基于CAN喚醒的電子駐車控制器設(shè)計(jì)

劉強(qiáng)　周羽　郭文欣

摘 要：電子駐車控制器GCU采用基于CAN喚醒功能的收發(fā)芯片進(jìn)行低功耗方案設(shè)計(jì)，硬件方案包含單片機(jī)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、CAN通訊模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊。同時(shí)，介紹分析了CAN芯片休眠及喚醒機(jī)制和控制策略。

關(guān)鍵詞：CAN休眠與喚醒；駐車控制器；低功耗

1 引言

隨著能源危機(jī)及環(huán)境污染等問題，20世紀(jì)以來日本及歐洲各大廠商（豐田、大眾、寶馬等）陸續(xù)推出混合動(dòng)力汽車HEV、純電動(dòng)車EV及燃料電池汽車FCV車型。鑒于全球汽車行業(yè)發(fā)展情況，我國(guó)大力主推純電動(dòng)汽車EV車型。由于目前電池技術(shù)限制，純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程普遍較低，所以車輛使用過程中需要盡可能降低電能消耗，以提高整車單次充電使用時(shí)間。

純電動(dòng)汽車電控系統(tǒng)的休眠模式，是指汽車在行駛途中或者熄火一段時(shí)間以后，部分電控單元或整車全部電控單元進(jìn)入低功耗狀態(tài)。電子駐車控制器GCU是純電動(dòng)汽車主動(dòng)安全控制單元之一，用于駐車時(shí)控制駐車電機(jī)作用于鎖止機(jī)構(gòu)將車輪抱死，保證停車的安全可靠。應(yīng)用于純電動(dòng)汽車的電子駐車控制器，與減速器為一個(gè)整體，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙，是一個(gè)獨(dú)立的控制機(jī)構(gòu)。該控制器在非駐車階段不參與整車行駛通訊控制，所以有必要使其進(jìn)入休眠模式，降低整車能耗。

2 總體方案設(shè)計(jì)

電子駐車控制器通過接收整車控制系統(tǒng)VCU指令，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制駐車電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，通過模擬電路采集位置傳感器信號(hào)，從而判斷電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否行進(jìn)到正確位置。該控制器具備檔位信號(hào)監(jiān)控及處理、駐車系統(tǒng)監(jiān)控、過載保護(hù)功能、CAN網(wǎng)絡(luò)通訊、故障診斷等功能，采用高性能的處理器和高穩(wěn)定性的汽車級(jí)電子元器件，配合成熟穩(wěn)定的電路設(shè)計(jì)和豐富全面的電路保護(hù)功能，結(jié)合堅(jiān)固防水的金屬外殼結(jié)構(gòu)，保證駐車控制器能夠在各種惡劣環(huán)境（包括惡劣的電磁干擾環(huán)境和嚴(yán)酷的氣候等外界環(huán)境）中穩(wěn)定運(yùn)行。

該控制器方案設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，主要由電源模塊、MCU單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、模擬輸入、數(shù)字輸出及CAN通信模塊。此處CAN通信模塊具有特定CAN幀喚醒功能和MCU控制休眠待機(jī)功能。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 MCU單片機(jī)控制模塊

MCU是電子駐車控制器電子控制系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理以及所有的邏輯運(yùn)算，并直接影響到控制器電路運(yùn)行的可靠性、成本控制以及控制器的尺寸。本系統(tǒng)采用Freescale公司生產(chǎn)的專業(yè)用于汽車級(jí)的16位 S12G系列芯片，它具有較高的時(shí)鐘頻率25Mhz，集成了PWM驅(qū)動(dòng)及AD采集模塊，兼容CAN2.0B協(xié)議的CAN控制模塊等。

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

控制器通過VNH5019全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用芯片驅(qū)動(dòng)駐車直流有刷電機(jī)。該芯片內(nèi)部集成了4個(gè)NMOS管，具備堵轉(zhuǎn)電流檢測(cè)及過壓過熱保護(hù)等功能，具有成本低、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。MCU通過簡(jiǎn)單的IO口及 PWM 輸出對(duì)VNH5019進(jìn)行操作即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的的正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制。該芯片可檢測(cè)電機(jī)工作電流，通過CS管腳輸出，MCU利用分壓電路采集電壓信號(hào)即可判斷電機(jī)工作電流大小。

