基于动态技术的分布式车身网络系统低功耗设计与研究＊

俞妍 卜建国 李建文 徐正飞 柳贵东

（军事交通学院）

基于动态技术的分布式车身网络系统低功耗设计与研究＊

俞妍 卜建国 李建文 徐正飞 柳贵东

（军事交通学院）

设计了基于CAN/LIN通讯协议的分布式车身网络系统，并对其低功耗进行了研究。从硬件上提出了节点的低功耗设计方法，并分析了节点能耗主要来源，提出动态电压调节和动态能量管理的控制策略；结合操作系统的空闲任务，从软件上给出了两种系统进人低功耗模式的方法，利用CAN/LIN总线实现了单节点到整个系统的唤醒。经台架验证可知，该设计可以显著降低车身控制系统的功耗。

1 前言

大量的电子装置应用到汽车中导致车身布线量大且复杂，使运行可靠性降低、故障维护难度增大[1，2]。而用于车身控制的电子装置不同于其它装置，可以在汽车停止时完全停止工作，如具有车身防护和开锁唤醒功能的电子装置需要一直处于工作状态，而蓄电池在发动机停止时可供的电能有限，因此实现车身系统在汽车停止时功耗低成为一个非常值得研究的问题[3]。

针对上述问题，本文在CAN/LIN总线及协议基础上，提出了可以解决上述问题的低功耗分布式车身网络控制系统。

2 车身网络系统的分布式结构设计

CAN总线具有速度较快、易于实现、错误检测方便等特点使其成为汽车网络应用的首选结构[3，4]；而LIN总线是针对低成本应用而开发的汽车串行协议，用于实现汽车中的分布式电子控制，为CAN总线提供辅助功能。

本文采用的分布式控制是根据物理结构划分为3个CAN/LIN网关，每个网关的LIN节点不多于6个。这种结构是参考了目前市场上现有的奔驰、大众汽车，综合考虑成本所确定的网络拓扑结构，如图1所示。

3 车身网络系统的节点低功耗硬件设计

3.1 降低系统时钟频率

微控制器的功耗与振荡频率有关，在权衡单片机的运算速度后，时钟频率较低时电流消耗将降低[5]。本文选用freescale公司的MC9S08DZ128系列单片机，其时钟由多功能时钟发生器（MCG）提供。MCG模块中包含1个锁频环（FLL）和1个锁相环（PLL），可以由内部或外部参考时钟控制，时钟频率范围为32 kHz～40 MHz。当供电电压为5V、CPU时钟频率为40 MHz时，功耗约为45 mW；当时钟频率为2 MHz时，功耗约为15 mW。微控制器功耗随时钟频率的降低明显减少。

3.2 降低电源电压，压缩电路动态范围

大部分模拟电路工作电压范围宽，电路正常工作动态范围较广。在忽略电路增益的条件下，减低电源电压可大大降低电路工作电流，从而降低功耗[3]。本文选用低功耗集成运放LM324，其单电源电压工作范围为5～30 V，当电源电压为5 V、10 V、15 V时，功耗分别为15 mW、90 mW、220 mW。

3.3 使用单片机低功耗模式

Freescale的微控制器一般至少提供WAIT模式和STOP模式2种低功耗模式，并可用wait和stop指令进人相应模式。在WAIT模式下，内部CPU时钟关闭，但内部总线时钟并不停止，定时器仍然工作。在STOP模式下，CPU时钟和内部总线时钟都被关闭，微控制器内部的一切操作停止。而WAIT模式的功耗远大于STOP模式功耗，本研究采用STOP模式[3]。

4 车身网络控制系统功耗分析与低功耗管理策略

4.1 节点系统功耗分析

图2所示为某节点各部分能量消耗情况。从图2中可知，节点的绝大部分能量消耗在通信模块、采集模块和微处理器模块。

4.2 微处理器低功耗管理策略

对节点的操作系统设计了动态功率管理（Dy namic Power Management）和动态电压调节（Dynamic Voltage Scaling）模块，以更有效利用系统的各种资源，实现微处理器的低功耗设计。

3.2.1 动态电压调节

动态电压调节（DVS）是基于负载状态动态调节供电电压来减小系统功耗。DVS技术利用这一点，动态改变处理器的工作电压和频率使其刚好满足当时的运行需求，从而在性能和能耗之间取得平衡[6]。图3所示为动态电压控制系统的原理框图。可知，节点上的嵌入式操作系统负责调度来自不同任务队列的请求接受服务，并实时监测处理器的利用率和任务队列的长度，负载观测器依据这两个参数的序列值计算负载的标称值W，DC/DC转换器参照该值输出幅值为V（r）的电压，支持处理器的正常工作[7]，构成了一个典型的闭环反馈系统。

静态CMOS的动态能量消耗公式为:

式中，Ct为门输出结点的总电容；V2dd为CMOS供电电压。

处理器在空闲状态的泄漏能量为:

式中，Vth为设备的阀值电压；Io为泄漏电流；n＇和Io与处理器有关。

每比特能量消耗可以表示为数字开关和泄漏能量之和:

其中，Tb为每比特的计算时间。

将公式（1）、公式（2）带入公式（3）中可得:

