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μC/OS-II實時操作系統(tǒng)在混合動力整車控制器中的應(yīng)用

作者: 時間:2012-02-15 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

混聯(lián)式系統(tǒng)的子系統(tǒng)眾多,其中作為實現(xiàn)駕駛員駕駛需求和能量安全的管理系統(tǒng),需要協(xié)調(diào)發(fā)動機、扭矩、電機和電池的功率在不同工況下的合理分配,實現(xiàn)制動能量回饋,并控制外圍設(shè)備(如空調(diào)、燈光),以達到最佳的節(jié)能排放效果。系統(tǒng)任務(wù)的復(fù)雜性和強電磁干擾環(huán)境都對性和可靠性提出了重大挑戰(zhàn),傳統(tǒng)的單任務(wù)循環(huán)式的程序控制模式難以滿足需求,因此作者采用了開放源碼的嵌入式μ設(shè)計系統(tǒng)軟件。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/149677.htm

1 整車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所開發(fā)的全轎車是天津市重大專項課題,以長城哈佛SUV轎車為平臺。該車系統(tǒng)主要由發(fā)動機、交流電動機、交流發(fā)電機和高性能的鎳氫電池、行星架動力分配機構(gòu)以及DC-AC逆變器組成。整車控制器采用總線與發(fā)動機管理系統(tǒng)、電機控制器和動力電池組管理系統(tǒng)交換信息,并且預(yù)留了1路CAN以便后期與車身系統(tǒng)通信。

整車控制器根據(jù)駕駛員輸入信號,結(jié)合電池組狀態(tài)和車輛當(dāng)前運行狀態(tài),根據(jù)一定的策略控制各個子系統(tǒng)的工作,實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖1所示。

2 整車控制器硬件設(shè)計

ECU的硬件設(shè)計按照模塊化原則,可分為如下幾個功能模塊:微控制器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、功率驅(qū)動及保護模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊、通信模塊、顯示及報警接口和標(biāo)定診斷接口等。采用 Infineon公司的XC164CS微控制器,它基于增強的C166SVZ內(nèi)核,并在性能上優(yōu)于其他16位微控制器:內(nèi)部集成DSP功能、擴展的中斷處理能力、強大的片上外設(shè)以及高性能片上Flash,如圖2所示。

3 μ的移植

μ嵌入式采用ANSI C語言編寫,具備很好的可讀性和可移植性;對硬件資源要求不高,在大多數(shù)8位、16位微控制器上都可以實現(xiàn)移植。

3.1 μC/OS-II的啟動

首先要調(diào)用硬件驅(qū)動程序?qū)τ布M行初始化設(shè)置,然后調(diào)用系統(tǒng)初始化函數(shù)OSlnit()初始化μC/OS-II所有的變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

啟動μC/OS-II之前建立1個任務(wù)。OSlnit()建立空閑任務(wù)idletask,這個任務(wù)總是處于就緒態(tài)。空閑任務(wù)OSTaskIdle()的優(yōu)先級設(shè)成最低,即OS_LOWEST_PRIO。多任務(wù)的啟動需要用戶通過調(diào)用OSStart()實現(xiàn)。當(dāng)然還有其他設(shè)置,這里不再一一介紹。

3.2 μC/OS-II的移植

μC/OS-II在XC164CS微處理器上的移植主要實現(xiàn)對3個文件OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU A.ASM的處理。

3.2.1頭文件 INCLUDES.H

INCLUDES.H頭文件應(yīng)被包含到所有C文件的第1行。盡管包含不相關(guān)文件可能會增加文件的編譯時間,但增強了代碼的可移植性。用戶可以編輯增加自己的頭文件,但必須添加在頭文件列表的最后。

3.2.2 OS_CPU.H文件

OS_CPU.H 文件中包含與處理器相關(guān)的常量、宏和結(jié)構(gòu)體的定義。針對XC164CS處理器,定義堆棧數(shù)據(jù)類型為16位,棧向下遞減;將μC/OS-II控制中斷的2個宏OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()定義為微控制器關(guān)閉(SETC)和打開(CLRC)中斷的指令;聲明 OS_TASK_SW()函數(shù),中斷服務(wù)程序ISR的入口指向函數(shù)OSCtxSw()。

3.2.3 OS CPU A.ASM

μC/OS-II移植時要求用戶編寫4個匯編語言函數(shù):OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()和OSTickISR()。

(1)OSStartHighRdy()

