ETC设备耗电故障分析与改善

周立伟

关键词：ETC设备

背景描述

2016年初，市场反馈X省发货的ETC设备显示电压低或不开机，设备版本号：V4.00.13. 01;依经验判断，正常设备使用前放置1年应该不会出现电压低或不开机问题，初步断定此现象为是锂电池掉电。

原因分析

取回故障样品分析，未发现有人为损坏迹象，统一对PCBA静态电流测试，均在正常值范围内（lOuA以内），未复现故障现象，故考虑以下几方面进行逐一进行分析：

人整个生产线发卡线的人员稳定而且过程中不接触设备内部（暂不考虑）

机：分析前生产、测试设备均进行了校验，未发现设备参数偏离;

料：锂电池的制造工艺对于电池性能可能会有较大影响;

法：硬件电路设计问题、软件版本应用问题;

环：使用环境的变化也会对产品存在风险;

X省ETC设备用户使用时间最早为2015年11月份，此时已进入冬季，环境温度在10℃左右，后续考虑的环境实验也以此温度作为实验标准。

一、原材料一锂电池影响分析

锂电池为PCBA供电，若锂电池自身内阻较大，自放电过快，太阳能电池板的供电能力赶不上电池的自耗电，会导致ETC设备无电或者电压低，从以下几个实验验证此问题，

1.故障PCBA拆卸的铿电池与正常电池做常温充电，低温放电，充放电对比试验，对比结果显示，两者未见明显异常;

2.锂电池内阻≤200 mΩ，常温与低温测试，内阻低温较常温时会增大约30～40mΩ，后期温度恒定后，内阻恒定，满足标准要求;

3.故障PCBA拆卸锂电池充满电后进行低温20℃插卡待机实验，低温环境未出现耗电较快，未发现异常故障问题;

综上，暂时排除锂电池对ETC设备耗电过快的影响。

二、软件版本与使用环境影响分析

是否因周围环境影响而误唤醒【唤醒可理解为设备启动】，进而影响到匹配14K信号或数据解码阶段。ETC设备出货版本软件为1.O，现场发卡后，为用户升级为上路版本1.1;

（1）不同频点14K唤醒测试

ETC设备在2.4G、2.6G、3G及4G以上频段有不同程度的误唤醒

（2）考虑最终用户进行蓝牙通讯时是否会误唤醒标签;1.O版本下，蓝牙耳机紧贴C3标签时，会误唤醒离开≥15cm时，无误唤醒1.1版本下，蓝牙耳机紧贴C3&D2标签时，不会误唤醒;离开一定距离，亦不会误唤醒。

（3）下载测试版本，通过当地实际跑车测试探查是否出现误唤醒现象经测，确实有部分行驶区域使ETC设备出現连续误唤醒情况发生。

综上，ETC设备使用的1.1版本，蓝牙通讯基本不会误唤醒，但不排除业主实际环境【使用其他电子设备】对标签造成误唤醒的干扰。

三、电路设计影响

硬件方面：优先测试故障PCBA的静态电流，排除是否因为PCBA自耗电过大而导致的耗电过快。

1.检测常温及低温状态的故障PCBA静态电流;

常温25℃插卡PCBA静态电流5.8uA，低温10℃插卡静态电流为5.luA，同时测试低温交易电流，未见异常。

2.VAT测试

对市场退回的88pcs故障标签进行VAT测试，其中有5pcs静态电流过大且伴有唤醒失败的现象，静态电流会出现uA到mA的跳变，我们推测此现象可能是射频芯片已进入到数据解码阶段，用示波器观察WKOUT（唤醒中断信号）。

在未给ETC设备任何中断信号的情况下，WKOUT管脚输出杂乱波形。其中WKOUT有中断信号输出给到单片机MCU，单片机响应中断，使得ET_CS（射频芯片使能管脚）被拉高，射频芯片进入匹配14K阶段，但实际并未给出ETC设备14K唤醒信号，射频芯片未匹配到14K，ET_CS使能管脚被拉低，WKOUT管脚继续输出杂乱波形，周而复始，对应电流从uA到mA不断跳变;

