基于動態(tài)技術(shù)的分布式車身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)低功耗設(shè)計與研究＊

俞妍 卜建國 李建文 徐正飛 柳貴東

（軍事交通學(xué)院）

基于動態(tài)技術(shù)的分布式車身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)低功耗設(shè)計與研究＊

俞妍 卜建國 李建文 徐正飛 柳貴東

（軍事交通學(xué)院）

設(shè)計了基于CAN/LIN通訊協(xié)議的分布式車身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并對其低功耗進行了研究。從硬件上提出了節(jié)點的低功耗設(shè)計方法，并分析了節(jié)點能耗主要來源，提出動態(tài)電壓調(diào)節(jié)和動態(tài)能量管理的控制策略；結(jié)合操作系統(tǒng)的空閑任務(wù)，從軟件上給出了兩種系統(tǒng)進人低功耗模式的方法，利用CAN/LIN總線實現(xiàn)了單節(jié)點到整個系統(tǒng)的喚醒。經(jīng)臺架驗證可知，該設(shè)計可以顯著降低車身控制系統(tǒng)的功耗。

1 前言

大量的電子裝置應(yīng)用到汽車中導(dǎo)致車身布線量大且復(fù)雜，使運行可靠性降低、故障維護難度增大[1，2]。而用于車身控制的電子裝置不同于其它裝置，可以在汽車停止時完全停止工作，如具有車身防護和開鎖喚醒功能的電子裝置需要一直處于工作狀態(tài)，而蓄電池在發(fā)動機停止時可供的電能有限，因此實現(xiàn)車身系統(tǒng)在汽車停止時功耗低成為一個非常值得研究的問題[3]。

針對上述問題，本文在CAN/LIN總線及協(xié)議基礎(chǔ)上，提出了可以解決上述問題的低功耗分布式車身網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

2 車身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計

CAN總線具有速度較快、易于實現(xiàn)、錯誤檢測方便等特點使其成為汽車網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的首選結(jié)構(gòu)[3，4]；而LIN總線是針對低成本應(yīng)用而開發(fā)的汽車串行協(xié)議，用于實現(xiàn)汽車中的分布式電子控制，為CAN總線提供輔助功能。

本文采用的分布式控制是根據(jù)物理結(jié)構(gòu)劃分為3個CAN/LIN網(wǎng)關(guān)，每個網(wǎng)關(guān)的LIN節(jié)點不多于6個。這種結(jié)構(gòu)是參考了目前市場上現(xiàn)有的奔馳、大眾汽車，綜合考慮成本所確定的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

3 車身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的節(jié)點低功耗硬件設(shè)計

3.1 降低系統(tǒng)時鐘頻率

微控制器的功耗與振蕩頻率有關(guān)，在權(quán)衡單片機的運算速度后，時鐘頻率較低時電流消耗將降低[5]。本文選用freescale公司的MC9S08DZ128系列單片機，其時鐘由多功能時鐘發(fā)生器（MCG）提供。MCG模塊中包含1個鎖頻環(huán)（FLL）和1個鎖相環(huán)（PLL），可以由內(nèi)部或外部參考時鐘控制，時鐘頻率范圍為32 kHz～40 MHz。當(dāng)供電電壓為5V、CPU時鐘頻率為40 MHz時，功耗約為45 mW；當(dāng)時鐘頻率為2 MHz時，功耗約為15 mW。微控制器功耗隨時鐘頻率的降低明顯減少。

3.2 降低電源電壓，壓縮電路動態(tài)范圍

大部分模擬電路工作電壓范圍寬，電路正常工作動態(tài)范圍較廣。在忽略電路增益的條件下，減低電源電壓可大大降低電路工作電流，從而降低功耗[3]。本文選用低功耗集成運放LM324，其單電源電壓工作范圍為5～30 V，當(dāng)電源電壓為5 V、10 V、15 V時，功耗分別為15 mW、90 mW、220 mW。

