俞妍 卜建國(guó) 李建文 徐正飛 柳貴東

（軍事交通學(xué)院）

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

俞妍 卜建國(guó) 李建文 徐正飛 柳貴東

（軍事交通學(xué)院）

設(shè)計(jì)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(duì)其低功耗進(jìn)行了研究。從硬件上提出了節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)方法，并分析了節(jié)點(diǎn)能耗主要來(lái)源，提出動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)和動(dòng)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(jìn)人低功耗模式的方法，利用CAN/LIN總線實(shí)現(xiàn)了單節(jié)點(diǎn)到整個(gè)系統(tǒng)的喚醒。經(jīng)臺(tái)架驗(yàn)證可知，該設(shè)計(jì)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(yùn)行可靠性降低、故障維護(hù)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(shí)完全停止工作，如具有車身防護(hù)和開(kāi)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(dòng)機(jī)停止時(shí)可供的電能有限，因此實(shí)現(xiàn)車身系統(tǒng)在汽車停止時(shí)功耗低成為一個(gè)非常值得研究的問(wèn)題[3]。

針對(duì)上述問(wèn)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(wèn)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(jì)

CAN總線具有速度較快、易于實(shí)現(xiàn)、錯(cuò)誤檢測(cè)方便等特點(diǎn)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(duì)低成本應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的汽車串行協(xié)議，用于實(shí)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(gè)CAN/LIN網(wǎng)關(guān)，每個(gè)網(wǎng)關(guān)的LIN節(jié)點(diǎn)不多于6個(gè)。這種結(jié)構(gòu)是參考了目前市場(chǎng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。

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

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

3.2 降低電源電壓，壓縮電路動(dòng)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(dòng)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(yùn)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(shí)，功耗分別為15 mW、90 mW、220 mW。

3.3 使用單片機(jī)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(jìn)人相應(yīng)模式。在WAIT模式下，內(nèi)部CPU時(shí)鐘關(guān)閉，但內(nèi)部總線時(shí)鐘并不停止，定時(shí)器仍然工作。在STOP模式下，CPU時(shí)鐘和內(nèi)部總線時(shí)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(yuǎn)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(diǎn)系統(tǒng)功耗分析

圖2所示為某節(jié)點(diǎn)各部分能量消耗情況。從圖2中可知，節(jié)點(diǎn)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(duì)節(jié)點(diǎn)的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)功率管理（Dy namic Power Management）和動(dòng)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(shí)現(xiàn)微處理器的低功耗設(shè)計(jì)。

3.2.1 動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)

動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)（DVS）是基于負(fù)載狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)供電電壓來(lái)減小系統(tǒng)功耗。DVS技術(shù)利用這一點(diǎn)，動(dòng)態(tài)改變處理器的工作電壓和頻率使其剛好滿足當(dāng)時(shí)的運(yùn)行需求，從而在性能和能耗之間取得平衡[6]。圖3所示為動(dòng)態(tài)電壓控制系統(tǒng)的原理框圖?？芍?，節(jié)點(diǎn)上的嵌入式操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)度來(lái)自不同任務(wù)隊(duì)列的請(qǐng)求接受服務(wù)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)處理器的利用率和任務(wù)隊(duì)列的長(zhǎng)度，負(fù)載觀測(cè)器依據(jù)這兩個(gè)參數(shù)的序列值計(jì)算負(fù)載的標(biāo)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(gè)典型的閉環(huán)反饋系統(tǒng)。

靜態(tài)CMOS的動(dòng)態(tài)能量消耗公式為:

式中，Ct為門輸出結(jié)點(diǎn)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(kāi)關(guān)和泄漏能量之和:

其中，Tb為每比特的計(jì)算時(shí)間。

將公式（1）、公式（2）帶入公式（3）中可得:

式中，f為時(shí)鐘頻率；α為輸入節(jié)點(diǎn)每個(gè)時(shí)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(guò)DVS技術(shù)改變電壓以平方的速度縮減處理器的動(dòng)態(tài)能量消耗[8]。

4.2.2 動(dòng)態(tài)功率管理

動(dòng)態(tài)功率管理（DPM）的基本思想是節(jié)點(diǎn)內(nèi)部各個(gè)設(shè)備在不需要時(shí)關(guān)閉，在需要時(shí)喚醒，從而可以使控制器適時(shí)進(jìn)入相應(yīng)的低功耗模式，降低總體能量消耗，并能通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)工作模式的切換[9，10]。利用功耗狀態(tài)機(jī)對(duì)車身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)入低功耗

