汽車CAN節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

作者 / 馬建輝1,2,3 張?jiān)?,2,3 胡代榮1,2,3 孫常青1,2,3 1、齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)(山東 濟(jì)南 250353) 2、山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所(山東 濟(jì)南 250014) 3、山東省汽車電子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(山東 濟(jì)南 250014)

　　*基金項(xiàng)目：山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(重大關(guān)鍵技術(shù))(編號(hào)：2016ZDJS03A04);山東省科學(xué)院創(chuàng)新工程專項(xiàng)《純電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用》;山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(編號(hào)：2016GGC01023)

　　馬建輝(1983-)，男，助理研究員，研究方向：嵌入式及汽車電子。

摘要：滿足OSEK NM規(guī)范的CAN節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠后，一方面可以被本地喚醒信號(hào)喚醒，另一方面可以被總線上的有效顯性位喚醒，當(dāng)本地喚醒信號(hào)的濾波電路濾除不掉雜波時(shí)，本地喚醒信號(hào)線上的雜波會(huì)喚醒本地CAN節(jié)點(diǎn)。當(dāng)CAN物理層收發(fā)器電路濾除不掉總線上的毛刺時(shí)，總線毛刺也會(huì)喚醒CAN節(jié)點(diǎn)。為了防止CAN節(jié)點(diǎn)被錯(cuò)誤喚醒，通過設(shè)計(jì)臨時(shí)喚醒模式和喚醒確認(rèn)模式，判斷是否存在有效的本地喚醒條件或CAN報(bào)文，避免了CAN節(jié)點(diǎn)被誤喚醒進(jìn)而喚醒，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，從而大大增加整車電流消耗的問題。

0 引言

　　隨著汽車功能和電子電氣系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，常電供電節(jié)點(diǎn)也越來(lái)越多?，F(xiàn)代汽車CAN網(wǎng)絡(luò)大多遵循OSEK直接網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議實(shí)現(xiàn)常電供電CAN節(jié)點(diǎn)的休眠和喚醒功能^[1]。根據(jù)OSEK直接網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，所有常電供電CAN節(jié)點(diǎn)都滿足休眠條件后，整個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)同進(jìn)入睡眠狀態(tài)，當(dāng)某個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)被本地喚醒條件喚醒后，它將向CAN網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送ALIVE報(bào)文喚醒整個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)^[2]，其它CAN節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到CAN網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)有效的顯性位時(shí)，CAN物理層收發(fā)器向CAN控制器的接收腳輸出一個(gè)下拉脈沖，喚醒MCU和CAN節(jié)點(diǎn)，然后，被喚醒的CAN節(jié)點(diǎn)向總線上發(fā)送ALIVE報(bào)文，這些節(jié)點(diǎn)通過ALIVE報(bào)文完成網(wǎng)絡(luò)建環(huán)。一般情況下，整車靜態(tài)電流一般為喚醒狀態(tài)下的幾十分之一，甚至幾百分之一。

　　在一個(gè)實(shí)現(xiàn)了OSEK直接網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范的CAN網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入休眠狀態(tài)后，CAN節(jié)點(diǎn)一方面可以被本地喚醒^[3](一般為開關(guān)信號(hào))，一方面可以被總線喚醒?？偩€物理層收發(fā)器及其外圍電路具備濾波功能，當(dāng)總線上出現(xiàn)比較短的毛刺時(shí)，總線物理層收發(fā)器會(huì)過濾掉該毛刺，但是，由于CAN物理層規(guī)范對(duì)CAN信號(hào)的上升沿和下降沿有一定要求，它能過濾掉的雜波一般都只是微秒級(jí)，當(dāng)總線上出現(xiàn)時(shí)間長(zhǎng)度比較寬的毛刺時(shí)，物理層收發(fā)器便會(huì)在MCU的CAN控制器的接收引腳上產(chǎn)生一個(gè)低有效電平，這樣，該CAN節(jié)點(diǎn)便會(huì)被喚醒，根據(jù)直接網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范，除了自身被喚醒之外，它還會(huì)通過ALIVE報(bào)文喚醒其它CAN節(jié)點(diǎn)，使得整個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)退出休眠狀態(tài)，使得整車的電流消耗比休眠狀態(tài)下的整車靜態(tài)電流大幾十倍，甚至上百倍，不僅大大增加了整車的電流消耗，還可能會(huì)造成蓄電池虧電無(wú)法啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的情形^[4]。本地喚醒條件也有類似的誤喚醒問題。

