的一种低功耗模式，该模式维持一固定的时间，在这段时间内使能RKE接收功能，如果接收到有效的RKE数据流，则进入正常模式，否则返回休眠模式，等待下一次内部定时器中断唤醒。工作模式切换如图1所示。

2 程控供电设计

　　程控供电设计是针对低功耗模式下无需工作的电路的电源进行控制，使BCM在进入低功耗模式时关闭该部分电路的供电电源，退出低功耗模式时，打开该部分电路的供电电源，便可以有效降低ECU的功耗。

　　针对12V汽车电气系统，设计两个程控供电电源，以实现BCM进入休眠模式时禁能部分电路的供电和进入正常模式时恢复供电。程控电源包括可控12V和可控5V两种电压水平，其中，可控12V为部分开关采集电路提供电压基准，可控5V为其它在休眠期间可以关闭的5V逻辑电路提供电源。可控12V和可控5V的电路设计原理相同，通过CPU的IO管脚控制MOS管的通断，实现电源的程控。12V程控电源设计如图2所示。

　　将BCM需要采集的外部开关分为两类，一类是可以把BCM从休眠模式和临时唤醒模式唤醒的开关(唤醒源开关)，另一类是普通开关。唤醒源开关采集电路采用经过调理后的蓄电池电压进行常电供电，普通开关采集电路采用可控12V进行供电^[4]。在BCM进入休眠模式时，CPU关断可控12V的输出，普通开关采集电路的外部电压基准源无效，开关采集电路不消耗任何电流。

3 RKE低功耗设计

　　BCM在休眠模式下禁能RKE接收电路，无法判断是否存在有效的RF数据，为此，设计了临时唤醒模式，BCM进入休眠模式时启动内部定时器，定时器超时后便进入临时唤醒模式，在休眠条件满足的情况下，BCM交替进入休眠模式和临时唤醒模式。在临时唤醒模式下，使能RKE接收电路，判断是否存在有效的RF数据。休眠模式维持时间为16ms，临时唤醒模式维持时间一般为4ms，通过这种方式，既可以保证大部分时间处于最低电流消耗的休眠模式，又可以判断低功耗模式期间是否存在有效的遥控钥匙操作，保证了遥控操作的灵敏性。

　　由于汽车电磁环境恶劣，RKE会接收到很多RF干扰信号，为了保证BCM不被误唤醒，在临时唤醒模式中设计误唤醒过滤机制，过滤掉RF空间干扰和非配对的遥控钥匙操作，确保BCM不会被误唤醒进入消耗电流较大的正常模式，从而保证了BCM的低功耗性能。

　　3.1 休眠和临时唤醒

　　在BCM进入休眠模式时，禁能RKE射频接收功能，同时设置可唤醒CPU的内部定时器，将定时器的超时值设置为Tslp，然后CPU进入休眠模式。Tslp 后，CPU被定时器唤醒，BCM进入临时唤醒模式，临时唤醒模式的默认持续时间为Twake ，在临时唤醒模式中，CPU对系统时钟进行初始化设置，并使能射频接收芯片，如果判断出有效的RKE射频数据流，CPU进入正常模式，否则返回休眠模式。Tslp、Twake根据RKE数据位宽Tbit决定，一般选择为Twake > 8 * Tbit，Tslp = 4 * Twake。在这里，Tbit为0.4ms，选择Twake为4ms，Tslp为16ms。

　　3.2 RKE误唤醒过滤机制

　　由于RKE工作在ISM频段，空间干扰比较多，在临时唤醒模式中设计三级过滤机制，滤除RF频段的空间杂波产生的毛刺和非配对遥控钥匙的操作。

　　首先，在Twake时间内，如果连续接收到的有效RKE数据位数小于5，返回休眠模式，否则，进入下一步;

　　延长临时唤醒模式的持续时间为2 * Twake，在第二个Twake时间内再次判断连续接收到的新的有效RKE数据位数，如果小于5，返回休眠模式，如果大于5，判断出有效的按键按下操作，进入下一步;

　　延长临时唤醒模式的时间为(2 * Twake + 有效的RKE帧长度)，当时间结束时进行解码判断，如果RKE数据帧来自已配对钥匙，进入正常模式，否则返回休眠模式。

4 结语

　　本文设计了一种BCM低功耗方案，以实现在满足休眠条件时，通过禁能部分电路的供电降低电流消耗，同时设置外部开关中断唤醒和内部定时器唤醒，使得BCM在低功耗模式中可以灵敏地响应遥控钥匙的操作并在外部开关唤醒源的激励下迅速唤醒。进行RKE低功耗设计自动过滤外部RF干扰引起的假唤醒，进一步降低了低功耗模式下BCM的整体功耗。

参考文献：

　　[1] 林可春. 基于CAN与LIN总线的BCM通信协议栈设计与实现[J] .长江大学学报(自然科学版),2014,(34):62-64.

　　[2] 宋丽华 战颖 简阳 张鑫磊鲍世昆.基于S3C6410的嵌入式系统休眠与唤醒策略设计实现[J].算机工程与科学,2014,(5):790-796.

　　[3] 侯志成.MSP430省电方式的两种唤醒方法[J].单片机与嵌入式系统应用,2009,(4):72-73.

　　[4] 山东省科学院自动化研究所.一种低功耗车身控制器及其控制方法:中国, 201510125944.6 [P].2015-03-20.

　　[5] 黄未栋 梁仙灵.基于插入空白字符提高RKE抗干扰能力的研究[J].电子测量技术,2014,(12):10-13.

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第10期第55页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。