汽車CAN節(jié)點的低功耗設(shè)計及實現(xiàn)

馬建輝 張云 胡代榮 孫常青

摘要：滿足OSEK NM規(guī)范的CAN節(jié)點進入休眠后，一方面可以被本地喚醒信號喚醒，另一方面可以被總線上的有效顯性位喚醒，當(dāng)本地喚醒信號的濾波電路濾除不掉雜波時，本地喚醒信號線上的雜波會喚醒本地CAN節(jié)點。當(dāng)CAN物理層收發(fā)器電路濾除不掉總線上的毛刺時，總線毛刺也會喚醒CAN節(jié)點。為了防止CAN節(jié)點被錯誤喚醒，通過設(shè)計臨時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(jié)點被誤喚醒進而喚醒，整個網(wǎng)絡(luò)，從而大大增加整車電流消耗的問題。

關(guān)鍵詞.OSEk：C.AN節(jié)點；喚醒信號

0 引言

隨著汽車功能和電子電氣系統(tǒng)越來越復(fù)雜，常電供電節(jié)點也越來越多?，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)議實現(xiàn)常電供電CAN節(jié)點的休眠和喚醒功能[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)點都滿足休眠條件后，整個CAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)同進入睡眠狀態(tài)，當(dāng)某個CAN節(jié)點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CAN網(wǎng)絡(luò)[2]，其它CAN節(jié)點檢測到CAN網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)有效的顯性位時，CAN物理層收發(fā)器向CAN控制器的接收腳輸出一個下拉脈沖，喚醒MCU和CAN節(jié)點，然后，被喚醒的CAN節(jié)點向總線上發(fā)送ALIVE報文，這些節(jié)點通過ALIVE報文完成網(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。

在一個實現(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)進入休眠狀態(tài)后，CAN節(jié)點一方面可以被本地喚醒[3]（一般為開關(guān)信號），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，總線物理層收發(fā)器會過濾掉該毛刺，但是，由于CAN物理層規(guī)范對CAN信號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，當(dāng)總線上出現(xiàn)時間長度比較寬的毛刺時，物理層收發(fā)器便會在MCU的CAN控制器的接收引腳上產(chǎn)生一個低有效電平，這樣，該CAN節(jié)點便會被喚醒，根據(jù)直接網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范，除了自身被喚醒之外，它還會通過ALIVE報文喚醒其它CAN節(jié)點，使得整個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，甚至上百信，不僅大大增加了整車的電流消耗，還可能會造成蓄電池虧電無法啟動發(fā)動機的情形[4]。本地喚醒條件也有類似的誤喚醒問題。

為了保證CAN節(jié)點不會被本地喚醒信號或者CAN信號誤喚醒，本文設(shè)計了一種方法，只有在確實滿足本地喚醒條件的情況下，或者總線上確實存在有效報文的條件下，節(jié)點才會被喚醒[5]。

1 方案設(shè)計

為CAN節(jié)點設(shè)計四種工作模式：喚醒模式、休眠模式、臨時喚醒模式[6]和喚醒確認模式。其中，喚醒模式為正常工作模式，CAN節(jié)點電流消耗最大。休眠模式、臨時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(jié)點的靜態(tài)電流是指CAN節(jié)點在低功耗模式下的電流消耗[7]，即在休眠模式、臨時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(zhuǎn)如圖1所示。汽車電子Automotive Electronics

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

為了保證本地喚醒信號線上的雜波不會誤喚醒CAN節(jié)點，進入休眠模式時只設(shè)置兩個喚醒源——CAN信號和內(nèi)部定時器。其中，CAN喚醒源能夠保證當(dāng)CAN總線上出現(xiàn)一個有效的顯性位時，CAN節(jié)點會馬上喚醒，內(nèi)部定時器喚醒源定時值記為Tsleep，能夠保證CAN節(jié)點被周期喚醒。

臨時喚醒模式保持時間為Ttempwake，在臨時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MCU喚醒中斷引腳的需求。