　　為了保證CAN節(jié)點(diǎn)不會(huì)被本地喚醒信號(hào)或者CAN信號(hào)誤喚醒，本文設(shè)計(jì)了一種方法，只有在確實(shí)滿足本地喚醒條件的情況下，或者總線上確實(shí)存在有效報(bào)文的條件下，節(jié)點(diǎn)才會(huì)被喚醒^[5]。

1 方案設(shè)計(jì)

　　為CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)四種工作模式：?jiǎn)拘涯Ｊ?、休眠模式、臨時(shí)喚醒模式^[6]和喚醒確認(rèn)模式。其中，喚醒模式為正常工作模式，CAN節(jié)點(diǎn)電流消耗最大。休眠模式、臨時(shí)喚醒模式和喚醒確認(rèn)模式為低功耗模式，其中，休眠模式下的電流消耗最小。CAN節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)電流是指CAN節(jié)點(diǎn)在低功耗模式下的電流消耗^[7]，即在休眠模式、臨時(shí)喚醒模式和喚醒確認(rèn)模式下的平均電流消耗。四種工作模式跳轉(zhuǎn)如圖1所示。

　　CAN節(jié)點(diǎn)上電后自動(dòng)進(jìn)入喚醒模式，并在休眠條件不滿足的情況下保持喚醒模式。CAN節(jié)點(diǎn)滿足本地休眠條件且整個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)同休眠后，CAN節(jié)點(diǎn)禁能CAN收發(fā)器和控制器_[8]，設(shè)置喚醒源，然后進(jìn)入休眠模式。

　　為了保證本地喚醒信號(hào)線上的雜波不會(huì)誤喚醒CAN節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入休眠模式時(shí)只設(shè)置兩個(gè)喚醒源——CAN信號(hào)和內(nèi)部定時(shí)器。其中，CAN喚醒源能夠保證當(dāng)CAN總線上出現(xiàn)一個(gè)有效的顯性位時(shí)，CAN節(jié)點(diǎn)會(huì)馬上喚醒，內(nèi)部定時(shí)器喚醒源定時(shí)值記為T_sleep，能夠保證CAN節(jié)點(diǎn)被周期喚醒。

　　臨時(shí)喚醒模式保持時(shí)間為T_tempwake，在臨時(shí)喚醒模式中輪詢本地喚醒條件，不僅可以避免本地喚醒信號(hào)線的雜波喚醒MCU，減少了MCU的喚醒次數(shù)，降低了靜態(tài)電流，還降低了對(duì)MCU喚醒中斷引腳的需求。

　　T_sleep和Tt_empwake時(shí)間根據(jù)CAN節(jié)點(diǎn)靜態(tài)電流約束條件和本地喚醒時(shí)間定義，為了保證功能的實(shí)時(shí)性，出現(xiàn)本地喚醒后，CAN節(jié)點(diǎn)要在一定的時(shí)間內(nèi)向CAN網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送ALIVE報(bào)文喚醒其它節(jié)點(diǎn)，T_sleep越大，本地喚醒時(shí)間越長(zhǎng)，T_sleep和T_tempwake的比值越大，CAN節(jié)點(diǎn)靜態(tài)電流越小。

2 喚醒算法設(shè)計(jì)

