CAN總線局部網絡管理機制及實現
2020/4/10 0:25:20??????點擊：
近年來，汽車的節能問題備受關注，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節點在OFF檔之后能進入低功耗狀態，關閉大部分不需要的功能，盡可能減少電量消耗。對于分布式功能網絡，由于連接到總線上的節點需要協同工作，所以各節點遵循同樣的協議以實現同步睡眠及喚醒。
當前，大多數的車輛都是遵循OSEK或者AUTOSAR網絡管理協議，來實現節點休眠喚醒功能的。由于目前車輛的電子電氣系統越來越復雜，KL30節點也越來越多，當前的網絡管理協議也逐漸呈現出一些弊端。例如：IG OFF時，當某個功能需要總線上的一個節點與另一個節點進行通信時需要把該網段上的所有節點喚醒，如果跨網段，還需要喚醒兩個網段上的所有節點，不相關的節點都進入非低功耗狀態，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，由于部分節點的通信需求，網段上的所有節點都不能進入低功耗狀態，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開始制定新的網絡管理方案-局部網絡（Partial Network，簡稱PN）管理，以實現分組睡眠和喚醒。
局部網絡管理概念
與傳統網絡管理同睡同醒的邏輯不同，局部網絡管理根據不同的電子電氣EE功能（feature）在整個網絡內劃分出多個虛擬的局部網絡，各個局部網絡間可以實現單獨的休眠喚醒功能，互不影響。如圖1所示，根據EE功能（feature），網絡上的若干節點被劃分為2個PN組，PN1組為車門解鎖相關 feature，PN2組為Radio相關feature。在點火鑰匙處于OFF檔且所有節點處于睡眠狀態后，PEPS需要對車門解鎖，此時PEPS只需喚醒與解鎖功能相關的BCM和IC，其他與該功能不相關的節點仍然處于睡眠狀態。
圖1 局部網絡示例
1)喚醒邏輯：節點只有收到所屬PN組內的特定報文（通常是網絡管理報文），才被喚醒。PEPS發送的NM報文只能將IC和BCM喚醒，而Radio和Tuner仍處于睡眠狀態；
2)睡眠邏輯：節點所屬的PN組內的所有節點均滿足該PN的睡眠條件后，該PN組內的節點實現協同睡眠。其他PN組的節點通信不受影響。
因此，根據功能來劃分局部網絡的方式，可以在一個功能激活的時候，僅使相關節點被喚醒并進行通信，而其他的節點仍然可以保持睡眠狀態，這樣就極大程度上減少了電量消耗。PN組的劃分非常靈活，不僅可以對同一網段上的節點進行分組，還可以將跨網段的節點劃分到同一PN組內，除此之外，一個節點可以屬于一個或多個PN。
局部網絡管理實現
相對于傳統的CAN通信硬件和軟件實現，局部網絡管理需要實現以下幾個部分：
硬件實現
在CAN總線中報文是以廣播形式發送的，當節點處于休眠狀態時，大部分收發器檢測到總線中的報文時會喚醒節點。這就會使網絡管理的局部網絡功能失效。
為實現部分節點喚醒的功能，需要特殊的收發器支持。特殊收發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已經率先推出支持局部網絡管理的收發器TJA1145和UJA1168。TJA1145是一種高速CAN收發器，而UJA1168是集成5V/100mA微處理器供電的CAN系統基礎芯片。
除了傳統收發器的TX、RX引腳，NXP的兩款支持PN的收發器均通過SPI與CAN控制器相連。通過SPI，MCU可控制CAN收發器的模式轉換以及設置收發器的報文濾波，實現特定報文喚醒的功能。連接方式參見圖2。
圖2 支持PN的收發器連接實例圖
軟件實現
除了需要支持硬件濾波的收發器外，在軟件部分，還需要遵循一套支持PN的網絡管理協議來配合應用程序實現分組協同睡眠和喚醒。AUTOSAR組織已經推出支持PN的網絡管理協議AUTOSARR3.2.1，該協議主要通過特定的網絡管理報文來實現分組睡眠。
AUTOSAR 3.2.1中定義的CAN網絡管理報文格式如圖3所示。Byte 0表示源節點地址，Byte 1為固定格式ControlBit Vector.不同的bit有特殊的含義，如圖3所示，該字節的bit 6（Partial Network Bit）就表明該報文是否與PN相關。NM報文中其余字節為User data，可根據用戶需求自定義。OEM可根據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設定為PN1組的喚醒指示位時，如節點欲保持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或停發網絡管理報文。當網絡上同屬于PN1的所有節點都沒有保持喚醒的要求時，PN1組按照睡眠邏輯協同進入睡眠。
圖3 默認網絡管理報文格式定義
圖4 Control Bit Vector格式定義
每個節點只關心自己所處的PN組的狀態，在節點發送的網絡管理報文加入所屬PN的信息(User data)，就可以實現不同PN分組休眠和喚醒。
結論
本文介紹了局部網絡（PN）管理的概念及優勢，并闡述了其在CAN總線上的硬件及軟件實現。可以看到，隨著汽車EE功能越來越復雜，局部網絡管理的分組睡眠和喚醒的機制是一種有效的節省電量的方法。
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