CAN總線局部網(wǎng)絡管理機制及實現(xiàn)
近年來，汽車的節(jié)能問題備受關(guān)注，消減不必要的能源損耗是一種非常有效的方法。當前，大多數(shù)車輛在點火鑰匙打到OFF檔之后，部分功能仍需要使用，例如：車輛防盜、電子駐車功能等。為了降低電量消耗，避免蓄電池電量消耗過多導致汽車無法啟動，需要KL30節(jié)點在OFF檔之后能進入低功耗狀態(tài)，關(guān)閉大部分不需要的功能，盡可能減少電量消耗。對于分布式功能網(wǎng)絡，由于連接到總線上的節(jié)點需要協(xié)同工作，所以各節(jié)點遵循同樣的協(xié)議以實現(xiàn)同步睡眠及喚醒。
當前，大多數(shù)的車輛都是遵循OSEK或者AUTOSAR網(wǎng)絡管理協(xié)議，來實現(xiàn)節(jié)點休眠喚醒功能的。由于目前車輛的電子電氣系統(tǒng)越來越復雜，KL30節(jié)點也越來越多，當前的網(wǎng)絡管理協(xié)議也逐漸呈現(xiàn)出一些弊端。例如：IG OFF時，當某個功能需要總線上的一個節(jié)點與另一個節(jié)點進行通信時需要把該網(wǎng)段上的所有節(jié)點喚醒，如果跨網(wǎng)段，還需要喚醒兩個網(wǎng)段上的所有節(jié)點，不相關(guān)的節(jié)點都進入非低功耗狀態(tài)，這樣就造成不必要的電量消耗。又例如：為了保證車輛安全，在點火鑰匙打到OFF檔后，部分節(jié)點還需要通信一段時間，通常為幾分鐘到幾十分鐘，此時，由于部分節(jié)點的通信需求，網(wǎng)段上的所有節(jié)點都不能進入低功耗狀態(tài)，極大地消耗蓄電池電量。
為了解決這個問題，歐洲一些汽車廠商已經(jīng)開始制定新的網(wǎng)絡管理方案-局部網(wǎng)絡（Partial Network，簡稱PN）管理，以實現(xiàn)分組睡眠和喚醒。
局部網(wǎng)絡管理概念
與傳統(tǒng)網(wǎng)絡管理同睡同醒的邏輯不同，局部網(wǎng)絡管理根據(jù)不同的電子電氣EE功能（feature）在整個網(wǎng)絡內(nèi)劃分出多個虛擬的局部網(wǎng)絡，各個局部網(wǎng)絡間可以實現(xiàn)單獨的休眠喚醒功能，互不影響。如圖1所示，根據(jù)EE功能（feature），網(wǎng)絡上的若干節(jié)點被劃分為2個PN組，PN1組為車門解鎖相關(guān) feature，PN2組為Radio相關(guān)feature。在點火鑰匙處于OFF檔且所有節(jié)點處于睡眠狀態(tài)后，PEPS需要對車門解鎖，此時PEPS只需喚醒與解鎖功能相關(guān)的BCM和IC，其他與該功能不相關(guān)的節(jié)點仍然處于睡眠狀態(tài)。
圖1 局部網(wǎng)絡示例
1)喚醒邏輯：節(jié)點只有收到所屬PN組內(nèi)的特定報文（通常是網(wǎng)絡管理報文），才被喚醒。PEPS發(fā)送的NM報文只能將IC和BCM喚醒，而Radio和Tuner仍處于睡眠狀態(tài)；
2)睡眠邏輯：節(jié)點所屬的PN組內(nèi)的所有節(jié)點均滿足該PN的睡眠條件后，該PN組內(nèi)的節(jié)點實現(xiàn)協(xié)同睡眠。其他PN組的節(jié)點通信不受影響。
因此，根據(jù)功能來劃分局部網(wǎng)絡的方式，可以在一個功能激活的時候，僅使相關(guān)節(jié)點被喚醒并進行通信，而其他的節(jié)點仍然可以保持睡眠狀態(tài)，這樣就極大程度上減少了電量消耗。PN組的劃分非常靈活，不僅可以對同一網(wǎng)段上的節(jié)點進行分組，還可以將跨網(wǎng)段的節(jié)點劃分到同一PN組內(nèi)，除此之外，一個節(jié)點可以屬于一個或多個PN。
