基于CAN喚醒的電子駐車控制器設計

劉強　周羽　郭文欣

摘 要：電子駐車控制器GCU采用基于CAN喚醒功能的收發芯片進行低功耗方案設計，硬件方案包含單片機模塊、電機驅動模塊、CAN通訊模塊、電源轉換模塊。同時，介紹分析了CAN芯片休眠及喚醒機制和控制策略。

關鍵詞：CAN休眠與喚醒；駐車控制器；低功耗

1 引言

隨著能源危機及環境污染等問題，20世紀以來日本及歐洲各大廠商（豐田、大眾、寶馬等）陸續推出混合動力汽車HEV、純電動車EV及燃料電池汽車FCV車型。鑒于全球汽車行業發展情況，我國大力主推純電動汽車EV車型。由于目前電池技術限制，純電動汽車續航里程普遍較低，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間。

純電動汽車電控系統的休眠模式，是指汽車在行駛途中或者熄火一段時間以后，部分電控單元或整車全部電控單元進入低功耗狀態。電子駐車控制器GCU是純電動汽車主動安全控制單元之一，用于駐車時控制駐車電機作用于鎖止機構將車輪抱死，保證停車的安全可靠。應用于純電動汽車的電子駐車控制器，與減速器為一個整體，安裝在發動機艙，是一個獨立的控制機構。該控制器在非駐車階段不參與整車行駛通訊控制，所以有必要使其進入休眠模式，降低整車能耗。

2 總體方案設計

電子駐車控制器通過接收整車控制系統VCU指令，進行驅動控制駐車電機正轉或反轉，通過模擬電路采集位置傳感器信號，從而判斷電機執行機構是否行進到正確位置。該控制器具備檔位信號監控及處理、駐車系統監控、過載保護功能、CAN網絡通訊、故障診斷等功能，采用高性能的處理器和高穩定性的汽車級電子元器件，配合成熟穩定的電路設計和豐富全面的電路保護功能，結合堅固防水的金屬外殼結構，保證駐車控制器能夠在各種惡劣環境（包括惡劣的電磁干擾環境和嚴酷的氣候等外界環境）中穩定運行。

該控制器方案設計框圖如圖1所示，主要由電源模塊、MCU單片機、電機驅動、模擬輸入、數字輸出及CAN通信模塊。此處CAN通信模塊具有特定CAN幀喚醒功能和MCU控制休眠待機功能。

3 硬件電路設計

3.1 MCU單片機控制模塊

MCU是電子駐車控制器電子控制系統的核心，它負責數據采集、處理以及所有的邏輯運算，并直接影響到控制器電路運行的可靠性、成本控制以及控制器的尺寸。本系統采用Freescale公司生產的專業用于汽車級的16位 S12G系列芯片，它具有較高的時鐘頻率25Mhz，集成了PWM驅動及AD采集模塊，兼容CAN2.0B協議的CAN控制模塊等。

3.2 電機驅動模塊

控制器通過VNH5019全橋電機驅動專用芯片驅動駐車直流有刷電機。該芯片內部集成了4個NMOS管，具備堵轉電流檢測及過壓過熱保護等功能，具有成本低、高可靠性等優點。MCU通過簡單的IO口及 PWM 輸出對VNH5019進行操作即可實現對電機的的正反轉及轉速控制。該芯片可檢測電機工作電流，通過CS管腳輸出，MCU利用分壓電路采集電壓信號即可判斷電機工作電流大小。

3.3 電源轉換模塊

電壓轉換模塊主要功能是把車載電源12V電壓轉換為板內主5V電壓，為單片機及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點火信號輸入，由CAN收發器INH管腳控制導通情況。電源芯片EN使能管腳控制來源有：IGN點火信號、CAN芯片喚醒后輸出信號和單片機GPIO輸出信號。電源芯片工作狀態如表1所示：

3.4 CAN通信模塊

3.4.1 CAN收發模塊介紹

控制器局域網（Controller Area Network，CAN）為串行通信協議，能有效支持具有很高安全級的分布實時控制。CAN的應用范圍很廣，從高速的網絡到低價位的多路配線都可以使用CAN。在汽車電子行業里，使用CAN連接發動機控制單元、傳感器、防滑系統等，其傳輸速度可達1 Mbit/s。駐車控制器系統需要通過CAN總線與整車控制器進行通信。MCU單片機內集成了CAN控制器，系統選擇NXP公司TJA1043作為CAN收發器，具體的CAN總線接口電路如圖所示。作為差分信號，使用共模電感大幅減小共模干擾，同時配合電容濾波和TVS的浪涌泄放，保證了CAN通信的穩定性。其中，CAN收發器正常工作時INH管腳輸出高電平，休眠時輸出低電平。

3.4.2 CAN收發模塊工作模式

CAN芯片TJA1043具有五種工作模式，正常模式Normal mode、待機模式Standby mode、進入休眠模式Go-to-Sleep mode、休眠模式Sleep mode和監聽模式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，電源芯片處于休眠或掉電過程；第二檔省電為待機模式，INH管腳置于高電平，電源芯片仍處于工作狀態。芯片管腳、標志位及狀態切換說明見表2。

3.4.3 工作機制

休眠機制：駐車控制器一段時間接收不到特定CAN幀，控制器MCU通過I/O口控制TJA1043芯片管腳STB_N=L和EN=H，經過最小保持時間th后芯片進入休眠模式，INH管腳置低。電源芯片使能管腳MCU控制延時兩秒后置低，停止輸出主5V電源，整個控制器斷電不再工作。TJA1043進入低功耗狀態，僅由汽車電池對管腳VBAT提供基礎工作電源。

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

4 控制策略

駐車控制器MCU軟件開發采用分層架構和協調開發模式，軟件分為底層程序（含芯片驅動、CANbootloader、標定功能等）和應用層程序（含控制邏輯、故障診斷等）。其中重點介紹駐車控制器整個休眠與喚醒控制策略流程圖，如圖5所示。

5 結語

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，延長汽車有效使用里程。駐車控制單元采用CAN喚醒收發芯片和帶ON/OFF控制的電源芯片進行設計，非工作時段整個單元可進入低功耗模式；工作時段先喚醒CAN芯片，然后激活整個單元進入正常工作模式。

參考文獻：

[1]馬建輝.汽車CAN節點的低功耗設計及實現[J].電子產品世界.2018（3）.

[2]涂金林.電動汽車CAN網絡系統的設計與實現[D].電子科技大學.2015.