　　為了保證CAN節(jié)點(diǎn)不被總線毛刺和本地喚醒信號(hào)毛刺誤喚醒，設(shè)計(jì)了臨時(shí)喚醒模式和喚醒確認(rèn)模式。在臨時(shí)喚醒模式下，CAN節(jié)點(diǎn)輪詢CAN控制器標(biāo)志位和本地喚醒信號(hào)電平，在喚醒確認(rèn)模式下，CAN節(jié)點(diǎn)查詢CAN報(bào)文接收和本地喚醒條件是否有效。喚醒算法流程如圖2所示。

　　當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠后，CAN信號(hào)或者內(nèi)部定時(shí)器臨時(shí)喚醒節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入臨時(shí)喚醒模式，臨時(shí)喚醒模式保持時(shí)間為T_tempwake，在臨時(shí)喚醒模式期間輪詢CAN控制器的喚醒狀態(tài)位和本地喚醒信號(hào)的電平，如果CAN控制器喚醒狀態(tài)位和本地喚醒信號(hào)電平一直無(wú)效，T_tempwake后CAN節(jié)點(diǎn)再次進(jìn)入休眠模式。如果CAN控制器喚醒狀態(tài)位有效或者本地喚醒信號(hào)電平有效，進(jìn)入喚醒確認(rèn)模式。

　　在喚醒確認(rèn)模式中，如果CAN控制器喚醒標(biāo)志位有效，使能CAN物理層收發(fā)器和CAN控制器，根據(jù)該CAN網(wǎng)絡(luò)的波特率，設(shè)定一定的濾波時(shí)間(記為T_filter)，檢查該段時(shí)間以內(nèi)是否接收到CAN報(bào)文，如果接收到，說明這是有效的CAN報(bào)文喚醒，CAN節(jié)點(diǎn)進(jìn)入喚醒模式，如果沒有收到，說明CAN節(jié)點(diǎn)是被總線上的毛刺喚醒的，這時(shí)，節(jié)點(diǎn)返回休眠模式。在喚醒確認(rèn)模式中，如果本地喚醒信號(hào)有效，以2 ms為周期，連續(xù)檢測(cè)三次本地喚醒信號(hào)電平，如果均有效，進(jìn)入喚醒模式。否則，節(jié)點(diǎn)返回休眠模式。

　　T_filter根據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)的波特率確定，根據(jù)CAN協(xié)議，CAN報(bào)文數(shù)據(jù)場(chǎng)的最大長(zhǎng)度為8字節(jié)，一條數(shù)據(jù)場(chǎng)長(zhǎng)度為8字節(jié)的CAN報(bào)文包含108個(gè)總線位，根據(jù)波特率可以計(jì)算出報(bào)文數(shù)據(jù)場(chǎng)長(zhǎng)度為8字節(jié)的CAN報(bào)文的時(shí)長(zhǎng)，T_filter設(shè)置為最大CAN報(bào)文時(shí)長(zhǎng)的2倍左右。汽車CAN網(wǎng)絡(luò)的波特率有500 kbps、250 kbps、125 kbps三種，具體而言：

　　波特率為500 kbps時(shí)，CAN報(bào)文最大時(shí)長(zhǎng)為0.216 ms，T_filter設(shè)置為0.5 ms;

　　波特率為250 kbps時(shí)，CAN報(bào)文最大時(shí)長(zhǎng)為0.432 ms，T_filter設(shè)置為1 ms;

　　波特率為125 kbps時(shí)，CAN報(bào)文最大時(shí)長(zhǎng)為0.864 ms，T_filter設(shè)置為2 ms。

3 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一種汽車CAN節(jié)點(diǎn)的低功耗方案，通過設(shè)置喚醒確認(rèn)模式，區(qū)分有效的CAN報(bào)文和總線毛刺，區(qū)分有效的本地喚醒條件和信號(hào)毛刺，避免了誤喚醒。根據(jù)CAN網(wǎng)絡(luò)的波特率確定CAN報(bào)文濾波時(shí)間，避免了無(wú)效等待。本方法應(yīng)用在為某車型設(shè)計(jì)的PEPS中，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第3期第42頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。