ETC設備耗電故障分析與改善

周立偉

關鍵詞：ETC設備

背景描述

2016年初，市場反饋X省發貨的ETC設備顯示電壓低或不開機，設備版本號：V4.00.13. 01;依經驗判斷，正常設備使用前放置1年應該不會出現電壓低或不開機問題，初步斷定此現象為是鋰電池掉電。

原因分析

取回故障樣品分析，未發現有人為損壞跡象，統一對PCBA靜態電流測試，均在正常值范圍內（lOuA以內），未復現故障現象，故考慮以下幾方面進行逐一進行分析：

人整個生產線發卡線的人員穩定而且過程中不接觸設備內部（暫不考慮）

機：分析前生產、測試設備均進行了校驗，未發現設備參數偏離;

料：鋰電池的制造工藝對于電池性能可能會有較大影響;

法：硬件電路設計問題、軟件版本應用問題;

環：使用環境的變化也會對產品存在風險;

X省ETC設備用戶使用時間最早為2015年11月份，此時已進入冬季，環境溫度在10℃左右，后續考慮的環境實驗也以此溫度作為實驗標準。

一、原材料一鋰電池影響分析

鋰電池為PCBA供電，若鋰電池自身內阻較大，自放電過快，太陽能電池板的供電能力趕不上電池的自耗電，會導致ETC設備無電或者電壓低，從以下幾個實驗驗證此問題，

1.故障PCBA拆卸的鏗電池與正常電池做常溫充電，低溫放電，充放電對比試驗，對比結果顯示，兩者未見明顯異常;

2.鋰電池內阻≤200 mΩ，常溫與低溫測試，內阻低溫較常溫時會增大約30～40mΩ，后期溫度恒定后，內阻恒定，滿足標準要求;

3.故障PCBA拆卸鋰電池充滿電后進行低溫20℃插卡待機實驗，低溫環境未出現耗電較快，未發現異常故障問題;

綜上，暫時排除鋰電池對ETC設備耗電過快的影響。

二、軟件版本與使用環境影響分析

是否因周圍環境影響而誤喚醒【喚醒可理解為設備啟動】，進而影響到匹配14K信號或數據解碼階段。ETC設備出貨版本軟件為1.O，現場發卡后，為用戶升級為上路版本1.1;

（1）不同頻點14K喚醒測試

ETC設備在2.4G、2.6G、3G及4G以上頻段有不同程度的誤喚醒

（2）考慮最終用戶進行藍牙通訊時是否會誤喚醒標簽;1.O版本下，藍牙耳機緊貼C3標簽時，會誤喚醒離開≥15cm時，無誤喚醒1.1版本下，藍牙耳機緊貼C3&D2標簽時，不會誤喚醒;離開一定距離，亦不會誤喚醒。

（3）下載測試版本，通過當地實際跑車測試探查是否出現誤喚醒現象經測，確實有部分行駛區域使ETC設備出現連續誤喚醒情況發生。

綜上，ETC設備使用的1.1版本，藍牙通訊基本不會誤喚醒，但不排除業主實際環境【使用其他電子設備】對標簽造成誤喚醒的干擾。

三、電路設計影響

硬件方面：優先測試故障PCBA的靜態電流，排除是否因為PCBA自耗電過大而導致的耗電過快。

1.檢測常溫及低溫狀態的故障PCBA靜態電流;

常溫25℃插卡PCBA靜態電流5.8uA，低溫10℃插卡靜態電流為5.luA，同時測試低溫交易電流，未見異常。

2.VAT測試

對市場退回的88pcs故障標簽進行VAT測試，其中有5pcs靜態電流過大且伴有喚醒失敗的現象，靜態電流會出現uA到mA的跳變，我們推測此現象可能是射頻芯片已進入到數據解碼階段，用示波器觀察WKOUT（喚醒中斷信號）。

在未給ETC設備任何中斷信號的情況下，WKOUT管腳輸出雜亂波形。其中WKOUT有中斷信號輸出給到單片機MCU，單片機響應中斷，使得ET_CS（射頻芯片使能管腳）被拉高，射頻芯片進入匹配14K階段，但實際并未給出ETC設備14K喚醒信號，射頻芯片未匹配到14K，ET_CS使能管腳被拉低，WKOUT管腳繼續輸出雜亂波形，周而復始，對應電流從uA到mA不斷跳變;

