汽车CAN节点的低功耗设计及实现

作者 / 马建辉1,2,3 张云1,2,3 胡代荣1,2,3 孙常青1,2,3 1、齐鲁工业大学(山东省科学院)(山东 济南 250353) 2、山东省科学院自动化研究所(山东 济南 250014) 3、山东省汽车电子技术重点实验室(山东 济南 250014)

　　*基金项目：山东省重点研发计划(重大关键技术)(编号：2016ZDJS03A04);山东省科学院创新工程专项《纯电动汽车关键技术研究及产业化应用》;山东省重点研发计划(编号：2016GGC01023)

　　马建辉(1983-)，男，助理研究员，研究方向：嵌入式及汽车电子。

摘要：满足OSEK NM规范的CAN节点进入休眠后，一方面可以被本地唤醒信号唤醒，另一方面可以被总线上的有效显性位唤醒，当本地唤醒信号的滤波电路滤除不掉杂波时，本地唤醒信号线上的杂波会唤醒本地CAN节点。当CAN物理层收发器电路滤除不掉总线上的毛刺时，总线毛刺也会唤醒CAN节点。为了防止CAN节点被错误唤醒，通过设计临时唤醒模式和唤醒确认模式，判断是否存在有效的本地唤醒条件或CAN报文，避免了CAN节点被误唤醒进而唤醒，整个网络，从而大大增加整车电流消耗的问题。

0 引言

　　随着汽车功能和电子电气系统越来越复杂，常电供电节点也越来越多。现代汽车CAN网络大多遵循OSEK直接网络管理协议实现常电供电CAN节点的休眠和唤醒功能^[1]。根据OSEK直接网络管理协议，所有常电供电CAN节点都满足休眠条件后，整个CAN网络协同进入睡眠状态，当某个CAN节点被本地唤醒条件唤醒后，它将向CAN网络上发送ALIVE报文唤醒整个CAN网络^[2]，其它CAN节点检测到CAN网络上出现有效的显性位时，CAN物理层收发器向CAN控制器的接收脚输出一个下拉脉冲，唤醒MCU和CAN节点，然后，被唤醒的CAN节点向总线上发送ALIVE报文，这些节点通过ALIVE报文完成网络建环。一般情况下，整车静态电流一般为唤醒状态下的几十分之一，甚至几百分之一。

　　在一个实现了OSEK直接网络管理规范的CAN网络中，当CAN网络进入休眠状态后，CAN节点一方面可以被本地唤醒^[3](一般为开关信号)，一方面可以被总线唤醒。总线物理层收发器及其外围电路具备滤波功能，当总线上出现比较短的毛刺时，总线物理层收发器会过滤掉该毛刺，但是，由于CAN物理层规范对CAN信号的上升沿和下降沿有一定要求，它能过滤掉的杂波一般都只是微秒级，当总线上出现时间长度比较宽的毛刺时，物理层收发器便会在MCU的CAN控制器的接收引脚上产生一个低有效电平，这样，该CAN节点便会被唤醒，根据直接网络管理规范，除了自身被唤醒之外，它还会通过ALIVE报文唤醒其它CAN节点，使得整个CAN网络退出休眠状态，使得整车的电流消耗比休眠状态下的整车静态电流大几十倍，甚至上百倍，不仅大大增加了整车的电流消耗，还可能会造成蓄电池亏电无法启动发动机的情形^[4]。本地唤醒条件也有类似的误唤醒问题。

　　为了保证CAN节点不会被本地唤醒信号或者CAN信号误唤醒，本文设计了一种方法，只有在确实满足本地唤醒条件的情况下，或者总线上确实存在有效报文的条件下，节点才会被唤醒^[5]。

1 方案设计

　　为CAN节点设计四种工作模式：唤醒模式、休眠模式、临时唤醒模式^[6]和唤醒确认模式。其中，唤醒模式为正常工作模式，CAN节点电流消耗最大。休眠模式、临时唤醒模式和唤醒确认模式为低功耗模式，其中，休眠模式下的电流消耗最小。CAN节点的静态电流是指CAN节点在低功耗模式下的电流消耗^[7]，即在休眠模式、临时唤醒模式和唤醒确认模式下的平均电流消耗。四种工作模式跳转如图1所示。

　　CAN节点上电后自动进入唤醒模式，并在休眠条件不满足的情况下保持唤醒模式。CAN节点满足本地休眠条件且整个CAN网络协同休眠后，CAN节点禁能CAN收发器和控制器_[8]，设置唤醒源，然后进入休眠模式。