3.MCU对射频芯片配置分析

进行射频芯片和MCU交叉实验，发现问题出现在MCU上;分别对良品和故障PCBA的MCU配置射频芯片初始化SPI总线，具体量测ET_CS，ET_SCLK，ET_SDIN及WKOUT管脚'用示波器抓取波形，并根据波形读出每次配置的数据。

发现MCU配置2次RF芯片，第一次为RF INIT（射频初始化），初始化5个寄存器，第二次配置为写入定标数据（唤醒灵敏度定标值），良品与故障PCBA对比，2次配置均正确，说明MCU对RF芯片进行了正确配置;

通过配置数据比对，发现故障PCBA灵敏度数据写入FLASH中的均为高唤醒灵敏度0304，而良品PCBA灵敏度数据代码分别为高唤醒灵敏度0304及低唤醒灵敏度0314;我们将故障PCBA降低唤醒灵敏度，反查WKOUT端的输出波形不再有杂乱波形，且静态电流正常。

4.验证试验

发货的ETC设备是否会自动调用高唤醒灵敏度的定标数据，经过VAT测试PASS的市场退回的PCBA提升灵敏度条件下，测试是否也存在此种现象。将lOpcs的PCBA统一配置上路版本1.1，并在软件内存中记录唤醒次数，示波器量测wkout波形后，系统启动后通过软件计数查看唤醒次数，对比高唤醒灵敏度及低唤醒灵敏度配置是否对电量有影响。

试验证明使用高唤醒灵敏度的耗电现象严重，17h每个ETC设备都会自唤醒，多至6086次，耗电0.5V，少至6次亚均耗电0.07V。而低唤醒灵敏度的ETC设备在48h后，仅有一个标签自唤醒1次，其他标签均无自唤醒，跟踪电压，基本无耗电。

综上所述，我们认为RF芯片在没有射频信号的情况下有自激唤醒状态，导致MCU进入数据接收而耗电（高唤醒灵敏度时现象更加明显更甚，X省的ETC设备的软件版本处于高唤醒灵敏度，加剧了自唤醒的情况）。

整改措施

一、通过一系列的排查，X省发货ETC设备耗电过快的原因有以下两点：

1.RF芯片存在自激情况，尤其是在上路后使用高唤醒灵敏度定标值时，导致在没有射频信号的情况下有自激唤醒现象而使标签进入数据接收而耗电;

2.X省现场环境复杂的情况下，也会出现误唤醒现象，导致标签耗电过快。

二、解决方案：

针对此问题，临时解决对策：

1.针对已发货的ETC设备，制作“灵敏度复原卡”，将设备调整至低唤醒灵敏度工作状态，降低出现故障的概率;网点工作人员对发行的ETC设备插入“灵敏度复原卡”。

2.针对已生产未发货的ETC设备，由生产人员操作，oc监督.将“灵敏度复原卡”全部插入ETC设备中，并观测设备状态;

3.针对未生产的ETC设备，研发优化软件版本。

永久的解决对策：

1.软件优化

●硬件上若减少了电源控制开关组的数量，后续软件可以优化上电初始化顺序，避免同一时间打开开关，使得瞬间电流过大。

在测试过程中发现VCC_DISPLAY的电有一次误开情况，后续软件优化可删除此次误开操作。

●测试过程中还发现当对ESAM操作失败后，单片机会执行去激活的动作，将VCC_DISPLAY的电给关掉，VCC_DISPLAY同时也是高频芯片的供电这就造成随后高频读卡因无电而读卡失败，后续软件也可优化。

2.硬件优化

可在后续硬件设计中，在电源控制开关电路中加个对地滤波电容，提高储能能力。

3 .VAT可优化：

VAT测试需要将误唤醒的查验标准从匹配14k变更为沿检验，这样更严格，更利于挑出有潜在问题的PCBA。

经验教训

通过此事件，我们应该对于设备测试过程中的差异性保持高度的警惕，任何一个参数的变化，可能会是一个潜藏的风险，可能会给客户带来巨大的损失。作为研发技术工作者应该时刻以数据说话，对科学需要保持一颗敬畏的心。