車載終端經典休眠喚醒電路設計方案

王濤

（北汽福田汽車股份有限公司 北京市 102206）

隨著互聯網汽車的誕生與快速發展，車載終端在互聯網汽車里擔當著非常重要的角色，也是汽車電子電氣架構設計中需要重點關注的部件之一。這些終端包括了遠程信息系統車載終端(Telematics-Box, T-Box)、車載信息娛樂系統(In-Vehicle Infotainment, IVI)等設備。

在傳統汽車電子電氣架構設計中，工程設計時最關注各個ECU的耗電指標。最終ECU 完成汽車總裝后，各ECU 在滿足耗電指標的同時，也能夠正常在預先設計的各種狀態下工作，譬如：

（1）車輛在閉鎖后，ECU 需要進入休眠狀態進入待機低功耗工作模式；

（2）當車輛在解鎖后，一級ECU 需要立即進入喚醒狀態進入正常工作模式。

而車載終端設備在車輛解鎖后電源進入自適應巡航控制電源(Adaptive Cruise Control, ACC)檔位后，也是需要立即喚醒進入正常工作模式[1][2]。

因此車載終端的休眠喚醒電路設計方案是滿足汽車電子電氣架構工程設計對于ECU 電源管理思想[3]體現的關鍵方案。這也是本案研究的目的。

1 現狀與目標

1.1 現狀

汽車電子電氣架構設計中的ECU 其主空芯片是微型處理器控制單元(Micro-Control Unit, MCU)。MCU 對于電源管理的實現：

（1）芯片本身的硬件邏輯控制電路對電源管理有完美的技術支撐；

圖1：MCU+MPU 硬件系統框圖

圖2：休眠喚醒邏輯電路圖

圖3：休眠處理過程電平邏輯時序圖

圖4：喚醒處理過程電平邏輯時序圖

圖5：喚醒處理過程電平邏輯時序圖

（2）軟件系統采用汽車開發系統架構(Automotive Open System Architecture, AUTOSAR)，AUTOSAR 系統[4]對于實現電源管理之休眠喚醒有完整的軟件層面系統解決方案以及實時響應性：1.只要MCU 外部休眠條件成立，則基于AUTOSAR 的控制器局域網絡(Controller Area Network，CAN)可以立即停止CAN 數據收發進入休眠態；2.當MCU 外部喚醒條件建立，則基于AUTOSAR 的CAN 可以馬上進入喚醒態立即開始CAN 數據收發。

基于單核MCU 實現ECU 休眠喚醒，電源管理方案是已經非常成熟和可靠了。

但是對于其他車載設備（如T-Box 等），因為這些車載設備承載了更多的車聯網應用功能，通常其硬件架構上都不再是基于單顆MCU，而是采用MCU+微處理器單元(Micro-Process Unit, MPU)的架構。以T-Box 為例，其硬件設計邏輯框圖如圖1[5]。

圖6：樣件反向喚醒信號截圖

進入互聯網汽車時代的車載設備的硬件體系架構通常都是多顆處理器單元(Central Process Unit, CPU)堆疊而成，如圖1 所示的MCU+MPU 硬件體系既是ECU 發展演進的經典方案，這樣的方案能極大地提升單顆MCU 性能，從而承載更多的功能。

1.2 目的

顯然，MCU+MPU 硬件體系的車載設備電源管理方案遠比單顆MCU 的電源管理方案復雜了很多。

車載設備的休眠與喚醒也因為多顆CPU 的出現，其工程設計與功能實現處理也將變得比較復雜。

在電源管理方面：

（1）硬件設計方案不合理；

（2）軟件系統對于休眠喚醒的處理方案不適當等。

這些現象，與車載設備電流功耗密切相關，工程設計如不合理將是非常棘手的問題。

出現問題必將帶來車載設備潛在的危害：

（1）車載設備漏電現象；

（2）車載設備控制失靈。

就以上陳述的現狀，擬提出一種車載設備休眠喚醒電路設計方案，實際驗證該電路設計方案是可行的也是經典的設計方案。

2 設計方案

2.1 設計要求

對于MCU+MPU 體系的車載設備，為了實現能滿足要求的成熟可靠休眠喚醒電路，在工程設計方面應滿足如下標準和原則：

（1）外部休眠喚醒條件建立后，設備應立即響應并立即切入對應狀態，且休眠喚醒電路應該是高可靠性與高成熟性；

（2）MCU 與MPU 之間有高速數據總線，能夠在喚醒態進行數據交換，進行高級業務交互；

2.2 具體方案

基于上述，工程設計出滿足標準原則和休眠喚醒實現策略的邏輯電路圖如圖2。

如圖2 所示，本案的休眠喚醒邏輯電路圖描述了2.1 里對于車載設備電源管理所需要的休眠喚醒控制信號總線以及MCU 與MPU之間數據總線，詳細說明如表1。

說明：

（1）MCU 與MPU 之間使用通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART）做為數據總線，全雙工收發數據速度高可達4Mbps[6]；

