汽車CAN節點的低功耗設計及實現

馬建輝 張云 胡代榮 孫常青

摘要：滿足OSEK NM規范的CAN節點進入休眠后，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節點。當CAN物理層收發器電路濾除不掉總線上的毛刺時，總線毛刺也會喚醒CAN節點。為了防止CAN節點被錯誤喚醒，通過設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節點被誤喚醒進而喚醒，整個網絡，從而大大增加整車電流消耗的問題。

關鍵詞.OSEk：C.AN節點；喚醒信號

0 引言

隨著汽車功能和電子電氣系統越來越復雜，常電供電節點也越來越多?，F代汽車CAN網絡大多遵循OSEK直接網絡管理協議實現常電供電CAN節點的休眠和喚醒功能[1]。根據OSEK直接網絡管理協議，所有常電供電CAN節點都滿足休眠條件后，整個CAN網絡協同進入睡眠狀態，當某個CAN節點被本地喚醒條件喚醒后，它將向CAN網絡上發送ALIVE報文喚醒整個CAN網絡[2]，其它CAN節點檢測到CAN網絡上出現有效的顯性位時，CAN物理層收發器向CAN控制器的接收腳輸出一個下拉脈沖，喚醒MCU和CAN節點，然后，被喚醒的CAN節點向總線上發送ALIVE報文，這些節點通過ALIVE報文完成網絡建環。一般情況下，整車靜態電流一般為喚醒狀態下的幾十分之一，甚至幾百分之一。

在一個實現了OSEK直接網絡管理規范的CAN網絡中，當CAN網絡進入休眠狀態后，CAN節點一方面可以被本地喚醒[3]（一般為開關信號），一方面可以被總線喚醒?？偩€物理層收發器及其外圍電路具備濾波功能，當總線上出現比較短的毛刺時，總線物理層收發器會過濾掉該毛刺，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，它能過濾掉的雜波一般都只是微秒級，當總線上出現時間長度比較寬的毛刺時，物理層收發器便會在MCU的CAN控制器的接收引腳上產生一個低有效電平，這樣，該CAN節點便會被喚醒，根據直接網絡管理規范，除了自身被喚醒之外，它還會通過ALIVE報文喚醒其它CAN節點，使得整個CAN網絡退出休眠狀態，使得整車的電流消耗比休眠狀態下的整車靜態電流大幾十倍，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節點不會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，節點才會被喚醒[5]。

1 方案設計

為CAN節點設計四種工作模式：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節點的靜態電流是指CAN節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。四種工作模式跳轉如圖1所示。汽車電子Automotive Electronics

CAN節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節點滿足本地休眠條件且整個CAN網絡協同休眠后，CAN節點禁能CAN收發器和控制器[8]，設置喚醒源，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節點，進入休眠模式時只設置兩個喚醒源——CAN信號和內部定時器。其中，CAN喚醒源能夠保證當CAN總線上出現一個有效的顯性位時，CAN節點會馬上喚醒，內部定時器喚醒源定時值記為Tsleep，能夠保證CAN節點被周期喚醒。

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，降低了靜態電流，還降低了對MCU喚醒中斷引腳的需求。

Tsleep和Ttempwake。時間根據CAN節點靜態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，出現本地喚醒后，CAN節點要在一定的時間內向CAN網絡上發送ALIVE報文喚醒其它節點，Tsleep越大，本地喚醒時間越長，Tsleep和Ttempwake的比值越大，CAN節點靜態電流越小。

2 喚醒算法設計

為了保證CAN節點不被總線毛刺和本地喚醒信號毛刺誤喚醒，設計了臨時喚醒模式和喚醒確認模式。在臨時喚醒模式下，CAN節點輪詢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。

當節點進入休眠后，CAN信號或者內部定時器臨時喚醒節點，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控制器的喚醒狀態位和本地喚醒信號的電平，如果CAN控制器喚醒狀態位和本地喚醒信號電平一直無效，Ttempwake后CAN節點再次進入休眠模式。如果CAN控制器喚醒狀態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控制器喚醒標志位有效，使能CAN物理層收發器和CAN控制器，根據該CAN網絡的波特率，設定一定的濾波時間（記為Tfiter），檢查該段時間以內是否接收到CAN報文，如果接收到，說明這是有效的CAN報文喚醒，CAN節點進入喚醒模式，如果沒有收到，說明CAN節點是被總線上的毛刺喚醒的，這時，節點返回休眠模式。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，節點返回休眠模式。

Tfiliter根據總線網絡的波特率確定，根據CAN協議，CAN報文數據場的最大長度為8字節，一條數據場長度為8字節的CAN報文包含108個總線位，根據波特率可以計算出報文數據場長度為8字節的CAN報文的時長，Tfiiiter設置為最大CAN報文時長的2倍左右。汽車CAN網絡的波特率有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設置為0.5 ms；

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

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

3 結論

本文設計了一種汽車CAN節點的低功耗方案，通過設置喚醒確認模式，區分有效的CAN報文和總線毛刺，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網絡的波特率確定CAN報文濾波時間，避免了無效等待。本方法應用在為某車型設計的PEPS中，具有較強的實用性。

參考文獻：

[1]蔡營，王永峰，岳意娥，等基于OSEK標準的整車CAN網絡管理設計及測試驗證[J]汽車電器，2016，（8）：38-41，49

[2]苗斌，王衛華，趙永勝，等具有OSEK功能汽車儀表的睡眠及喚醒管理研究[J]汽車電器，2014.（2）：15-18

[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[J]機電工程，2013，（11）：1406-1409，1429

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

[5]山東省科學院自動化研究所一種汽車CAN節點的低功耗設計方法中國，201710458567.7 [P].2017-6-16

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

[7]山東省科學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]初洪超網絡管理在汽車CAN系統的應用[J]汽車實用技術，2016.（5）：114-118