利用空閑任務(wù)可以實(shí)現(xiàn)低功耗的自動(dòng)控制，空閑任務(wù)是操作系統(tǒng)在初始化時(shí)建立的優(yōu)先級(jí)最低的任務(wù)，在沒(méi)有其他任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)時(shí)投入運(yùn)行。由于系統(tǒng)總是運(yùn)行進(jìn)入就緒狀態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，因此若某段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)只有空閑任務(wù)運(yùn)行，則說(shuō)明系統(tǒng)中沒(méi)有其他就緒任務(wù)，從而進(jìn)入空閑狀態(tài)[3]。

系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式的條件通常分布在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上，由所屬節(jié)點(diǎn)檢測(cè)并上報(bào)給主節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)在空閑狀態(tài)中判斷系統(tǒng)能否進(jìn)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(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的“主動(dòng)”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(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）中斷、MSCAN和SCI接收器完成中斷。將所設(shè)計(jì)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(guò)程

喚醒源的喚醒動(dòng)作可能最先發(fā)生在子節(jié)點(diǎn)上，主節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)喚醒系統(tǒng)的過(guò)程大致相同，如圖5所示。

當(dāng)某個(gè)喚醒源發(fā)生動(dòng)作時(shí)，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(guò)中斷喚醒MCU，被喚醒的節(jié)點(diǎn)再往總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，通過(guò)LIN/CAN中斷喚醒其它節(jié)點(diǎn)[3]。

4.2.2.3軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)對(duì)低功耗模式的直接管理是設(shè)計(jì)重點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)如何判斷當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)，并對(duì)子節(jié)點(diǎn)的工作模式進(jìn)行統(tǒng)一管理，是軟件實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)。雖然在實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)進(jìn)入低功耗的條件分布在不同節(jié)點(diǎn)，但在設(shè)計(jì)時(shí)可以讓每個(gè)節(jié)點(diǎn)只管理自己的狀態(tài)，并在主節(jié)點(diǎn)詢問(wèn)時(shí)上報(bào)[2]。主節(jié)點(diǎn)為每個(gè)STOP條件設(shè)置標(biāo)志，用以表示該條件是否滿足。同時(shí)也為本節(jié)點(diǎn)能否STOP設(shè)置標(biāo)志，當(dāng)且僅當(dāng)在收到所有子節(jié)點(diǎn)的STOP消息反饋后，STOP條件標(biāo)志置l。主節(jié)點(diǎn)在空閑狀態(tài)里查詢STOP條件標(biāo)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(diǎn)進(jìn)入休眠的流程與主節(jié)點(diǎn)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(tīng)，增加休眠時(shí)間。進(jìn)入/退出休眠模式的動(dòng)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(shí)現(xiàn)節(jié)能控制，微控制器通過(guò)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(shí)間內(nèi)工作，其余時(shí)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(shí)，電壓調(diào)整器（SPX2941）關(guān)閉輸出；當(dāng)需要供電時(shí)，RB3輸出高電平。

5 試驗(yàn)與分析

根據(jù)前面提出的基于CAN/LIN混合的分布式控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)行了車身臺(tái)架設(shè)計(jì)，如圖9所示，其中，實(shí)線為電源線，點(diǎn)劃線為CAN通訊線，虛線為L(zhǎng)IN通訊線。整個(gè)臺(tái)架按照實(shí)車物理位置布置，由3大部分組成:左網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)群、右網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)群和后網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)群。每個(gè)節(jié)點(diǎn)群分別由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)（CAN/LIN網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)）掛若干個(gè)LIN從節(jié)點(diǎn)，分別為門、燈、后視鏡、雨刮和儀表盤從節(jié)點(diǎn)。各節(jié)點(diǎn)群之間通過(guò)CAN/LIN網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

實(shí)際測(cè)量車身系統(tǒng)各類節(jié)點(diǎn)在采用動(dòng)態(tài)技術(shù)低功耗設(shè)計(jì)和未采用低功耗設(shè)計(jì)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(cè)量數(shù)據(jù)表明，采用動(dòng)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(jì).機(jī)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(jì).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(jì).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(guó)，俞妍，等.基于SCR技術(shù)的尿素供給系統(tǒng)設(shè)計(jì).汽車工程，2013（12）:23～33.

6卜愛(ài)國(guó).嵌入式系統(tǒng)動(dòng)態(tài)低功耗設(shè)計(jì)策略的研究:[學(xué)位論文].南京:東南大學(xué)，2006.

7張大蹤.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗設(shè)計(jì)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(jì)算與低功耗設(shè)計(jì).計(jì)算機(jī)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(jì)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(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)能量管理低功耗

U463.6

A

1000-3703（2014）12-0045-04

國(guó)家863課題“基于動(dòng)態(tài)技術(shù)的分布式車身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)與研究”（2012BGA0602B）。