陳辰　陳曉韋　楊開(kāi)欣　董海博　郭謹(jǐn)瑋

摘要：隨著車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能車(chē)路協(xié)同設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。為了減少車(chē)輛蓄電池?zé)o謂的消耗，防止電池過(guò)度放電，該文對(duì)第一代的智能車(chē)路協(xié)同設(shè)備進(jìn)行重新設(shè)計(jì)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)車(chē)載單元根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)自動(dòng)休眠和喚醒。設(shè)計(jì)升級(jí)涉及硬件和軟件兩個(gè)方面，硬件上添加CAN設(shè)備供電電路和CAN收發(fā)器進(jìn)行升級(jí)，軟件上構(gòu)建控制CAN收發(fā)器工作模式的控制策略和控制方法。 此休眠喚醒電路經(jīng)過(guò)測(cè)試成功用到智能車(chē)載單元上。

關(guān)鍵詞：車(chē)聯(lián)網(wǎng)；智能車(chē)路協(xié)同；休眠和喚醒；CAN總線

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）27-0099-03

1 概述

隨著科技的進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車(chē)保有量持續(xù)增加。汽車(chē)數(shù)量的激增，加重了城市道路的負(fù)擔(dān)，許多城市道路承載量達(dá)到飽和，依靠傳統(tǒng)的交通管理方式很難解決日益突出的出行效率、交通安全、環(huán)境污染等問(wèn)題。車(chē)聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代制造行業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)相結(jié)合發(fā)展的產(chǎn)物，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在交通領(lǐng)域的典型應(yīng)用之一[1]。車(chē)聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)為解決交通安全問(wèn)題提供了新思路新技術(shù)。車(chē)聯(lián)網(wǎng)旨在借助信息通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車(chē)內(nèi)各種設(shè)備間、車(chē)與車(chē)之間，車(chē)與人之間、車(chē)與基礎(chǔ)設(shè)施之間、車(chē)與互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)之間全方位的網(wǎng)絡(luò)連接，提升汽車(chē)智能化水平，實(shí)現(xiàn)人、車(chē)、物、環(huán)境的和諧統(tǒng)一，從而提高交通出行效率，改善駕乘環(huán)境，為大家提供安全、舒適、節(jié)能、高效的服務(wù)。智能車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)是車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，是基于無(wú)線通信、傳感檢測(cè)等技術(shù)獲取車(chē)輛和行駛道路的基本信息，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛和基礎(chǔ)設(shè)施之間智能協(xié)同和配合，達(dá)到優(yōu)化利用系統(tǒng)資源，緩解交通擁堵的目標(biāo)[2-3]。

本文設(shè)計(jì)的智能車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)，利用ZigBee協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛和基礎(chǔ)設(shè)施之間信息交互。第一代智能車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)中車(chē)載設(shè)備需要外置機(jī)械開(kāi)關(guān)控制設(shè)備工作與否，這樣額外增加了駕駛員負(fù)擔(dān)。為了解決這一問(wèn)題，在第二代車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)中車(chē)載設(shè)備通過(guò)車(chē)輛OBD接口接入，車(chē)載設(shè)備通過(guò)CAN 總線[4]獲取車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)休眠和喚醒。由于車(chē)輛OBD接口上的電源是直接接到汽車(chē)蓄電池的，為了防止在車(chē)載設(shè)備使用過(guò)程中車(chē)輛蓄電池過(guò)度放電，在智能車(chē)載設(shè)備上添加電平監(jiān)測(cè)模塊，一旦電瓶電量異常，立刻斷電。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)智能車(chē)路協(xié)同設(shè)備包括智能車(chē)載單元和智能路側(cè)單元，系統(tǒng)圖見(jiàn)圖1，本次主要是對(duì)車(chē)載單元進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。整個(gè)車(chē)載單元作為汽車(chē)CAN總線的一個(gè)支路節(jié)點(diǎn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)和車(chē)輛CAN總線通信，從而獲取車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)控制車(chē)載單元的工作模式，實(shí)現(xiàn)車(chē)載單元的休眠和喚醒。

