| 标题 | 智能车路协同系统的休眠唤醒设计和实现 |
| 范文 | 陈辰 陈晓韦 杨开欣 董海博 郭谨玮 摘要：随着车联网技术的发展，智能车路协同设备应运而生。为了减少车辆蓄电池无谓的消耗，防止电池过度放电，该文对第一代的智能车路协同设备进行重新设计升级，实现车载单元根据发动机状态自动休眠和唤醒。设计升级涉及硬件和软件两个方面，硬件上添加CAN设备供电电路和CAN收发器进行升级，软件上构建控制CAN收发器工作模式的控制策略和控制方法。 此休眠唤醒电路经过测试成功用到智能车载单元上。 关键词：车联网；智能车路协同；休眠和唤醒；CAN总线 中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）27-0099-03 1 概述 随着科技的进步，经济的发展，汽车保有量持续增加。汽车数量的激增，加重了城市道路的负担，许多城市道路承载量达到饱和，依靠传统的交通管理方式很难解决日益突出的出行效率、交通安全、环境污染等问题。车联网是现代制造行业和互联网、物联网、云计算、大数据相结合发展的产物，是物联网技术在交通领域的典型应用之一[1]。车联网的出现为解决交通安全问题提供了新思路新技术。车联网旨在借助信息通信技术，实现车内各种设备间、车与车之间，车与人之间、车与基礎设施之间、车与互联网云平台之间全方位的网络连接，提升汽车智能化水平，实现人、车、物、环境的和谐统一，从而提高交通出行效率，改善驾乘环境，为大家提供安全、舒适、节能、高效的服务。智能车路协同系统是车联网技术的应用，是基于无线通信、传感检测等技术获取车辆和行驶道路的基本信息，实现车辆和基础设施之间智能协同和配合，达到优化利用系统资源，缓解交通拥堵的目标[2-3]。 本文设计的智能车路协同系统，利用ZigBee协议的优点实现车辆和基础设施之间信息交互。第一代智能车路协同系统中车载设备需要外置机械开关控制设备工作与否，这样额外增加了驾驶员负担。为了解决这一问题，在第二代车路协同系统中车载设备通过车辆OBD接口接入，车载设备通过CAN 总线[4]获取车辆发动机状态，根据发动机状态实现自动休眠和唤醒。由于车辆OBD接口上的电源是直接接到汽车蓄电池的，为了防止在车载设备使用过程中车辆蓄电池过度放电，在智能车载设备上添加电平监测模块，一旦电瓶电量异常，立刻断电。 2 系统总体设计 整个智能车路协同设备包括智能车载单元和智能路侧单元，系统图见图1，本次主要是对车载单元进行优化升级。整个车载单元作为汽车CAN总线的一个支路节点设备，实现和车辆CAN总线通信，从而获取车辆的运行状态。根据车辆的运行状态控制车载单元的工作模式，实现车载单元的休眠和唤醒。 设计带有CAN通信接口的节点设备有两种方法，一种是使用独立的CAN总线控制器芯片，另一种是使用带有CAN总线控制模块的嵌入式微控制器。后者使整个电路结构更加简单，使用方便。本文设计的智能车载单元就是选择带有CAN 控制模块的微控制器作为车载单元的CPU。因为CAN 总线电平不能直接接到微控制器端，为了实现微控制器和OBD接口上的CAN 总线通信，降低设备对CAN 总线上其他设备的干扰，还需要CAN 收发器。本文采用的CAN 收发器是带有远程唤醒功能的CAN 收发器。车载终端CAN 总线网络拓扑结构见图2。车载设备除了CAN收发电路模块外还有电源控制模块，无线传输模块，电源监测模块等，见图3智能车载设备电路框图。 3 硬件电路设计 车载设备终端休眠和唤醒电路硬件上主要涉及电源转换部分和CAN总线收发电路两部分，软件上设计微控制器的控制策略等。 3.1 电源转换模块 乘用车上一般使用12V的电源系统，蓄电池的电压范围一般为9～15V，而车载终端中选择的微控制器的供电电压为3.3V，输入输出管脚的耐受电压为3.3～5V，在CAN收发电路中CAN收发器芯片正常工作时的供电电压是5V，所以需要电源转换模块将12V 的电压转换成微控制器和CAN收发器所需要的电压。根据这一要求设计了12V转5V 的DC-DC电源转换电路和12V 转3.3V 的电源转换电路，原理图见图4。电源转换IC均采用车规级的带有输出使能控制功能的TPS5430。