3.3 使用單片機低功耗模式

Freescale的微控制器一般至少提供WAIT模式和STOP模式2種低功耗模式，并可用wait和stop指令進人相應(yīng)模式。在WAIT模式下，內(nèi)部CPU時鐘關(guān)閉，但內(nèi)部總線時鐘并不停止，定時器仍然工作。在STOP模式下，CPU時鐘和內(nèi)部總線時鐘都被關(guān)閉，微控制器內(nèi)部的一切操作停止。而WAIT模式的功耗遠大于STOP模式功耗，本研究采用STOP模式[3]。

4 車身網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)功耗分析與低功耗管理策略

4.1 節(jié)點系統(tǒng)功耗分析

圖2所示為某節(jié)點各部分能量消耗情況。從圖2中可知，節(jié)點的絕大部分能量消耗在通信模塊、采集模塊和微處理器模塊。

4.2 微處理器低功耗管理策略

對節(jié)點的操作系統(tǒng)設(shè)計了動態(tài)功率管理（Dy namic Power Management）和動態(tài)電壓調(diào)節(jié)（Dynamic Voltage Scaling）模塊，以更有效利用系統(tǒng)的各種資源，實現(xiàn)微處理器的低功耗設(shè)計。

3.2.1 動態(tài)電壓調(diào)節(jié)

動態(tài)電壓調(diào)節(jié)（DVS）是基于負載狀態(tài)動態(tài)調(diào)節(jié)供電電壓來減小系統(tǒng)功耗。DVS技術(shù)利用這一點，動態(tài)改變處理器的工作電壓和頻率使其剛好滿足當(dāng)時的運行需求，從而在性能和能耗之間取得平衡[6]。圖3所示為動態(tài)電壓控制系統(tǒng)的原理框圖?？芍?，節(jié)點上的嵌入式操作系統(tǒng)負責(zé)調(diào)度來自不同任務(wù)隊列的請求接受服務(wù)，并實時監(jiān)測處理器的利用率和任務(wù)隊列的長度，負載觀測器依據(jù)這兩個參數(shù)的序列值計算負載的標稱值W，DC/DC轉(zhuǎn)換器參照該值輸出幅值為V（r）的電壓，支持處理器的正常工作[7]，構(gòu)成了一個典型的閉環(huán)反饋系統(tǒng)。

靜態(tài)CMOS的動態(tài)能量消耗公式為:

式中，Ct為門輸出結(jié)點的總電容；V2dd為CMOS供電電壓。

處理器在空閑狀態(tài)的泄漏能量為:

式中，Vth為設(shè)備的閥值電壓；Io為泄漏電流；n＇和Io與處理器有關(guān)。

每比特能量消耗可以表示為數(shù)字開關(guān)和泄漏能量之和:

其中，Tb為每比特的計算時間。

將公式（1）、公式（2）帶入公式（3）中可得:

式中，f為時鐘頻率；α為輸入節(jié)點每個時鐘周期的變化概率[7]。

由公式（4）可知，忽略泄漏能量，可在車身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中通過DVS技術(shù)改變電壓以平方的速度縮減處理器的動態(tài)能量消耗[8]。

4.2.2 動態(tài)功率管理

動態(tài)功率管理（DPM）的基本思想是節(jié)點內(nèi)部各個設(shè)備在不需要時關(guān)閉，在需要時喚醒，從而可以使控制器適時進入相應(yīng)的低功耗模式，降低總體能量消耗，并能通過軟件編程實現(xiàn)工作模式的切換[9，10]。利用功耗狀態(tài)機對車身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行建模，將系統(tǒng)狀態(tài)分為工作（BUSY）、空閑（IDLE）和低功耗（STOP）3種模式，如圖4所示。

4.2.2.1進入低功耗

利用空閑任務(wù)可以實現(xiàn)低功耗的自動控制，空閑任務(wù)是操作系統(tǒng)在初始化時建立的優(yōu)先級最低的任務(wù)，在沒有其他任務(wù)進入就緒狀態(tài)時投入運行。由于系統(tǒng)總是運行進入就緒狀態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)，因此若某段時間內(nèi)系統(tǒng)只有空閑任務(wù)運行，則說明系統(tǒng)中沒有其他就緒任務(wù)，從而進入空閑狀態(tài)[3]。

