智能車路協(xié)同系統(tǒng)的休眠喚醒設計和實現(xiàn)

陳辰　陳曉韋　楊開欣　董海博　郭謹瑋

摘要：隨著車聯(lián)網技術的發(fā)展，智能車路協(xié)同設備應運而生。為了減少車輛蓄電池無謂的消耗，防止電池過度放電，該文對第一代的智能車路協(xié)同設備進行重新設計升級，實現(xiàn)車載單元根據(jù)發(fā)動機狀態(tài)自動休眠和喚醒。設計升級涉及硬件和軟件兩個方面，硬件上添加CAN設備供電電路和CAN收發(fā)器進行升級，軟件上構建控制CAN收發(fā)器工作模式的控制策略和控制方法。 此休眠喚醒電路經過測試成功用到智能車載單元上。

關鍵詞：車聯(lián)網；智能車路協(xié)同；休眠和喚醒；CAN總線

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）27-0099-03

1 概述

隨著科技的進步，經濟的發(fā)展，汽車保有量持續(xù)增加。汽車數(shù)量的激增，加重了城市道路的負擔，許多城市道路承載量達到飽和，依靠傳統(tǒng)的交通管理方式很難解決日益突出的出行效率、交通安全、環(huán)境污染等問題。車聯(lián)網是現(xiàn)代制造行業(yè)和互聯(lián)網、物聯(lián)網、云計算、大數(shù)據(jù)相結合發(fā)展的產物，是物聯(lián)網技術在交通領域的典型應用之一[1]。車聯(lián)網的出現(xiàn)為解決交通安全問題提供了新思路新技術。車聯(lián)網旨在借助信息通信技術，實現(xiàn)車內各種設備間、車與車之間，車與人之間、車與基礎設施之間、車與互聯(lián)網云平臺之間全方位的網絡連接，提升汽車智能化水平，實現(xiàn)人、車、物、環(huán)境的和諧統(tǒng)一，從而提高交通出行效率，改善駕乘環(huán)境，為大家提供安全、舒適、節(jié)能、高效的服務。智能車路協(xié)同系統(tǒng)是車聯(lián)網技術的應用，是基于無線通信、傳感檢測等技術獲取車輛和行駛道路的基本信息，實現(xiàn)車輛和基礎設施之間智能協(xié)同和配合，達到優(yōu)化利用系統(tǒng)資源，緩解交通擁堵的目標[2-3]。

本文設計的智能車路協(xié)同系統(tǒng)，利用ZigBee協(xié)議的優(yōu)點實現(xiàn)車輛和基礎設施之間信息交互。第一代智能車路協(xié)同系統(tǒng)中車載設備需要外置機械開關控制設備工作與否，這樣額外增加了駕駛員負擔。為了解決這一問題，在第二代車路協(xié)同系統(tǒng)中車載設備通過車輛OBD接口接入，車載設備通過CAN 總線[4]獲取車輛發(fā)動機狀態(tài)，根據(jù)發(fā)動機狀態(tài)實現(xiàn)自動休眠和喚醒。由于車輛OBD接口上的電源是直接接到汽車蓄電池的，為了防止在車載設備使用過程中車輛蓄電池過度放電，在智能車載設備上添加電平監(jiān)測模塊，一旦電瓶電量異常，立刻斷電。

2 系統(tǒng)總體設計

整個智能車路協(xié)同設備包括智能車載單元和智能路側單元，系統(tǒng)圖見圖1，本次主要是對車載單元進行優(yōu)化升級。整個車載單元作為汽車CAN總線的一個支路節(jié)點設備，實現(xiàn)和車輛CAN總線通信，從而獲取車輛的運行狀態(tài)。根據(jù)車輛的運行狀態(tài)控制車載單元的工作模式，實現(xiàn)車載單元的休眠和喚醒。

設計帶有CAN通信接口的節(jié)點設備有兩種方法，一種是使用獨立的CAN總線控制器芯片，另一種是使用帶有CAN總線控制模塊的嵌入式微控制器。后者使整個電路結構更加簡單，使用方便。本文設計的智能車載單元就是選擇帶有CAN 控制模塊的微控制器作為車載單元的CPU。因為CAN 總線電平不能直接接到微控制器端，為了實現(xiàn)微控制器和OBD接口上的CAN 總線通信，降低設備對CAN 總線上其他設備的干擾，還需要CAN 收發(fā)器。本文采用的CAN 收發(fā)器是帶有遠程喚醒功能的CAN 收發(fā)器。車載終端CAN 總線網絡拓撲結構見圖2。車載設備除了CAN收發(fā)電路模塊外還有電源控制模塊，無線傳輸模塊，電源監(jiān)測模塊等，見圖3智能車載設備電路框圖。

