基于KEA128的鋰電池箱低功耗煙霧探測器設(shè)計(jì)

黃志華

（安徽芯核防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司，安徽合肥，230000）

0 引言

在新能源汽車行業(yè)，相關(guān)法規(guī)文件越來越完善。應(yīng)急管理部《CCCF/XFJJ-01電動(dòng)客車鋰離子動(dòng)力電池箱火災(zāi)防控裝置通用技術(shù)要求》明確要求車輛停車3日內(nèi)，火災(zāi)防控裝置應(yīng)能正常工作。為了降低煙霧探測器功耗，本設(shè)計(jì)選用了汽車級(jí)主控芯片KEA128，集成了煙霧傳感器ADPD188BI和NTC熱敏電阻傳感器，設(shè)計(jì)了低功耗休眠模式和喚醒模式，能夠在停車時(shí)自動(dòng)進(jìn)入休眠模式，整車上電切換到喚醒模式。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體框圖

鋰電池箱內(nèi)煙霧探測器，通過感知煙霧和溫度變化判斷鋰離子電池是否發(fā)生熱失控，并將報(bào)警信息實(shí)時(shí)上傳至整車/BMS。探測器硬件設(shè)計(jì)包括主控芯片，光電煙霧傳感器，溫度傳感器，IIC電平信號(hào)轉(zhuǎn)化模塊，電源模塊和通訊模塊等，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2 主控芯片

KEA128是飛思卡爾針對(duì)汽車市場最新開發(fā)的MCU，一款汽車級(jí)的芯片。采用ARM Cortex-M0+內(nèi)核，包含CAN模塊，程序flash大小為128KB，運(yùn)行溫度范圍是-40～125℃，80引腳LQFP封裝，CPU最高頻率為48MHz[1]。

(1)晶振電路。KEA128支持內(nèi)部時(shí)鐘源和外部時(shí)鐘源作為MCU的工作時(shí)鐘。內(nèi)部時(shí)鐘源ICS可提供時(shí)鐘信號(hào)范圍31.25～39.0625KHz，誤差在0.8%以內(nèi)[2]。外部時(shí)鐘源具有更高的精度。本設(shè)計(jì)采用外部8MHz無源晶振，分別連接單片機(jī)的 EXTAL，XTAL。

(2)程序調(diào)試下載接口。KEA128采用的是ARM Cortex內(nèi)核，支持SWD接口，比JTAG模式在高速模式下更可靠。數(shù)據(jù)輸入/輸出線SWDIO對(duì)應(yīng)KEA128的PTA4引腳，時(shí)鐘線SWCLK對(duì)應(yīng)PTC4引腳。

(3)電源電路與復(fù)位電路。KEA128供電范圍在2.7V～5.5V之間，本設(shè)計(jì)采用24V轉(zhuǎn)5V電源供電，通過RESET引腳接地實(shí)現(xiàn)單片機(jī)復(fù)位。

1.3 CAN通信電路

KEA128內(nèi)部集成了CAN功能的控制器，外部只需連接CAN收發(fā)器就能實(shí)現(xiàn)CAN通信。本設(shè)計(jì)選擇TJA1044GTJ作為CAN收發(fā)器，支持正常模式和待機(jī)模式，通過控制8腳STB高電平進(jìn)入待機(jī)模式，此時(shí)功耗為10uA，可通過總線喚醒。

1.4 煙霧傳感器電路

本設(shè)計(jì)選用光電式煙霧傳感器ADPD188BI。該模塊集成高效率的光電式測量前端、藍(lán)光和紅外（IR）發(fā)光二極管（LED）以及光電二極管（PD）。這些器件采用特制的封裝，防止光線未先經(jīng)過煙霧探測腔而直接從 LED 照進(jìn)光電二極管[3]。其基本原理利用煙霧顆粒散射到光電二極管引起的光電效應(yīng)檢測煙霧顆粒物濃度。由于采用了兩個(gè)LED光源（藍(lán)光和紅外），可意味著有兩個(gè)不同的折射角，可以區(qū)分出煙霧顆粒的大小，分辨出煙霧類型，減少誤報(bào)。

ADPD188BI采用1.8V的工作電壓，支持IIC和SPI方式與MCU通信。由于KEA128工作電壓為5V，所以在本設(shè)計(jì)增加了電平信號(hào)轉(zhuǎn)化芯片SGM4551實(shí)現(xiàn)ADPD188BI與KEA128之間的IIC通信。原理圖如圖2所示。