3.3 電源轉(zhuǎn)換模塊

電壓轉(zhuǎn)換模塊主要功能是把車載電源12V電壓轉(zhuǎn)換為板內(nèi)主5V電壓，為單片機(jī)及CAN芯片提供電源。電源芯片可采用TI公司TPS7A6150，具備低電壓差線性轉(zhuǎn)換能力，具有電源使能ON/OFF管腳（高電平有效），控制芯片是否輸出5V電源。

電路中IGN點(diǎn)火信號(hào)輸入，由CAN收發(fā)器INH管腳控制導(dǎo)通情況。電源芯片EN使能管腳控制來源有：IGN點(diǎn)火信號(hào)、CAN芯片喚醒后輸出信號(hào)和單片機(jī)GPIO輸出信號(hào)。電源芯片工作狀態(tài)如表1所示：

3.4 CAN通信模塊

3.4.1 CAN收發(fā)模塊介紹

控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）為串行通信協(xié)議，能有效支持具有很高安全級(jí)的分布實(shí)時(shí)控制。CAN的應(yīng)用范圍很廣，從高速的網(wǎng)絡(luò)到低價(jià)位的多路配線都可以使用CAN。在汽車電子行業(yè)里，使用CAN連接發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、傳感器、防滑系統(tǒng)等，其傳輸速度可達(dá)1 Mbit/s。駐車控制器系統(tǒng)需要通過CAN總線與整車控制器進(jìn)行通信。MCU單片機(jī)內(nèi)集成了CAN控制器，系統(tǒng)選擇NXP公司TJA1043作為CAN收發(fā)器，具體的CAN總線接口電路如圖所示。作為差分信號(hào)，使用共模電感大幅減小共模干擾，同時(shí)配合電容濾波和TVS的浪涌泄放，保證了CAN通信的穩(wěn)定性。其中，CAN收發(fā)器正常工作時(shí)INH管腳輸出高電平，休眠時(shí)輸出低電平。

3.4.2 CAN收發(fā)模塊工作模式

CAN芯片TJA1043具有五種工作模式，正常模式Normal mode、待機(jī)模式Standby mode、進(jìn)入休眠模式Go-to-Sleep mode、休眠模式Sleep mode和監(jiān)聽模式Listen-only mode。其中第一檔省電為休眠模式功率消耗最低，INH管腳置于懸空狀態(tài)，電源芯片處于休眠或掉電過程；第二檔省電為待機(jī)模式，INH管腳置于高電平，電源芯片仍處于工作狀態(tài)。芯片管腳、標(biāo)志位及狀態(tài)切換說明見表2。

3.4.3 工作機(jī)制

休眠機(jī)制：駐車控制器一段時(shí)間接收不到特定CAN幀，控制器MCU通過I/O口控制TJA1043芯片管腳STB_N=L和EN=H，經(jīng)過最小保持時(shí)間th后芯片進(jìn)入休眠模式，INH管腳置低。電源芯片使能管腳MCU控制延時(shí)兩秒后置低，停止輸出主5V電源，整個(gè)控制器斷電不再工作。TJA1043進(jìn)入低功耗狀態(tài)，僅由汽車電池對(duì)管腳VBAT提供基礎(chǔ)工作電源。

喚醒機(jī)制：駐車控制器收到特定CAN幀（滿足標(biāo)準(zhǔn)ISO11898-5： 2007要求），TJA1043短時(shí)喚醒，INH管腳置高。電源芯片使能管腳置高，開始輸出主5V電源，MCU進(jìn)入工作狀態(tài)后立即控制TJA1043芯片管腳STB_N=H和EN=H，使TJA1043從休眠模式進(jìn)入待機(jī)模式后開始正常工作。

4 控制策略

駐車控制器MCU軟件開發(fā)采用分層架構(gòu)和協(xié)調(diào)開發(fā)模式，軟件分為底層程序（含芯片驅(qū)動(dòng)、CANbootloader、標(biāo)定功能等）和應(yīng)用層程序（含控制邏輯、故障診斷等）。其中重點(diǎn)介紹駐車控制器整個(gè)休眠與喚醒控制策略流程圖，如圖5所示。

5 結(jié)語

新能源汽車由于整車電量限制，所以電控零部件必須考慮低功耗模式，延長(zhǎng)汽車有效使用里程。駐車控制單元采用CAN喚醒收發(fā)芯片和帶ON/OFF控制的電源芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，非工作時(shí)段整個(gè)單元可進(jìn)入低功耗模式；工作時(shí)段先喚醒CAN芯片，然后激活整個(gè)單元進(jìn)入正常工作模式。

參考文獻(xiàn)：

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