汽車(chē)CAN節點(diǎn)的低功耗設計及實(shí)現

作者 / 馬建輝1,2,3 張云1,2,3 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 濟南 250353) 2、山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所(山東 濟南 250014) 3、山東省汽車(chē)電子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室(山東 濟南 250014)

　　*基金項目：山東省重點(diǎn)研發(fā)計劃(重大關(guān)鍵技術(shù))(編號：2016ZDJS03A04);山東省科學(xué)院創(chuàng )新工程專(zhuān)項《純電動(dòng)汽車(chē)關(guān)鍵技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化應用》;山東省重點(diǎn)研發(fā)計劃(編號：2016GGC01023)

　　馬建輝(1983-)，男，助理研究員，研究方向：嵌入式及汽車(chē)電子。

摘要：滿(mǎn)足OSEK NM規范的CAN節點(diǎn)進(jìn)入休眠后，一方面可以被本地喚醒信號喚醒，另一方面可以被總線(xiàn)上的有效顯性位喚醒，當本地喚醒信號的濾波電路濾除不掉雜波時(shí)，本地喚醒信號線(xiàn)上的雜波會(huì )喚醒本地CAN節點(diǎn)。當CAN物理層收發(fā)器電路濾除不掉總線(xiàn)上的毛刺時(shí)，總線(xiàn)毛刺也會(huì )喚醒CAN節點(diǎn)。為了防止CAN節點(diǎn)被錯誤喚醒，通過(guò)設計臨時(shí)喚醒模式和喚醒確認模式，判斷是否存在有效的本地喚醒條件或CAN報文，避免了CAN節點(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(chē)電流消耗的問(wèn)題。

0 引言

　　隨著(zhù)汽車(chē)功能和電子電氣系統越來(lái)越復雜，常電供電節點(diǎn)也越來(lái)越多?，F代汽車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò )大多遵循OSEK直接網(wǎng)絡(luò )管理協(xié)議實(shí)現常電供電CAN節點(diǎn)的休眠和喚醒功能^[1]。根據OSEK直接網(wǎng)絡(luò )管理協(xié)議，所有常電供電CAN節點(diǎn)都滿(mǎn)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)，當某個(gè)CAN節點(diǎn)被本地喚醒條件喚醒后，它將向CAN網(wǎng)絡(luò )上發(fā)送ALIVE報文喚醒整個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò )^[2]，其它CAN節點(diǎn)檢測到CAN網(wǎng)絡(luò )上出現有效的顯性位時(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節點(diǎn)，然后，被喚醒的CAN節點(diǎn)向總線(xiàn)上發(fā)送ALIVE報文，這些節點(diǎn)通過(guò)ALIVE報文完成網(wǎng)絡(luò )建環(huán)。一般情況下，整車(chē)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)現了OSEK直接網(wǎng)絡(luò )管理規范的CAN網(wǎng)絡(luò )中，當CAN網(wǎng)絡(luò )進(jìn)入休眠狀態(tài)后，CAN節點(diǎn)一方面可以被本地喚醒^[3](一般為開(kāi)關(guān)信號)，一方面可以被總線(xiàn)喚醒?？偩€(xiàn)物理層收發(fā)器及其外圍電路具備濾波功能，當總線(xiàn)上出現比較短的毛刺時(shí)，總線(xiàn)物理層收發(fā)器會(huì )過(guò)濾掉該毛刺，但是，由于CAN物理層規范對CAN信號的上升沿和下降沿有一定要求，它能過(guò)濾掉的雜波一般都只是微秒級，當總線(xiàn)上出現時(shí)間長(cháng)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節點(diǎn)便會(huì )被喚醒，根據直接網(wǎng)絡(luò )管理規范，除了自身被喚醒之外，它還會(huì )通過(guò)ALIVE報文喚醒其它CAN節點(diǎn)，使得整個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò )退出休眠狀態(tài)，使得整車(chē)的電流消耗比休眠狀態(tài)下的整車(chē)靜態(tài)電流大幾十倍，甚至上百倍，不僅大大增加了整車(chē)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)機的情形^[4]。本地喚醒條件也有類(lèi)似的誤喚醒問(wèn)題。

　　為了保證CAN節點(diǎn)不會(huì )被本地喚醒信號或者CAN信號誤喚醒，本文設計了一種方法，只有在確實(shí)滿(mǎn)足本地喚醒條件的情況下，或者總線(xiàn)上確實(shí)存在有效報文的條件下，節點(diǎn)才會(huì )被喚醒^[5]。