Tsleep和Ttempwake。時間根據(jù)CAN節(jié)點靜態(tài)電流約束條件和本地喚醒時間定義，為了保證功能的實時性，出現(xiàn)本地喚醒后，CAN節(jié)點要在一定的時間內(nèi)向CAN網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送ALIVE報文喚醒其它節(jié)點，Tsleep越大，本地喚醒時間越長，Tsleep和Ttempwake的比值越大，CAN節(jié)點靜態(tài)電流越小。

2 喚醒算法設(shè)計

為了保證CAN節(jié)點不被總線毛刺和本地喚醒信號毛刺誤喚醒，設(shè)計了臨時喚醒模式和喚醒確認模式。在臨時喚醒模式下，CAN節(jié)點輪詢CAN控制器標(biāo)志位和本地喚醒信號電平，在喚醒確認模式下，CAN節(jié)點查詢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(dāng)節(jié)點進入休眠后，CAN信號或者內(nèi)部定時器臨時喚醒節(jié)點，進入臨時喚醒模式，臨時喚醒模式保持時間為Ttempwake，在臨時喚醒模式期間輪詢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效，Ttempwake后CAN節(jié)點再次進入休眠模式。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，進入喚醒確認模式。

在喚醒確認模式中，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)定一定的濾波時間（記為Tfiter），檢查該段時間以內(nèi)是否接收到CAN報文，如果接收到，說明這是有效的CAN報文喚醒，CAN節(jié)點進入喚醒模式，如果沒有收到，說明CAN節(jié)點是被總線上的毛刺喚醒的，這時，節(jié)點返回休眠模式。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(xù)檢測三次本地喚醒信號電平，如果均有效，進入喚醒模式。否則，節(jié)點返回休眠模式。

Tfiliter根據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)的波特率確定，根據(jù)CAN協(xié)議，CAN報文數(shù)據(jù)場的最大長度為8字節(jié)，一條數(shù)據(jù)場長度為8字節(jié)的CAN報文包含108個總線位，根據(jù)波特率可以計算出報文數(shù)據(jù)場長度為8字節(jié)的CAN報文的時長，Tfiiiter設(shè)置為最大CAN報文時長的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，CAN報文最大時長為0.216ms，Tfiliter設(shè)置為0.5 ms；

波特率為250 kbps時，CAN報文最大時長為0.432ms，Tfiliter設(shè)置為1 ms；

波特率為125 kbps時，CAN報文最大時長為0.864ms，Tfiliter設(shè)置為2 ms。

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一種汽車CAN節(jié)點的低功耗方案，通過設(shè)置喚醒確認模式，區(qū)分有效的CAN報文和總線毛刺，區(qū)分有效的本地喚醒條件和信號毛刺，避免了誤喚醒。根據(jù)CAN網(wǎng)絡(luò)的波特率確定CAN報文濾波時間，避免了無效等待。本方法應(yīng)用在為某車型設(shè)計的PEPS中，具有較強的實用性。

參考文獻：

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[3]劉文英，鄒洪波，王東，等一種基于CAN總線的低功耗汽車組合開關(guān)[J]機電工程，2013，（11）：1406-1409，1429

[4]付國良整車靜態(tài)電流設(shè)計及驗證[J]汽車電器2015，（11）：17-19

[5]山東省科學(xué)院自動化研究所一種汽車CAN節(jié)點的低功耗設(shè)計方法中國，201710458567.7 [P].2017-6-16

[6]馬建輝，劉源楊，候冬冬，等汽車BCM的低功耗設(shè)計及實現(xiàn)[J]電子產(chǎn)品世界，2016，（11）：55-56，30

[7]山東省科學(xué)院自動化研究所一種低功耗車身控制器及其控制方法：中國，201510125944.6[P]2015-03-20

[8]初洪超網(wǎng)絡(luò)管理在汽車CAN系統(tǒng)的應(yīng)用[J]汽車實用技術(shù)，2016.（5）：114-118