系統(tǒng)進入低功耗模式的條件通常分布在多個節(jié)點上，由所屬節(jié)點檢測并上報給主節(jié)點。主節(jié)點在空閑狀態(tài)中判斷系統(tǒng)能否進人低功耗模式，一旦完全滿足系統(tǒng)的低功耗條件，則通知其它節(jié)點，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的“主動”和“被控”停止。

4.2.2.2喚醒

a.喚醒源的分布

Freescale的微控制器低功耗模式支持多種喚醒中斷源，包括IRQ、I/O采集、ADC轉(zhuǎn)換完成中斷、實時時鐘（RTC）中斷、MSCAN和SCI接收器完成中斷。將所設(shè)計策略應(yīng)用于某商務(wù)車車身控制系統(tǒng)中，根據(jù)應(yīng)用要求，系統(tǒng)的喚醒源分布如表1所示。

表1 系統(tǒng)的喚醒源分布

b.喚醒過程

喚醒源的喚醒動作可能最先發(fā)生在子節(jié)點上，主節(jié)點和子節(jié)點喚醒系統(tǒng)的過程大致相同，如圖5所示。

當(dāng)某個喚醒源發(fā)生動作時，如某外圍芯片的引腳電平發(fā)生變化，將喚醒低功耗狀態(tài)下的外圍芯片，該外圍芯片再通過中斷喚醒MCU，被喚醒的節(jié)點再往總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，通過LIN/CAN中斷喚醒其它節(jié)點[3]。

4.2.2.3軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)對低功耗模式的直接管理是設(shè)計重點。主節(jié)點如何判斷當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)，并對子節(jié)點的工作模式進行統(tǒng)一管理，是軟件實現(xiàn)的難點。雖然在實際應(yīng)用中系統(tǒng)進入低功耗的條件分布在不同節(jié)點，但在設(shè)計時可以讓每個節(jié)點只管理自己的狀態(tài)，并在主節(jié)點詢問時上報[2]。主節(jié)點為每個STOP條件設(shè)置標志，用以表示該條件是否滿足。同時也為本節(jié)點能否STOP設(shè)置標志，當(dāng)且僅當(dāng)在收到所有子節(jié)點的STOP消息反饋后，STOP條件標志置l。主節(jié)點在空閑狀態(tài)里查詢STOP條件標志，若全為“真”則發(fā)送“系統(tǒng)休眠”消息，隨后判斷自己能否休眠，具體流程如圖6所示。子節(jié)點進入休眠的流程與主節(jié)點相似。

4.3 通訊模塊低功耗管理策略

通信模塊存在發(fā)送、接收、空閑和休眠4種狀態(tài)，其能量消耗在發(fā)送、接收和空閑狀態(tài)下最大，在休眠狀態(tài)下很低。為此，應(yīng)減少不必要的空閑偵聽，增加休眠時間。進入/退出休眠模式的動態(tài)狀態(tài)轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)換條件如圖7所示。

4.4 采集模塊低功耗管理策略

為了實現(xiàn)節(jié)能控制，微控制器通過控制電壓調(diào)整器的控制端控制采集模塊供電，使采集電路單元僅在需要其工作的短時間內(nèi)工作，其余時間處于斷電狀態(tài)[5]。如圖8所示，當(dāng)微控制器的RB3輸出低電平時，電壓調(diào)整器（SPX2941）關(guān)閉輸出；當(dāng)需要供電時，RB3輸出高電平。

