车辆CAN总线支路的休眠与唤醒实现

1、车辆CAN总线支路的休眠与唤醒实现Realization of sleep and wake up function of a CAN bus branch席军强, 凌 晨Xi Junqiang, Ling Chen（北京理工大学 智能车辆研究所，北京 100081）摘 要： 为减少蓄电池电能的无谓消耗，对某车辆的汽车电控系统的CAN总线 支路开发休眠与唤醒功能。硬件方面对CAN总线支路的供电电路和CAN 收发器进行了升级，软件部分设计了一套CAN收发器工作模式切换的 控制策略。最终该休眠与唤醒功能成功运用到实际车辆上。关键词：CAN总线；休眠与唤醒；模式切换； 中图分类号：TP273 文献标

2、识码：A 0 引言随着现代汽车工业和电子的不断发展，汽车电子化的程度越来越高，车载电子设备不断增多，耗电量越来越大。如何减少在点火开关关闭以后蓄电池电能的过度消耗，使蓄电池经常保持充足的电量，成为实际工程上不可忽视的问题。汽车电控系统的休眠(Standby)模式，是指在发动机熄火一段时间后，整车自动进入一种用电量非常小的状态，因而也称为“低能耗模式”1。当向车辆上增加电子电器设备时，必须考虑其如何进入休眠模式。同时，在具有该模式后，当CAN多路数据传输系统中该控制单元出现故障时，不会因“寄生电流”过大而引起蓄电池亏电。1 系统总体设计通过对车辆某电子电器设备的CAN总线支路进行硬件升级，并制定

3、相应的模式切换工作机制，写入单片机中，可以实现其休眠与唤醒功能。构建CAN接口一般有两种方法，一是采用独立的CAN控制器，二是采用带有CAN控制模块的MCU。采用带CAN控制器的MCU进行嵌入式系统的设计开发，可以简化电路设计，使得编程更加方便。本文即是采用内嵌CAN控制模块的MC9S08单片机作为支路的电子控制单元（ECU）。该总线支路原理图如图1所示，主要由网关、CAN收发器、单片机和电源转换模块组成。图1 CAN总线支路结构图此处CAN支路中网关的作用为过滤CAN帧，只将特定CAN帧传至后方的系统。该特定CAN帧为控制该支路是否工作的触发条件。2 硬件电路升级2.1 电压转换电路电压转换

4、模块的主体任务是将车载电池的12V电源转换5V直流电，以便为单片机和CAN收发器供电。升级前采用的元器件为TLE4270D，硬件电路如图2所示；升级后采用的元器件为LM2576-5，硬件电路如图3所示。图2 原先采用TLE4270D的电压转换电路图3 升级后采用LM2576-5的电压转换电路升级前的电路单纯的只是实现转换电压的功能；升级后的LM2576元器件可引入一个ON/OFF控制端口。当输入低电平时，LM2576将转换完的电压正常对外输出；当输入高电平时，停止对外输出。其工作状态与控制端口输入电平的对应关系如表1所示。表1 LM2576工作状态控制输入低电平高电平状态正常工作停止输出2.2

5、 单片机电路MC9S08单片机属于飞思卡尔S08D系列8位微控制器，其提供了最低成本的内嵌CAN的微控制器，并且将内嵌CAN、内嵌EEPROM和片上仿真/调试模块空前地组合在一起2。由于它具有卓越的性能并被广泛使用，故选择MC9S08DZ60单片机作为支路的电子控制单元（ECU），其相关电路如图4和图5所示。图4 单片机电路图5 单片机下载部分电路2.3 CAN收发器电路根据ISO11898的定义，物理层被细化为3个子层，它们分别是物理信令（位编码定位和同步）、物理媒体链接（驱动器和接收器特性）和媒体相关接口（总线连接器）3。物理信令子层和数据链路层之间的连接是通过集成的协议控制器来实现的，而