　　为了保证本地唤醒信号线上的杂波不会误唤醒CAN节点，进入休眠模式时只设置两个唤醒源——CAN信号和内部定时器。其中，CAN唤醒源能够保证当CAN总线上出现一个有效的显性位时，CAN节点会马上唤醒，内部定时器唤醒源定时值记为T_sleep，能够保证CAN节点被周期唤醒。

　　临时唤醒模式保持时间为T_tempwake，在临时唤醒模式中轮询本地唤醒条件，不仅可以避免本地唤醒信号线的杂波唤醒MCU，减少了MCU的唤醒次数，降低了静态电流，还降低了对MCU唤醒中断引脚的需求。

　　T_sleep和Tt_empwake时间根据CAN节点静态电流约束条件和本地唤醒时间定义，为了保证功能的实时性，出现本地唤醒后，CAN节点要在一定的时间内向CAN网络上发送ALIVE报文唤醒其它节点，T_sleep越大，本地唤醒时间越长，T_sleep和T_tempwake的比值越大，CAN节点静态电流越小。

2 唤醒算法设计

　　为了保证CAN节点不被总线毛刺和本地唤醒信号毛刺误唤醒，设计了临时唤醒模式和唤醒确认模式。在临时唤醒模式下，CAN节点轮询CAN控制器标志位和本地唤醒信号电平，在唤醒确认模式下，CAN节点查询CAN报文接收和本地唤醒条件是否有效。唤醒算法流程如图2所示。

　　当节点进入休眠后，CAN信号或者内部定时器临时唤醒节点，进入临时唤醒模式，临时唤醒模式保持时间为T_tempwake，在临时唤醒模式期间轮询CAN控制器的唤醒状态位和本地唤醒信号的电平，如果CAN控制器唤醒状态位和本地唤醒信号电平一直无效，T_tempwake后CAN节点再次进入休眠模式。如果CAN控制器唤醒状态位有效或者本地唤醒信号电平有效，进入唤醒确认模式。

　　在唤醒确认模式中，如果CAN控制器唤醒标志位有效，使能CAN物理层收发器和CAN控制器，根据该CAN网络的波特率，设定一定的滤波时间(记为T_filter)，检查该段时间以内是否接收到CAN报文，如果接收到，说明这是有效的CAN报文唤醒，CAN节点进入唤醒模式，如果没有收到，说明CAN节点是被总线上的毛刺唤醒的，这时，节点返回休眠模式。在唤醒确认模式中，如果本地唤醒信号有效，以2 ms为周期，连续检测三次本地唤醒信号电平，如果均有效，进入唤醒模式。否则，节点返回休眠模式。

　　T_filter根据总线网络的波特率确定，根据CAN协议，CAN报文数据场的最大长度为8字节，一条数据场长度为8字节的CAN报文包含108个总线位，根据波特率可以计算出报文数据场长度为8字节的CAN报文的时长，T_filter设置为最大CAN报文时长的2倍左右。汽车CAN网络的波特率有500 kbps、250 kbps、125 kbps三种，具体而言：

　　波特率为500 kbps时，CAN报文最大时长为0.216 ms，T_filter设置为0.5 ms;

　　波特率为250 kbps时，CAN报文最大时长为0.432 ms，T_filter设置为1 ms;

　　波特率为125 kbps时，CAN报文最大时长为0.864 ms，T_filter设置为2 ms。

3 结论

　　本文设计了一种汽车CAN节点的低功耗方案，通过设置唤醒确认模式，区分有效的CAN报文和总线毛刺，区分有效的本地唤醒条件和信号毛刺，避免了误唤醒。根据CAN网络的波特率确定CAN报文滤波时间，避免了无效等待。本方法应用在为某车型设计的PEPS中，具有较强的实用性。

　　参考文献：

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　　[2]苗斌,王卫华,赵永胜,等.具有OSEK功能汽车仪表的睡眠及唤醒管理研究[J].汽车电器,2014,(2):15-18.

　　[3]刘文英,邹洪波,王东,等.一种基于CAN总线的低功耗汽车组合开关[J].机电工程,2013,(11):1406-1409，1429.

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　　[5]山东省科学院自动化研究所.一种汽车CAN节点的低功耗设计方法:中国, 201710458567.7 [P].2017-6-16.

　　[6]马建辉,刘源杨,候冬冬,等.汽车BCM的低功耗设计及实现[J].电子产品世界,2016,(11):55-56,30.

　　[7]山东省科学院自动化研究所.一种低功耗车身控制器及其控制方法:中国, 201510125944.6 [P].2015-03-20.

　　[8]初洪超.网络管理在汽车CAN系统的应用[J].汽车实用技术,2016,(5):114-118.

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第3期第42页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。