式中，f为时钟频率；α为输入节点每个时钟周期的变化概率[7]。

由公式（4）可知，忽略泄漏能量，可在车身网络系统中通过DVS技术改变电压以平方的速度缩减处理器的动态能量消耗[8]。

4.2.2 动态功率管理

动态功率管理（DPM）的基本思想是节点内部各个设备在不需要时关闭，在需要时唤醒，从而可以使控制器适时进入相应的低功耗模式，降低总体能量消耗，并能通过软件编程实现工作模式的切换[9，10]。利用功耗状态机对车身网络系统进行建模，将系统状态分为工作（BUSY）、空闲（IDLE）和低功耗（STOP）3种模式，如图4所示。

4.2.2.1进入低功耗

利用空闲任务可以实现低功耗的自动控制，空闲任务是操作系统在初始化时建立的优先级最低的任务，在没有其他任务进入就绪状态时投入运行。由于系统总是运行进入就绪状态的优先级最高的任务，因此若某段时间内系统只有空闲任务运行，则说明系统中没有其他就绪任务，从而进入空闲状态[3]。

系统进入低功耗模式的条件通常分布在多个节点上，由所属节点检测并上报给主节点。主节点在空闲状态中判断系统能否进人低功耗模式，一旦完全满足系统的低功耗条件，则通知其它节点，从而实现系统的“主动”和“被控”停止。

4.2.2.2唤醒

a.唤醒源的分布

Freescale的微控制器低功耗模式支持多种唤醒中断源，包括IRQ、I/O采集、ADC转换完成中断、实时时钟（RTC）中断、MSCAN和SCI接收器完成中断。将所设计策略应用于某商务车车身控制系统中，根据应用要求，系统的唤醒源分布如表1所示。

表1 系统的唤醒源分布

b.唤醒过程

唤醒源的唤醒动作可能最先发生在子节点上，主节点和子节点唤醒系统的过程大致相同，如图5所示。

当某个唤醒源发生动作时，如某外围芯片的引脚电平发生变化，将唤醒低功耗状态下的外围芯片，该外围芯片再通过中断唤醒MCU，被唤醒的节点再往总线上发送数据，通过LIN/CAN中断唤醒其它节点[3]。

4.2.2.3软件实现

系统对低功耗模式的直接管理是设计重点。主节点如何判断当前的系统状态，并对子节点的工作模式进行统一管理，是软件实现的难点。虽然在实际应用中系统进入低功耗的条件分布在不同节点，但在设计时可以让每个节点只管理自己的状态，并在主节点询问时上报[2]。主节点为每个STOP条件设置标志，用以表示该条件是否满足。同时也为本节点能否STOP设置标志，当且仅当在收到所有子节点的STOP消息反馈后，STOP条件标志置l。主节点在空闲状态里查询STOP条件标志，若全为“真”则发送“系统休眠”消息，随后判断自己能否休眠，具体流程如图6所示。子节点进入休眠的流程与主节点相似。

4.3 通讯模块低功耗管理策略

通信模块存在发送、接收、空闲和休眠4种状态，其能量消耗在发送、接收和空闲状态下最大，在休眠状态下很低。为此，应减少不必要的空闲侦听，增加休眠时间。进入/退出休眠模式的动态状态转换及转换条件如图7所示。

4.4 采集模块低功耗管理策略

为了实现节能控制，微控制器通过控制电压调整器的控制端控制采集模块供电，使采集电路单元仅在需要其工作的短时间内工作，其余时间处于断电状态[5]。如图8所示，当微控制器的RB3输出低电平时，电压调整器（SPX2941）关闭输出；当需要供电时，RB3输出高电平。

5 试验与分析

根据前面提出的基于CAN/LIN混合的分布式控制拓扑结构，进行了车身台架设计，如图9所示，其中，实线为电源线，点划线为CAN通讯线，虚线为LIN通讯线。整个台架按照实车物理位置布置，由3大部分组成:左网关节点群、右网关节点群和后网关节点群。每个节点群分别由一个主节点（CAN/LIN网关节点）挂若干个LIN从节点，分别为门、灯、后视镜、雨刮和仪表盘从节点。各节点群之间通过CAN/LIN网关进行数据交换。

实际测量车身系统各类节点在采用动态技术低功耗设计和未采用低功耗设计2种情况下的功耗，结果如表2所示。

表2 车身控制系统的功耗

测量数据表明，采用动态低功耗技术的车身网络控制系统比正常工作模式功耗节省94.19%，效果显著。

1杨叙，韩峻峰，龙军.高稳定性低功耗的车用LIN总线智能终端设计.机床与液压，2011（1）:110～112.

2韩江洪，陈花，张本宏，等.总线式车身控制系统的低功耗策略设计.汽车工程，2008（1）:10～13.

3腾召胜，陈继斌.智能传感暑各的低功耗设计.技术与应用，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邓成林，卜建国，俞妍，等.基于SCR技术的尿素供给系统设计.汽车工程，2013（12）:23～33.

6卜爱国.嵌入式系统动态低功耗设计策略的研究:[学位论文].南京:东南大学，2006.

7张大踪.无线传感器网络的低功耗设计技术研究:[学位论文].重庆:西南科技大学，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微控制器的能耗计算与低功耗设计.计算机技术，2005，21（3）:39～41.

10肖建云.低功耗MCU系统软硬件设计考虑.技术交流，2007（3）:104～105.（责任编辑帘青）修改稿收到日期为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

分布式车身网络系统动态电压调节动态能量管理低功耗

U463.6

A

1000-3703（2014）12-0045-04

国家863课题“基于动态技术的分布式车身网络系统低功耗设计与研究”（2012BGA0602B）。