設(shè)計(jì)帶有CAN通信接口的節(jié)點(diǎn)設(shè)備有兩種方法，一種是使用獨(dú)立的CAN總線控制器芯片，另一種是使用帶有CAN總線控制模塊的嵌入式微控制器。后者使整個(gè)電路結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，使用方便。本文設(shè)計(jì)的智能車(chē)載單元就是選擇帶有CAN 控制模塊的微控制器作為車(chē)載單元的CPU。因?yàn)镃AN 總線電平不能直接接到微控制器端，為了實(shí)現(xiàn)微控制器和OBD接口上的CAN 總線通信，降低設(shè)備對(duì)CAN 總線上其他設(shè)備的干擾，還需要CAN 收發(fā)器。本文采用的CAN 收發(fā)器是帶有遠(yuǎn)程喚醒功能的CAN 收發(fā)器。車(chē)載終端CAN 總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。車(chē)載設(shè)備除了CAN收發(fā)電路模塊外還有電源控制模塊，無(wú)線傳輸模塊，電源監(jiān)測(cè)模塊等，見(jiàn)圖3智能車(chē)載設(shè)備電路框圖。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

車(chē)載設(shè)備終端休眠和喚醒電路硬件上主要涉及電源轉(zhuǎn)換部分和CAN總線收發(fā)電路兩部分，軟件上設(shè)計(jì)微控制器的控制策略等。

3.1 電源轉(zhuǎn)換模塊

乘用車(chē)上一般使用12V的電源系統(tǒng)，蓄電池的電壓范圍一般為9～15V，而車(chē)載終端中選擇的微控制器的供電電壓為3.3V，輸入輸出管腳的耐受電壓為3.3～5V，在CAN收發(fā)電路中CAN收發(fā)器芯片正常工作時(shí)的供電電壓是5V，所以需要電源轉(zhuǎn)換模塊將12V 的電壓轉(zhuǎn)換成微控制器和CAN收發(fā)器所需要的電壓。根據(jù)這一要求設(shè)計(jì)了12V轉(zhuǎn)5V 的DC-DC電源轉(zhuǎn)換電路和12V 轉(zhuǎn)3.3V 的電源轉(zhuǎn)換電路，原理圖見(jiàn)圖4。電源轉(zhuǎn)換IC均采用車(chē)規(guī)級(jí)的帶有輸出使能控制功能的TPS5430。TPS5430規(guī)格書(shū)[5]中提到當(dāng)此IC的ENA管腳接高電平或懸空的時(shí)候，IC可以正常輸出電壓，當(dāng)接低電平的時(shí)候，停止對(duì)外輸出電壓。因此通過(guò)控制ENA管腳就可以達(dá)到電源的導(dǎo)通和關(guān)閉。在本次休眠喚醒設(shè)計(jì)電路中，就是使用電源轉(zhuǎn)換芯片的ENA管腳控制電源的開(kāi)啟關(guān)閉降低車(chē)載單元功耗的。

3.2 CAN 收發(fā)電路

CAN遵循ISO/OSI參考模型，分?jǐn)?shù)據(jù)鏈路層和物理層。根據(jù)ISO88002-2和ISO8802-3，數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)一步細(xì)分為邏輯鏈路控制（LLC）和介質(zhì)訪問(wèn)控制（MAC）；物理層進(jìn)一步細(xì)分為物理信令（PLS，位編碼、定時(shí)、同步），物理介質(zhì)附件（PMA，驅(qū)動(dòng)器/接收器特性）和介質(zhì)附屬接口（MDI，連接器）[4]。數(shù)據(jù)鏈路層和物理信令層之間的鏈接是通過(guò)CAN 控制器實(shí)現(xiàn)的。物理介質(zhì)附件是協(xié)議控制器和物理線路之間的接口。在車(chē)載設(shè)備中，CAN 收發(fā)器選擇的是車(chē)規(guī)級(jí)的恩智浦公司生產(chǎn)的TJA1043，電路原理圖見(jiàn)圖5。TJA1043規(guī)格書(shū)[6]中說(shuō)明第7管腳INH可以用來(lái)控制外部電源轉(zhuǎn)換電路的通斷。當(dāng)TJA1043芯片正常工作時(shí)，INH管腳輸出高電平；當(dāng)TJA1043芯片休眠時(shí)，INH管腳輸出低電平。為了降低車(chē)載設(shè)備的功耗，此管腳可以用來(lái)控制電源轉(zhuǎn)換電路的導(dǎo)通和關(guān)閉。