局部網(wǎng)絡管理實現(xiàn)
相對于傳統(tǒng)的CAN通信硬件和軟件實現(xiàn)，局部網(wǎng)絡管理需要實現(xiàn)以下幾個部分：
硬件實現(xiàn)
在CAN總線中報文是以廣播形式發(fā)送的，當節(jié)點處于休眠狀態(tài)時，大部分收發(fā)器檢測到總線中的報文時會喚醒節(jié)點。這就會使網(wǎng)絡管理的局部網(wǎng)絡功能失效。
為實現(xiàn)部分節(jié)點喚醒的功能，需要特殊的收發(fā)器支持。特殊收發(fā)器具有報文濾波功能，只在收到特定報文之后才能被喚醒。NXP已經(jīng)率先推出支持局部網(wǎng)絡管理的收發(fā)器TJA1145和UJA1168。TJA1145是一種高速CAN收發(fā)器，而UJA1168是集成5V/100mA微處理器供電的CAN系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片。
除了傳統(tǒng)收發(fā)器的TX、RX引腳，NXP的兩款支持PN的收發(fā)器均通過SPI與CAN控制器相連。通過SPI，MCU可控制CAN收發(fā)器的模式轉(zhuǎn)換以及設(shè)置收發(fā)器的報文濾波，實現(xiàn)特定報文喚醒的功能。連接方式參見圖2。
圖2 支持PN的收發(fā)器連接實例圖
軟件實現(xiàn)
除了需要支持硬件濾波的收發(fā)器外，在軟件部分，還需要遵循一套支持PN的網(wǎng)絡管理協(xié)議來配合應用程序?qū)崿F(xiàn)分組協(xié)同睡眠和喚醒。AUTOSAR組織已經(jīng)推出支持PN的網(wǎng)絡管理協(xié)議AUTOSARR3.2.1，該協(xié)議主要通過特定的網(wǎng)絡管理報文來實現(xiàn)分組睡眠。
AUTOSAR 3.2.1中定義的CAN網(wǎng)絡管理報文格式如圖3所示。Byte 0表示源節(jié)點地址，Byte 1為固定格式ControlBit Vector.不同的bit有特殊的含義，如圖3所示，該字節(jié)的bit 6（Partial Network Bit）就表明該報文是否與PN相關(guān)。NM報文中其余字節(jié)為User data，可根據(jù)用戶需求自定義。OEM可根據(jù)EE功能定義，指定User data中的不同的位來表示不同的PN組是否需要保持喚醒。例如，將Byte 2的bit 0設(shè)定為PN1組的喚醒指示位時，如節(jié)點欲保持PN1組喚醒，則需將其置為1；如不需要保持PN1組喚醒，則將其位置為0或停發(fā)網(wǎng)絡管理報文。當網(wǎng)絡上同屬于PN1的所有節(jié)點都沒有保持喚醒的要求時，PN1組按照睡眠邏輯協(xié)同進入睡眠。
圖3 默認網(wǎng)絡管理報文格式定義
圖4 Control Bit Vector格式定義
每個節(jié)點只關(guān)心自己所處的PN組的狀態(tài)，在節(jié)點發(fā)送的網(wǎng)絡管理報文加入所屬PN的信息(User data)，就可以實現(xiàn)不同PN分組休眠和喚醒。
結(jié)論
本文介紹了局部網(wǎng)絡（PN）管理的概念及優(yōu)勢，并闡述了其在CAN總線上的硬件及軟件實現(xiàn)。可以看到，隨著汽車EE功能越來越復雜，局部網(wǎng)絡管理的分組睡眠和喚醒的機制是一種有效的節(jié)省電量的方法。
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