3.MCU對射頻芯片配置分析

進行射頻芯片和MCU交叉實驗，發現問題出現在MCU上;分別對良品和故障PCBA的MCU配置射頻芯片初始化SPI總線，具體量測ET_CS，ET_SCLK，ET_SDIN及WKOUT管腳'用示波器抓取波形，并根據波形讀出每次配置的數據。

發現MCU配置2次RF芯片，第一次為RF INIT（射頻初始化），初始化5個寄存器，第二次配置為寫入定標數據（喚醒靈敏度定標值），良品與故障PCBA對比，2次配置均正確，說明MCU對RF芯片進行了正確配置;

通過配置數據比對，發現故障PCBA靈敏度數據寫入FLASH中的均為高喚醒靈敏度0304，而良品PCBA靈敏度數據代碼分別為高喚醒靈敏度0304及低喚醒靈敏度0314;我們將故障PCBA降低喚醒靈敏度，反查WKOUT端的輸出波形不再有雜亂波形，且靜態電流正常。

4.驗證試驗

發貨的ETC設備是否會自動調用高喚醒靈敏度的定標數據，經過VAT測試PASS的市場退回的PCBA提升靈敏度條件下，測試是否也存在此種現象。將lOpcs的PCBA統一配置上路版本1.1，并在軟件內存中記錄喚醒次數，示波器量測wkout波形后，系統啟動后通過軟件計數查看喚醒次數，對比高喚醒靈敏度及低喚醒靈敏度配置是否對電量有影響。

試驗證明使用高喚醒靈敏度的耗電現象嚴重，17h每個ETC設備都會自喚醒，多至6086次，耗電0.5V，少至6次亞均耗電0.07V。而低喚醒靈敏度的ETC設備在48h后，僅有一個標簽自喚醒1次，其他標簽均無自喚醒，跟蹤電壓，基本無耗電。

綜上所述，我們認為RF芯片在沒有射頻信號的情況下有自激喚醒狀態，導致MCU進入數據接收而耗電（高喚醒靈敏度時現象更加明顯更甚，X省的ETC設備的軟件版本處于高喚醒靈敏度，加劇了自喚醒的情況）。

整改措施

一、通過一系列的排查，X省發貨ETC設備耗電過快的原因有以下兩點：

1.RF芯片存在自激情況，尤其是在上路后使用高喚醒靈敏度定標值時，導致在沒有射頻信號的情況下有自激喚醒現象而使標簽進入數據接收而耗電;

2.X省現場環境復雜的情況下，也會出現誤喚醒現象，導致標簽耗電過快。

二、解決方案：

針對此問題，臨時解決對策：

1.針對已發貨的ETC設備，制作“靈敏度復原卡”，將設備調整至低喚醒靈敏度工作狀態，降低出現故障的概率;網點工作人員對發行的ETC設備插入“靈敏度復原卡”。

2.針對已生產未發貨的ETC設備，由生產人員操作，oc監督.將“靈敏度復原卡”全部插入ETC設備中，并觀測設備狀態;

3.針對未生產的ETC設備，研發優化軟件版本。

永久的解決對策：

1.軟件優化

●硬件上若減少了電源控制開關組的數量，后續軟件可以優化上電初始化順序，避免同一時間打開開關，使得瞬間電流過大。

在測試過程中發現VCC_DISPLAY的電有一次誤開情況，后續軟件優化可刪除此次誤開操作。

●測試過程中還發現當對ESAM操作失敗后，單片機會執行去激活的動作，將VCC_DISPLAY的電給關掉，VCC_DISPLAY同時也是高頻芯片的供電這就造成隨后高頻讀卡因無電而讀卡失敗，后續軟件也可優化。

2.硬件優化

可在后續硬件設計中，在電源控制開關電路中加個對地濾波電容，提高儲能能力。

3 .VAT可優化：

VAT測試需要將誤喚醒的查驗標準從匹配14k變更為沿檢驗，這樣更嚴格，更利于挑出有潛在問題的PCBA。

經驗教訓

通過此事件，我們應該對于設備測試過程中的差異性保持高度的警惕，任何一個參數的變化，可能會是一個潛藏的風險，可能會給客戶帶來巨大的損失。作為研發技術工作者應該時刻以數據說話，對科學需要保持一顆敬畏的心。