圖2 ADPD188BI原理圖

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 KEA128休眠和喚醒

KEA128支持Run、Wait、Stop模式。Stop模式處于最低功耗模式，少量外設(shè)可通過配置開啟，支持中斷喚醒。本設(shè)計(jì)選擇Stop深度休眠模式，通過CAN總線在接收到外部低功耗指令后，進(jìn)入深度睡眠模式。配置兩種喚醒方式：通過CAN報(bào)文喚醒和通過溫度喚醒。

（1）CAN報(bào)文喚醒

在收到休眠指令時(shí)，應(yīng)配置CAN模塊相關(guān)寄存器確保單片機(jī)休眠時(shí)能通過報(bào)文喚醒。先設(shè)置CAN喚醒方式，設(shè)置MSCAN控制寄存器1（MSCAN_CANCTL1）WUPM位為1，即采用集成式低通濾波器來防止 MSCAN 受雜散喚醒影響，僅當(dāng)CAN總線上出現(xiàn)長度為Twup的顯性脈沖時(shí)才會(huì)喚醒，而不是CAN上出現(xiàn)任何顯性電平都被喚醒。再設(shè)置MSCAN接收器中斷使能寄存器(MSCAN_CANRIER)WUPIE位為1，即喚醒中斷使能，設(shè)置RXFIE位為1，報(bào)文接收成功事件引起接收器中斷請(qǐng)求。最后設(shè)置MSCAN控制寄存器0(MSCAN_CANCTL0)WUPE位為1，即喚醒使能。

進(jìn)入休眠之前應(yīng)設(shè)置CAN收發(fā)器TJA1044第8腳STB高電平進(jìn)入待機(jī)模式，盡可能節(jié)省功耗。MSCAN每次被中斷喚醒之后，設(shè)置接收器標(biāo)志寄存器(MSCAN_CANRFLG)WUPIF位為1，即喚醒中斷標(biāo)志清零。被CAN報(bào)文喚醒后，程序首先判斷報(bào)文是否為事先約定的報(bào)文，如是則單片機(jī)喚醒工作，如否立即再進(jìn)入休眠。KEA128通過CAN喚醒流程圖如圖3所示。

圖3 CAN喚醒流程圖

（2）溫度喚醒

NTC熱敏電阻通過分壓電路接到KEA128的ADC引腳上。收到休眠指令后，設(shè)置ADC中斷使能。再設(shè)置引腳控制1寄存器 (ADC_APCTL1)，將I/O口引腳與ADC關(guān)聯(lián)。設(shè)置狀態(tài)和控制寄存器3(ADC_SC3)，將ADLPC位置位，ADC進(jìn)入低功耗模式，ADLSMP置位，長時(shí)間采樣模式降低整體功耗，選擇總線時(shí)鐘休眠時(shí)依然工作。最后設(shè)置比較值寄存器(ADC_CV)，將NTC測量溫度75℃時(shí)對(duì)應(yīng)的ADC采樣值寫入比較寄存器內(nèi)，在休眠時(shí)比較寄存器處于監(jiān)視狀態(tài)，將ADC轉(zhuǎn)化結(jié)果與寄存器內(nèi)容比較，比較條件成立，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)ADC中斷，由此喚醒KEA128。

溫度喚醒流程圖如圖4所示。

圖4 溫度喚醒流程圖

2.2 其它設(shè)置

在KEA128進(jìn)入睡眠模式之前，通過I/O口設(shè)置LDO控制ADPD188BI的1.8V電源,3.3V和5V電源斷開，關(guān)閉SGM4551的5V供電電源，以降低功耗。設(shè)置KEA128的IIC控制寄存器，關(guān)閉IIC模塊。此外，還可以通過降低時(shí)鐘頻率等方式降低探測器休眠功耗[4]。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

將探測器通過USB轉(zhuǎn)CAN卡連接到上位機(jī)上，使用高精度安捷倫數(shù)字源表U3606A對(duì)探測器供電，圖5（a）和圖5（b）分別顯示了探測器正常模式和低功耗模式在12V電源情況下的電流，正常模式16.8mA，低功耗時(shí)1.8mA。在休眠狀態(tài)下通過上位機(jī)發(fā)送喚醒指令，或者通過外部加熱，在探測器溫度傳感器采集值達(dá)到75℃時(shí)探測器自動(dòng)喚醒。

圖5 實(shí)物圖

4 結(jié)論

通過對(duì)KEA128時(shí)鐘，寄存器，功能模塊等的分析，選擇了最低功耗模式-深度睡眠模式，進(jìn)入睡眠模式前設(shè)置了相關(guān)寄存器，同時(shí)降低時(shí)鐘頻率，關(guān)閉了非必要的電源。低功耗模式相比正常工作模式顯著降低了功耗，在異常情形下探測器能自動(dòng)喚醒，保證了低功耗模式下依然能監(jiān)測電池箱內(nèi)的火災(zāi)。