TPS5430规格书[5]中提到当此IC的ENA管脚接高电平或悬空的时候，IC可以正常输出电压，当接低电平的时候，停止对外输出电压。因此通过控制ENA管脚就可以达到电源的导通和关闭。在本次休眠唤醒设计电路中，就是使用电源转换芯片的ENA管脚控制电源的开启关闭降低车载单元功耗的。 3.2 CAN 收发电路 CAN遵循ISO/OSI参考模型，分数据链路层和物理层。根据ISO88002-2和ISO8802-3，数据链路层进一步细分为逻辑链路控制（LLC）和介质访问控制（MAC）；物理层进一步细分为物理信令（PLS，位编码、定时、同步），物理介质附件（PMA，驱动器/接收器特性）和介质附属接口（MDI，连接器）[4]。数据链路层和物理信令层之间的链接是通过CAN 控制器实现的。物理介质附件是协议控制器和物理线路之间的接口。在车载设备中，CAN 收发器选择的是车规级的恩智浦公司生产的TJA1043，电路原理图见图5。TJA1043规格书[6]中说明第7管脚INH可以用来控制外部电源转换电路的通断。当TJA1043芯片正常工作时，INH管脚输出高电平；当TJA1043芯片休眠时，INH管脚输出低电平。为了降低车载设备的功耗，此管脚可以用来控制电源转换电路的导通和关闭。 3.3 车载设备休眠唤醒控制策略 车载设备中使用的CAN收发器TJA1043有三种工作模式，分别是正常模式、待机模式和休眠模式。休眠模式是功耗最低的模式。通过控制芯片的STB和EN 管脚可以使芯片进入休眠模式。TJA1043有远程唤醒和本地唤醒的功能。本地唤醒通过控制WAKE管脚实现，远程唤醒通过接收满足特定规则的CAN 报文实现。 休眠模式控制策略为当微控制器在一段时间内接收不到CAN 报文时，便通过GPIO 控制CAN收发器的STB_N管脚使CAN收发器进入休眠状态。当CAN收发器进入休眠状态后，INH管脚由高电平变成高阻态，3.3V电源转换电路关闭，由于微控制器使用3.3伏电压供电，因此此时微控制器也关闭，整个设备的功耗达到最低。判断是否一段时间内没有接收到报文时通过报文接收标志实现的，微控制器程序初始化时将CAN报文接收标志设置为0，代表没有接收到報文。当接收到CAN 报文时，将此标志置1。通过判断一段时间内此接收标志是否变化就可以判断是否接收到了报文，没有接收到报文就将STB_N管脚拉低，是CAN收发器进入休眠模式。 唤醒模式控制策略为当收发器的VBAT管脚电平满足要求，总线上出现特定的CAN报文后，CAN 收发器TJA1043将会被唤醒，INH管脚出现高电平，由此管脚控制的电源转换电路开始工作，3.3伏供电恢复，微控制器开始工作。一旦微控制器开始工作便将TJA1043的STB_N管脚置位1，TJA1043变为正常工作模式。整个车载终端进入正常工作模式。为了保证CAN 收发器TJA1043被正常唤醒，所以此芯片的VBAT管脚要接电池电压。整个车载终端的休眠和唤醒控制策略见图6。 4 结束语 本文系统地介绍了智能车路协同设备中车载单元的休眠和唤醒功能。减少了由于第一代车载设备的机械开关给驾驶员带来的负担，使车载设备能够根据车辆的运动状态自动唤醒和休眠。减少了传统车载设备对蓄电池的消耗。本文设计的硬件电路采用的均为大品牌的常规级的电子元器件，稳定性高，易于更换。此控制电路和控制策略能够扩展到其他智能车载设备应用平台，为车联网设备的发展提供了一定的技术基础。 参考文献： [1] 王建强，吴辰文，李晓军.车联网架构与关键技术研究[J].微计算机信息，2011，27（4）：156-158. [2] 陈超，吕植勇，付姗姗，等.国内外车路协同系统发展现状综述[J].交通信息与安全，2011，29（1）：102-105. [3] 罗亮红.基于ZigBee的车路协同关键技术研究[D].广州：华南理工大学，2010. [4] 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，2017. [通联编辑：朱宝贵] |
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