3 硬件電路設計

車載設備終端休眠和喚醒電路硬件上主要涉及電源轉換部分和CAN總線收發(fā)電路兩部分，軟件上設計微控制器的控制策略等。

3.1 電源轉換模塊

乘用車上一般使用12V的電源系統(tǒng)，蓄電池的電壓范圍一般為9～15V，而車載終端中選擇的微控制器的供電電壓為3.3V，輸入輸出管腳的耐受電壓為3.3～5V，在CAN收發(fā)電路中CAN收發(fā)器芯片正常工作時的供電電壓是5V，所以需要電源轉換模塊將12V 的電壓轉換成微控制器和CAN收發(fā)器所需要的電壓。根據(jù)這一要求設計了12V轉5V 的DC-DC電源轉換電路和12V 轉3.3V 的電源轉換電路，原理圖見圖4。電源轉換IC均采用車規(guī)級的帶有輸出使能控制功能的TPS5430。TPS5430規(guī)格書[5]中提到當此IC的ENA管腳接高電平或懸空的時候，IC可以正常輸出電壓，當接低電平的時候，停止對外輸出電壓。因此通過控制ENA管腳就可以達到電源的導通和關閉。在本次休眠喚醒設計電路中，就是使用電源轉換芯片的ENA管腳控制電源的開啟關閉降低車載單元功耗的。

3.2 CAN 收發(fā)電路

CAN遵循ISO/OSI參考模型，分數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。根據(jù)ISO88002-2和ISO8802-3，數(shù)據(jù)鏈路層進一步細分為邏輯鏈路控制（LLC）和介質訪問控制（MAC）；物理層進一步細分為物理信令（PLS，位編碼、定時、同步），物理介質附件（PMA，驅動器/接收器特性）和介質附屬接口（MDI，連接器）[4]。數(shù)據(jù)鏈路層和物理信令層之間的鏈接是通過CAN 控制器實現(xiàn)的。物理介質附件是協(xié)議控制器和物理線路之間的接口。在車載設備中，CAN 收發(fā)器選擇的是車規(guī)級的恩智浦公司生產的TJA1043，電路原理圖見圖5。TJA1043規(guī)格書[6]中說明第7管腳INH可以用來控制外部電源轉換電路的通斷。當TJA1043芯片正常工作時，INH管腳輸出高電平；當TJA1043芯片休眠時，INH管腳輸出低電平。為了降低車載設備的功耗，此管腳可以用來控制電源轉換電路的導通和關閉。

3.3 車載設備休眠喚醒控制策略

車載設備中使用的CAN收發(fā)器TJA1043有三種工作模式，分別是正常模式、待機模式和休眠模式。休眠模式是功耗最低的模式。通過控制芯片的STB和EN 管腳可以使芯片進入休眠模式。TJA1043有遠程喚醒和本地喚醒的功能。本地喚醒通過控制WAKE管腳實現(xiàn)，遠程喚醒通過接收滿足特定規(guī)則的CAN 報文實現(xiàn)。

休眠模式控制策略為當微控制器在一段時間內接收不到CAN 報文時，便通過GPIO 控制CAN收發(fā)器的STB_N管腳使CAN收發(fā)器進入休眠狀態(tài)。當CAN收發(fā)器進入休眠狀態(tài)后，INH管腳由高電平變成高阻態(tài)，3.3V電源轉換電路關閉，由于微控制器使用3.3伏電壓供電，因此此時微控制器也關閉，整個設備的功耗達到最低。判斷是否一段時間內沒有接收到報文時通過報文接收標志實現(xiàn)的，微控制器程序初始化時將CAN報文接收標志設置為0，代表沒有接收到報文。當接收到CAN 報文時，將此標志置1。通過判斷一段時間內此接收標志是否變化就可以判斷是否接收到了報文，沒有接收到報文就將STB_N管腳拉低，是CAN收發(fā)器進入休眠模式。

喚醒模式控制策略為當收發(fā)器的VBAT管腳電平滿足要求，總線上出現(xiàn)特定的CAN報文后，CAN 收發(fā)器TJA1043將會被喚醒，INH管腳出現(xiàn)高電平，由此管腳控制的電源轉換電路開始工作，3.3伏供電恢復，微控制器開始工作。一旦微控制器開始工作便將TJA1043的STB_N管腳置位1，TJA1043變?yōu)檎９ぷ髂Ｊ?。整個車載終端進入正常工作模式。為了保證CAN 收發(fā)器TJA1043被正常喚醒，所以此芯片的VBAT管腳要接電池電壓。整個車載終端的休眠和喚醒控制策略見圖6。

4 結束語

本文系統(tǒng)地介紹了智能車路協(xié)同設備中車載單元的休眠和喚醒功能。減少了由于第一代車載設備的機械開關給駕駛員帶來的負擔，使車載設備能夠根據(jù)車輛的運動狀態(tài)自動喚醒和休眠。減少了傳統(tǒng)車載設備對蓄電池的消耗。本文設計的硬件電路采用的均為大品牌的常規(guī)級的電子元器件，穩(wěn)定性高，易于更換。此控制電路和控制策略能夠擴展到其他智能車載設備應用平臺，為車聯(lián)網設備的發(fā)展提供了一定的技術基礎。

參考文獻：

[1] 王建強，吳辰文，李曉軍.車聯(lián)網架構與關鍵技術研究[J].微計算機信息，2011，27（4）：156-158.

[2] 陳超，呂植勇，付姍姍，等.國內外車路協(xié)同系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J].交通信息與安全，2011，29（1）：102-105.

[3] 羅亮紅.基于ZigBee的車路協(xié)同關鍵技術研究[D].廣州：華南理工大學，2010.

[4] 羅峰，孫澤昌.汽車CAN總線系統(tǒng)原理、設計與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.

[通聯(lián)編輯：朱寶貴]