5 試驗與分析

根據(jù)前面提出的基于CAN/LIN混合的分布式控制拓撲結(jié)構(gòu)，進行了車身臺架設(shè)計，如圖9所示，其中，實線為電源線，點劃線為CAN通訊線，虛線為LIN通訊線。整個臺架按照實車物理位置布置，由3大部分組成:左網(wǎng)關(guān)節(jié)點群、右網(wǎng)關(guān)節(jié)點群和后網(wǎng)關(guān)節(jié)點群。每個節(jié)點群分別由一個主節(jié)點（CAN/LIN網(wǎng)關(guān)節(jié)點）掛若干個LIN從節(jié)點，分別為門、燈、后視鏡、雨刮和儀表盤從節(jié)點。各節(jié)點群之間通過CAN/LIN網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)交換。

實際測量車身系統(tǒng)各類節(jié)點在采用動態(tài)技術(shù)低功耗設(shè)計和未采用低功耗設(shè)計2種情況下的功耗，結(jié)果如表2所示。

表2 車身控制系統(tǒng)的功耗

測量數(shù)據(jù)表明，采用動態(tài)低功耗技術(shù)的車身網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)比正常工作模式功耗節(jié)省94.19%，效果顯著。

1楊敘，韓峻峰，龍軍.高穩(wěn)定性低功耗的車用LIN總線智能終端設(shè)計.機床與液壓，2011（1）:110～112.

2韓江洪，陳花，張本宏，等.總線式車身控制系統(tǒng)的低功耗策略設(shè)計.汽車工程，2008（1）:10～13.

3騰召勝，陳繼斌.智能傳感暑各的低功耗設(shè)計.技術(shù)與應(yīng)用，1999（5）:27～30.

4ZHANG Ying-feng，DENG Cheng-lin，YU Yan et al.，APPLICATION RESEARCH ON SCR POST-PROCESSING SYSTEM IN NON-ELECTRONIC DIESEL ENGINE OF VEHICLES.SAE 2012-11-0311，2012:219～238.

5鄧成林，卜建國，俞妍，等.基于SCR技術(shù)的尿素供給系統(tǒng)設(shè)計.汽車工程，2013（12）:23～33.

6卜愛國.嵌入式系統(tǒng)動態(tài)低功耗設(shè)計策略的研究:[學(xué)位論文].南京:東南大學(xué)，2006.

7張大蹤.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗設(shè)計技術(shù)研究:[學(xué)位論文].重慶:西南科技大學(xué)，2007.

8Tang W.A Lumped/1-D Combined Approach for Modeling Wall-Flow Diesel Particulate Filters.SAE 2007-01-3971，2007:549～557.

9熊燕.MSP430微控制器的能耗計算與低功耗設(shè)計.計算機技術(shù)，2005，21（3）:39～41.

10肖建云.低功耗MCU系統(tǒng)軟硬件設(shè)計考慮.技術(shù)交流，2007（3）:104～105.（責(zé)任編輯簾青）修改稿收到日期為2014年10月1日。

The Design of Low Power-consumption Strategy based on Dynamic Techniques for Distribute-based Auto-body Control System

Yu Yan，Bu Jianguo，Li Jianwen，Xu Zhengfei，Liu Guidong
（Academy of Military Transportation）

The distributed-based auto-body network based on CAN/LIN communication protocol is designed，and its low power consumption strategy is analyzed.The low power consumption design method of node for hardware is proposed and the main source of energy consumption of node is analyzed，and dynamic voltage scaling(DVS)and dynamic power management(DPM)control strategies are put forward.In consideration of the idle tasks of the operation system，two different approaches to access to the low power-consumption mode are suggested，and we adopt CAN/LIN bus to enable wake-up from single node to the whole auto-body control system.We conclude from bench test that such design can greatly reduce the power consumption of body control system.

Distribute-based，Auto-body network，Dynamic voltage scaling(DVS)，Dynamic power management(DPM)，Low power-consumption

分布式車身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)動態(tài)電壓調(diào)節(jié)動態(tài)能量管理低功耗

U463.6

A

1000-3703（2014）12-0045-04

國家863課題“基于動態(tài)技術(shù)的分布式車身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)低功耗設(shè)計與研究”（2012BGA0602B）。