6、媒体相关接口（CAN收发器）是协议控制器和物理传输线路之间的接口。升级前采用的CAN收发器为TJA1040T，硬件电路如图6所示；升级后采用容错的CAN收发器TJA1054，硬件电路如图7所示。图6 原先TJA1040T的CAN收发器电路图7 升级后TJA1054的CAN收发器电路需要使用INH管脚来控制电源模块里的工作状态控制端口。其输出状态为：收发器正常工作时，INH输出高电平；收发器休眠时，INH输出低电平。该管脚输出电平与收发器状态的对应关系如表2所示。表2 INH管脚输出状态收发器状态正常工作休眠INH输出高电平低电平3 CAN总线支路的休眠与唤醒控制3.1 CAN收发器工作模式切换

7、TJA1054收发器有3种低功耗模式，它们可以通过设置管脚/STB和EN进入和退出4，如表3所示。休眠模式是功率消耗最低的模式。管脚INH切换到高阻抗，释放外部电压调节器。管脚CANL通过管脚RTL偏置到电池电压。如果提供了电源电压，管脚RXD和/ERR将发信唤醒中断。表3 TJA1054收发器工作模式模式/STBEN/ERRRXDRTL切换到低高低高进入休眠操作01唤醒中断信号唤醒中断信号VBAT休眠00VBAT待机00VBAT上电待机10VBAT上电标志唤醒中断信号VBAT正常操作11错误标志没有错误标志显性接收数据隐形接收数据VCC注：0表示低电平，1表示高电平。3.2控制策略设计休眠机

8、制为：ECU一段时间接受不到特定CAN帧，单片机通过I/O口对TJA1054引脚/STB和EN置位为01，控制其进入休眠状态。此时，TJA1054的INH管脚输出低电平，这样电源转换模块里LM2576的ON/OFF控制端口输入高电平，其停止对外供电。ECU的供电被切断，不再消耗任何功率，CAN收发器也工作在低功耗状态，整个支路的能耗降至最低。对于如何判别ECU一段时间接受不到特定CAN帧，可以在程序中通过判断MC9S08单片机中CANCTL0寄存器中“接收器使能状态”RXACT位的状态实现。该位为0表示MSCAN模块正在发送或空闲，该位为1表示MSCAN模块正在接收报文。所以，检测该标志位，一

9、段时间内持续处于0，则说明ECU一直未接受到CAN帧，由于网关只会将特定CAN帧传至后方，说明ECU一段时间内未接受到特定CAN帧。设计唤醒机制为：当该特定CAN帧出现时，其将通过网关被CAN收发器接收到，而TJA1054一接受到CAN帧，会产生短时唤醒，其INH管脚输出高电平，这样电源转换模块里LM2576的ON/OFF控制端口输入低电平，其恢复对外供电。这样，一方面，TJA1054的VCC端口输入高电平；另一方面，ECU一恢复供电就通过I/O口对TJA1054引脚/STB和EN置位为11，控制其进入正常工作状态。这样，CAN收发器和ECU都进入持续正常工作。LM2576停止对外供电时，TJ

10、A1054的VCC端口也被断电，只靠BAT端口供电。否则，VCC端口若处于供电模式，TJA1054将自动唤醒，无法休眠。由于仍有BAT端口对其供电，TJA1054仍能收到CAN帧。当其一接受到CAN帧，就会产生短时唤醒，所以必须存在网关对CAN帧进行过滤，否则CAN总线上总是跑着各种数据，会导致支路没有机会进入休眠。整个休眠与唤醒过程的控制策略流程图如图8所示。图8 控制策略流程图4 总结本文从设计理念、硬件电路和控制策略等方面详细对车辆CAN总线支路的休眠与唤醒功能实现方法进行了介绍。该休眠与唤醒机制能够有效减少蓄电池电能的无谓消耗，并可通过检测CANL是否拉高到电池电压来判断支路是否处于休眠状态。该系统采用的均为常规电子元器件，可靠性高，易于更换，工作稳定，完全满足系统设计的要求。在后续的研究工作中还将对该休眠与唤醒功能的应用场合进行不断拓展。参考文献1 李明诚. 汽车电控系统休眠模式的检修要领J. 汽车维修与保养, 2010(8): 46-48.2 罗峰, 孙泽昌. 汽车CAN总线系统原理、设计与应用M. 北京: 电子工业出版社, 2010.3 刘海鸥, 陶刚. 汽车电子学基础M. 北京: 北京理工大学出版社,