3.3 車(chē)載設(shè)備休眠喚醒控制策略

車(chē)載設(shè)備中使用的CAN收發(fā)器TJA1043有三種工作模式，分別是正常模式、待機(jī)模式和休眠模式。休眠模式是功耗最低的模式。通過(guò)控制芯片的STB和EN 管腳可以使芯片進(jìn)入休眠模式。TJA1043有遠(yuǎn)程喚醒和本地喚醒的功能。本地喚醒通過(guò)控制WAKE管腳實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)程喚醒通過(guò)接收滿(mǎn)足特定規(guī)則的CAN 報(bào)文實(shí)現(xiàn)。

休眠模式控制策略為當(dāng)微控制器在一段時(shí)間內(nèi)接收不到CAN 報(bào)文時(shí)，便通過(guò)GPIO 控制CAN收發(fā)器的STB_N管腳使CAN收發(fā)器進(jìn)入休眠狀態(tài)。當(dāng)CAN收發(fā)器進(jìn)入休眠狀態(tài)后，INH管腳由高電平變成高阻態(tài)，3.3V電源轉(zhuǎn)換電路關(guān)閉，由于微控制器使用3.3伏電壓供電，因此此時(shí)微控制器也關(guān)閉，整個(gè)設(shè)備的功耗達(dá)到最低。判斷是否一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到報(bào)文時(shí)通過(guò)報(bào)文接收標(biāo)志實(shí)現(xiàn)的，微控制器程序初始化時(shí)將CAN報(bào)文接收標(biāo)志設(shè)置為0，代表沒(méi)有接收到報(bào)文。當(dāng)接收到CAN 報(bào)文時(shí)，將此標(biāo)志置1。通過(guò)判斷一段時(shí)間內(nèi)此接收標(biāo)志是否變化就可以判斷是否接收到了報(bào)文，沒(méi)有接收到報(bào)文就將STB_N管腳拉低，是CAN收發(fā)器進(jìn)入休眠模式。

喚醒模式控制策略為當(dāng)收發(fā)器的VBAT管腳電平滿(mǎn)足要求，總線上出現(xiàn)特定的CAN報(bào)文后，CAN 收發(fā)器TJA1043將會(huì)被喚醒，INH管腳出現(xiàn)高電平，由此管腳控制的電源轉(zhuǎn)換電路開(kāi)始工作，3.3伏供電恢復(fù)，微控制器開(kāi)始工作。一旦微控制器開(kāi)始工作便將TJA1043的STB_N管腳置位1，TJA1043變?yōu)檎９ぷ髂Ｊ?。整個(gè)車(chē)載終端進(jìn)入正常工作模式。為了保證CAN 收發(fā)器TJA1043被正常喚醒，所以此芯片的VBAT管腳要接電池電壓。整個(gè)車(chē)載終端的休眠和喚醒控制策略見(jiàn)圖6。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文系統(tǒng)地介紹了智能車(chē)路協(xié)同設(shè)備中車(chē)載單元的休眠和喚醒功能。減少了由于第一代車(chē)載設(shè)備的機(jī)械開(kāi)關(guān)給駕駛員帶來(lái)的負(fù)擔(dān)，使車(chē)載設(shè)備能夠根據(jù)車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)自動(dòng)喚醒和休眠。減少了傳統(tǒng)車(chē)載設(shè)備對(duì)蓄電池的消耗。本文設(shè)計(jì)的硬件電路采用的均為大品牌的常規(guī)級(jí)的電子元器件，穩(wěn)定性高，易于更換。此控制電路和控制策略能夠擴(kuò)展到其他智能車(chē)載設(shè)備應(yīng)用平臺(tái)，為車(chē)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的發(fā)展提供了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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[通聯(lián)編輯：朱寶貴]