Analog-/Mixed-Signal-ICs Strom sparen mit intelligenten UHF-Empfängern

UHF-Empfänger: Eingebetteter Mikrocontroller hilft Strom zu sparen.
UHF-Empfänger: Eingebetteter Mikrocontroller hilft Strom zu sparen.

Moderne UHF-Empfänger- und Transceiver-ICs zum Empfang der Signale von Funkschlüsseln besitzen einen eigenen eingebetteten Mikrocontroller. Diese intelligenten ICs können selbstständig die Gülltigkeit eintreffender Datenpakete überpüfen - und auf diese Weise viel Strom sparen.

Wer kennt das nicht? Will man das Auto mit dem Funkschlüssel öffnen, streikt plötzlich die Elektronik, da die Startbatterie leer ist. Der Strombedarf der Elektronik im Fahrzeug ist ein Hauptkriterium für den Entwickler - vor allem die Frage, wie man die Leistungsaufnahme möglichst gering hält, ohne auf die vielfältigen Funktionen verzichten zu müssen. Moderne UHF-Empfänger- und Transceiver-ICs für das 315-MHz-, 433-MHz-, 868-MHz- und 915-MHz-Band mit eingebettetem Mikrocontroller sorgen hier für Abhilfe. Sogar bei neuartigen Fahrzeug-Zugangsanwendungen mit NF-Annäherungs- und Türöffnerfunktion auf 125-kHz-Basis ermöglichen die UHF-Empfänger ATA578x [1] und Transceiver-ICs ATA583x [2] kombiniert mit Atmels NF-Bauteilen eine Verringerung der Stromaufnahme. Die genannten UHF-Empfänger bzw. -Transceiver verwenden einen integrierten 8-bit-AVR-Mikrocontroller für die UHF-Empfangssteuerung und die Datenverarbeitung beim Senden und Empfangen. Einige Derivate dieser Bausteine enthalten neben der ROM-Firmware auch integrierten Flash-Speicher für die Implementierung individueller Anwendungen. Die Konfigurationsdaten aller Bauteile werden im internen EEPROM gespeichert. Als Sender oder Transceiver finden die intelligenten ICs im Funkschlüssel Anwendung, als Empfänger oder Transceiver im BCM-Modul. Dieser Artikel konzentriert sich auf das zweite Anwendungsgebiet.

Zur Steuerung des BCM wird üblicherweise ein 32-bit-Mikrocontroller (MCU) mit eingebettetem Speicher verwendet. Bei einem BCM ist der UHF-Empfänger immer eingeschaltet und sucht im Abfragebetrieb (Polling-Modus) nach einem HF-Signal des zugehörigen Funkschlüssels. Die auch als Remote Keyless Entry (RKE) bekannte Funktion entriegelt die Fahrzeugtüren, sobald ein gültiges Schlüsselsignal erkannt wurde. Darüber hinaus kann der UHF-Empfänger auch nach Datentelegrammen suchen, die von den Reifendrucksensoren eines Tire Pressure Monitoring System (TPMS) ausgesendet werden.

Bild 1 zeigt ein BCM mit den typischen Funktionen und Schnittstellen zu anderen Fahrzeug-Modulen, für die CAN- und/oder LIN-Busse verwendet werden. Der Empfänger ist direkt mit dem Mikrocontroller verbunden, um diesen zu aktivieren, wenn er das Signal eines Schlüssels erkennt.

Stromaufnahme bei herkömmlichen BCM Wie in Bild 1 dargestellt, reagiert der UHF-Empfänger auf zwei HF-Signale: das RKE-Signal vom Funkschlüssel zum Öffnen der Fahrzeugtüren und das TPMS-Reifendrucksignal der vier Fahrzeugreifen. Bei der RKE-Funktion wird das Signal von einem Funkschlüssel nur dann ausgesendet, wenn der Fahrer das Aufschließen des Fahrzeugs anfordert. In TPMS-Anwendungen wird das Signal dagegen in regelmäßigen Zeitabständen empfangen, wobei der Intervall-Abstand vom Status des Fahrzeugs abhängt. Wenn das Fahrzeug sich bewegt, werden die TPMS-Signale häufiger gesendet als bei einem geparkten Fahrzeug. Das TPMS-Signal wird als eine Folge mehrerer Datentelegramme ausgesendet, um sicherzustellen, dass das BCM zumindest einige der Datentelegramme empfängt, um den Stand des Reifendrucks zu überprüfen. Der kritische Parameter während der Polling-Aktivität des UHF-Empfängers ist die Stromaufnahme des gesamten BCM-Systems. Ist das Fahrzeug verriegelt und geparkt, befindet sich das BCM im Schlafmodus (Power-Down-Modus), in dem nur der UHF-Empfänger nach einem HF-Signal sucht. Sobald der Empfänger ein HF-Signal mit den richtigen Übertragungsparametern erkennt, aktiviert er das BCM. Das wiederum prüft, ob das Datentelegramm gültig ist, und entriegelt die Türen, andernfalls kehrt es in den Schlafmodus zurück. Die Verarbeitung falscher Telegramme treibt die Gesamtstromaufnahme in unerwünschte Höhen. Die Anzahl erkannter falscher Telegramme ist dabei abhängig von der HF-Aktivität in der Umgebung des geparkten Fahrzeugs. Wenn das Fahrzeug beispielsweise auf dem Parkplatz eines Supermarktes oder eines Autohändlers steht, ist sie deutlich höher als auf einem abgelegenen Stellplatz.