（2）MPU 分別引出休眠喚醒信號線接入MCU 的通用型之輸入輸出（General-purpose input/output, GPIO）和喚醒源鎖存器(WaKe-up Source, WKS)，MPU 反向休眠喚醒MCU 信號線(WaKe-up OUT, WK OUT)輸出也接入WKS。

表1：休眠喚醒信號引腳說明表

（3）目前MCU 喚醒中斷源(WaKe-up Interrupt, WK INT)接入喚醒源有：1.CAN；2.ACC ON；3.點火(Ignition, IG) ON；4.低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy, BLE)；5.MPU WK OUT 這5 組喚醒源，若MCU 處于休眠，5 組喚醒源有任何1 路輸出脈喚喚醒信號，則可以通過WKS 觸發INT 喚醒MCU，從而拉起整個車載設備。

2.3 休眠喚醒說明

2.3.1 休眠過程處理對于休眠過程的處理，相關信號線電平邏輯時序圖如圖3。

如圖3 所描述，當MCU 檢測到車載設備外部條件滿足休眠條件后，MCU 輸出WK IN 低電平信號到MPU 命令其進入休眠，MPU 接收到WK IN 低電平信號立即處理進入休眠狀態同時輸出STATUS 低電平信號到MCU 說明MPU 已經進入休眠態，隨即MCU 也進入休眠狀態，至此整個車載設備進入休眠狀態。

2.3.2 喚醒過程處理

對于喚醒過程的處理，相關信號線電平邏輯時序圖如圖4。

如圖4 所描述，當MCU 被外部喚醒信號喚醒后，MCU 輸出WK IN 高電平信號到MPU 命令其進入喚醒，MPU 接收到WK IN高電平信號立即處理進入喚醒狀態同時輸出STATUS 高電平信號到MCU 說明MPU 已經進入喚醒態，至此整個車載設備進入喚醒狀態。

2.3.3 反向喚醒過程處理

對于反向喚醒過程的處理，相關信號線電平邏輯時序圖如圖5。

如圖5 所描述，車載設備處于休眠態時，若有喚醒電話或喚醒短信通過無線網絡發送到MPU 時，MPU 根據定義輸出100ms 喚醒脈沖信號到WK OUT 拉起MCU。當MCU 被WK OUT 信號喚醒后，則按照2.3.2 喚醒過程處理，喚醒車載設備從而實現反向喚醒過程處理。

3 實驗驗證

休眠喚醒電路完成設計后，制作樣件進行測試，驗證反向喚醒功能。

實驗條件：車載設備外部喚醒源全部置為低電平邏輯，MCU則根據2.3.1 進行休眠處理，樣件順利進入休眠狀態。使用手機發送喚醒短信到車載設備的無線4G 模塊，進行反向喚醒處理。使用示波器監控MPU 的STATUS 和WK OUT 信號，截圖如圖6。

從圖6 可以看到，到手機發送的喚醒短信到達車載設備的4G模塊后：

（1）示波器監在CH1 控MPU WK OUT 信號線有輸出100ms喚醒脈沖信號到MCU；

（2）隨即示波器監在CH2 監控到MPU STATUS 信號線有輸出邏輯高電平信號。

以上示波器實際監控信號輸出符合2.3.3設計的電平邏輯時序，此時車載設備實現了反向喚醒處理過程。實驗驗證休眠中的車載設備的確被喚醒短信喚醒了。

4 結語

本案研究的車載設備休眠喚醒電路設計方案，最終落地在T-Box、IVI 以及V2X[7]等多種車載設備產品上，并成功在車輛進行總裝，市場反饋設備運行可靠沒有饋電發生。

實踐證明，本案研究方案可以做為汽車電子電氣車載設備經典休眠喚醒電路設計，在未來新的產品研發設計中，可以繼承和進一步革新與迭代。