1 方案設計

　　為CAN節點(diǎn)設計四種工作模式：?jiǎn)拘涯Ｊ?、休眠模式、臨時(shí)喚醒模式^[6]和喚醒確認模式。其中，喚醒模式為正常工作模式，CAN節點(diǎn)電流消耗最大。休眠模式、臨時(shí)喚醒模式和喚醒確認模式為低功耗模式，其中，休眠模式下的電流消耗最小。CAN節點(diǎn)的靜態(tài)電流是指CAN節點(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模式下的平均電流消耗。四種工作模式跳轉如圖1所示。

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

　　為了保證本地喚醒信號線(xiàn)上的雜波不會(huì )誤喚醒CAN節點(diǎn)，進(jìn)入休眠模式時(shí)只設置兩個(gè)喚醒源——CAN信號和內部定時(shí)器。其中，CAN喚醒源能夠保證當CAN總線(xiàn)上出現一個(gè)有效的顯性位時(shí)，CAN節點(diǎn)會(huì )馬上喚醒，內部定時(shí)器喚醒源定時(shí)值記為T(mén)_sleep，能夠保證CAN節點(diǎn)被周期喚醒。

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

　　T_sleep和Tt_empwake時(shí)間根據CAN節點(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，出現本地喚醒后，CAN節點(diǎn)要在一定的時(shí)間內向CAN網(wǎng)絡(luò )上發(fā)送ALIVE報文喚醒其它節點(diǎn)，T_sleep越大，本地喚醒時(shí)間越長(cháng)，T_sleep和T_tempwake的比值越大，CAN節點(diǎn)靜態(tài)電流越小。

2 喚醒算法設計

　　為了保證CAN節點(diǎn)不被總線(xiàn)毛刺和本地喚醒信號毛刺誤喚醒，設計了臨時(shí)喚醒模式和喚醒確認模式。在臨時(shí)喚醒模式下，CAN節點(diǎn)輪詢(xún)CAN控制器標志位和本地喚醒信號電平，在喚醒確認模式下，CAN節點(diǎn)查詢(xún)CAN報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。

　　當節點(diǎn)進(jìn)入休眠后，CAN信號或者內部定時(shí)器臨時(shí)喚醒節點(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(mén)_tempwake，在臨時(shí)喚醒模式期間輪詢(xún)CAN控制器的喚醒狀態(tài)位和本地喚醒信號的電平，如果CAN控制器喚醒狀態(tài)位和本地喚醒信號電平一直無(wú)效，T_tempwake后CAN節點(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電平有效，進(jìn)入喚醒確認模式。

　　在喚醒確認模式中，如果CAN控制器喚醒標志位有效，使能CAN物理層收發(fā)器和CAN控制器，根據該CAN網(wǎng)絡(luò )的波特率，設定一定的濾波時(shí)間(記為T(mén)_filter)，檢查該段時(shí)間以?xún)仁欠窠邮盏紺AN報文，如果接收到，說(shuō)明這是有效的CAN報文喚醒，CAN節點(diǎn)進(jìn)入喚醒模式，如果沒(méi)有收到，說(shuō)明CAN節點(diǎn)是被總線(xiàn)上的毛刺喚醒的，這時(shí)，節點(diǎn)返回休眠模式。在喚醒確認模式中，如果本地喚醒信號有效，以2 ms為周期，連續檢測三次本地喚醒信號電平，如果均有效，進(jìn)入喚醒模式。否則，節點(diǎn)返回休眠模式。

　　T_filter根據總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的波特率確定，根據CAN協(xié)議，CAN報文數據場(chǎng)的最大長(cháng)度為8字節，一條數據場(chǎng)長(cháng)度為8字節的CAN報文包含108個(gè)總線(xiàn)位，根據波特率可以計算出報文數據場(chǎng)長(cháng)度為8字節的CAN報文的時(shí)長(cháng)，T_filter設置為最大CAN報文時(shí)長(cháng)的2倍左右。汽車(chē)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報文最大時(shí)長(cháng)為0.216 ms，T_filter設置為0.5 ms;

　　波特率為250 kbps時(shí)，CAN報文最大時(shí)長(cháng)為0.432 ms，T_filter設置為1 ms;

　　波特率為125 kbps時(shí)，CAN報文最大時(shí)長(cháng)為0.864 ms，T_filter設置為2 ms。

3 結論

　　本文設計了一種汽車(chē)CAN節點(diǎn)的低功耗方案，通過(guò)設置喚醒確認模式，區分有效的CAN報文和總線(xiàn)毛刺，區分有效的本地喚醒條件和信號毛刺，避免了誤喚醒。根據CAN網(wǎng)絡(luò )的波特率確定CAN報文濾波時(shí)間，避免了無(wú)效等待。本方法應用在為某車(chē)型設計的PEPS中，具有較強的實(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(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。