Die Stromaufnahme eines typischen BCM mit Standard-UHF-Empfänger ist in Bild 2 im zeitlichen Verlauf dargestellt. Einschließlich UHF-Empfänger beträgt sie im Schlafmodus (ISBCM ) 2 mA. Im aktiven Modus des UHF-Empfängers (IaUHF) steigt der Wert auf 10 mA. Wird zusätzlich auch das BCM aktiviert, fließen sogar 150 mA. Die Polling-Zykluszeit Tpoll beträgt dabei jeweils 20 ms. Während sich das BCM im Schlafmodus befindet, arbeitet der UHF-Empfänger im Polling-Modus (siehe „1“, „2“ und „3“ in Bild 2), in dem der Empfänger alle 20 ms zwischen Wartemodus und aktivem Modus umschaltet. Je nach Konfiguration tastet er einen oder mehrere UHF-Kanäle auf ein gültiges Datentelegramm ab. Bild 2 zeigt das Abtasten von drei Kanälen („1“, „2“ und „3“). Diese Konfiguration bestimmt hauptsächlich den Polling-Strom, d.h. den mittleren Strombedarf des UHF-Empfängers. Erkennt der Empfänger ein passendes Datentelegramm, so wird das BCM aktiviert (siehe „A“ und „B“ in Bild 2), womit sich die Stromaufnahme deutlich erhöht. Hat es kein gültiges Datentelegramm erkannt, schaltet das BCM in den Schlafmodus zurück („A“) und das Polling wird fortgesetzt, andernfalls bleibt das BCM aktiv („B“).

Verringerung der Stromaufnahme

Autohersteller definieren als eine der Hauptanforderungen an BCMs die geringe Stromaufnahme im Schlafmodus. Um diese Anforderung zu erfüllen, muss das Aktivieren des BCM durch falsche Telegramme vermieden werden. Eine Möglichkeit besteht darin, die Datenüberprüfung dem Empfänger zu übertragen, denn die Stromaufnahme des aktiven UHF-Empfänger-ICs ist ungefähr zehn- bis fünfzehnmal geringer als der des aktiven BCM. Dank des integrierten 8-bit-AVR-Mikrocontrollers sowie des programmierbaren Flash-Speichers kann ein solches IC eine Vielzahl von Aufgaben übernehmen. Dazu gehören etwa

  • das Erweitern der ROM-Firmware durch zusätzliche Steuerungsfunktionen für den UHF-Empfang (dies erlaubt es, erweiterte Daten-Protokolle zu implementieren),
  • das Ausführen von Daten-Vor- oder -Nachbearbeitung (z.B. AES-Datenverschlüsselung und Entschlüsselung),
  • das Durchführen von Steuerfunktionen (z.B. das Aufwecken des BCM-Microcontrollers, sobald die empfangenen Daten gesammelt und validiert wurden),
  • das Durchführen zusätzlicher Steuerfunktionen für externe Bauteile (z.B. das Verwenden der „General Purpose Input/Output“-Signale des UHF-Empfängers),
  • das Hinzufügen von Daten-Protokollen als Software-Funktion (z.B. des TWI-Protokolls für externe Bauteile).

Wie sich der Stromverbrauch mit einem intelligenten UHF-Empfänger im Vergleich zu der in Bild 2 dargestellten herkömmlichen Lösung reduzieren lässt, zeigt Bild 3. Dort ist der Stromverlauf eines Systems aufgetragen, bei dem der UHF-Empfänger die Datenvorverarbeitung vom BCM übernimmt. Hier überprüft der Empfänger die Datenpakete (siehe „A“ und „B“ in Bild 3). Falls das Datenpaket „A“ ungültig ist, kehrt der UHF-Empfänger in den Polling-Modus zurück, ohne den Mikrocontroller zu aktivieren. Wenn ein gültiges Datenpaket „B“ erkannt wurde, wird der MCU aktiviert, um die Türen zu öffnen und die anderen Module aufzuwecken, die an den CAN- und LIN-Bus angeschlossen sind. Bei diesem Verfahren werden falsche Telegramme schon im Vorfeld erkannt, und die verbrauchsintensive Aktivierung des BCM-Mikrocontrollers reduziert sich auf die wirklich benötigten Fälle.