調(diào)用該函數(shù)使處于就緒狀態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)開始運行。由于操作系統(tǒng)是不返回的函數(shù),所以調(diào)用后需移去堆棧棧頂?shù)姆祷氐刂?,然后?zhí)行用戶調(diào)用函數(shù) OSTaskSwHook(),最后開始運行多任務(wù),獲得優(yōu)先級最高的任務(wù)的指針,根據(jù)這個指針從任務(wù)堆棧中恢復(fù)所有寄存器,恢復(fù)完后執(zhí)行中斷返回,運行就緒態(tài)任務(wù)。

(2)OSCtxSw()

當(dāng)從低優(yōu)先級的任務(wù)切換到較高優(yōu)先級的任務(wù)時,調(diào)用任務(wù)切換函數(shù) OSCtxSw()保存處理器的內(nèi)容和任務(wù)指針到當(dāng)前任務(wù)的任務(wù)堆棧,然后執(zhí)行用戶調(diào)用函數(shù)OSTaskSwHook(),最后從要執(zhí)行任務(wù)的任務(wù)堆棧里恢復(fù)寄存器和堆棧中的內(nèi)容,執(zhí)行中斷返回指令開始運行新的任務(wù)。

(3)OSIntCtxSw()

當(dāng)需要在中 斷發(fā)生后切換到更高優(yōu)先級的任務(wù)時,調(diào)用中斷級任務(wù)切換函數(shù)OSIntCtxSw(),然后執(zhí)行用戶調(diào)用函數(shù)OSTaskSwHook()。因為該函數(shù)是在中斷程序中被調(diào)用,所以不需要保存中斷任務(wù)的寄存器;中斷子程序在調(diào)用函數(shù)OSInExit()時,將返回地址壓入堆棧,在這里不需要再返回,所以必須從堆棧中清理掉返回地址。

(4)OSTickISR()

OSTickISR()是μC/OS-II中的時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)程序。在每個時鐘節(jié)拍調(diào)用該函數(shù),給每個處于延時的任務(wù)延時減1,并檢查所有處于延時狀態(tài)的任務(wù)是否延時結(jié)束成為就緒任務(wù)。然后調(diào)用OSIntExit(),如果有優(yōu)先級更高的任務(wù)就緒,OSIntExit()就會進行任務(wù)調(diào)度。OSIntExit()并不返回調(diào)用者,而是用新的任務(wù)堆棧中的內(nèi)容來恢復(fù)CPU現(xiàn)場,由中斷返回執(zhí)行新的任務(wù)。

3.2.4OS_CPU_C.C

用戶需要編寫6個C語言函數(shù)OSTaskStkInit()、 OSTaskCreateHook()、OSTaskDelHook()、OSTaskSwHook()、OSTaskSatHook()、 OSTimeTickHook()。其中,唯一必要的是OSTaskStkInit(),其他5個必須聲明,但可以不包含代碼。

OSTaskStkInit() 由任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()調(diào)用,在建立每個任務(wù)的時候初始化任務(wù)堆棧。開始運行這個任務(wù)就是模擬中斷返回,把初始化后堆棧中保存的值恢復(fù)到各個寄存器。初始化任務(wù)堆棧時,要傳遞任務(wù)代碼起始指針(Ptask)、參數(shù)指針(Pdata)、任務(wù)堆棧棧頂指針。任務(wù)堆棧初始化完成后,返回一個新的堆棧棧頂指針,OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()將它保存到OSTCB中。

在 OS_CPU_C.C文件中可以創(chuàng)建5個鉤子函數(shù),使用的前提是配置文件中常量OS_CPU_HOOKS_EN使能。

至此,μC/OS- II操作系統(tǒng)的移植基本完成。

4 整車控制器軟件多任務(wù)設(shè)計

整車控制器軟件設(shè)計以實時操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺,將程序分解成多任務(wù),簡化了系統(tǒng)軟件的設(shè)計,保證了整車控制系統(tǒng)的實時性,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。整個系統(tǒng)的主程序流程如圖3所示。

4.1 定時器模塊

定時器的主要功能是為軟件程序提供基準時鐘。本選擇T5作為時鐘基準,在初始化函數(shù)void GPT_vInit()中完成模塊寄存器配置;中斷服務(wù)程序設(shè)置為OSTicklSR(),中斷向量為0x25。通過建立時鐘任務(wù)函數(shù) Timer_Int(),調(diào)用時鐘節(jié)拍函數(shù)OSTimeTick(),實現(xiàn)定時器與系統(tǒng)時鐘的連接。系統(tǒng)時鐘節(jié)拍編程為1 ms,可以減少中斷服務(wù)時間,提高實時性。

4.2 CAN通信模塊

CAN通信模塊功能是實現(xiàn)整車控制器與其他節(jié)點間的信息傳輸。周期性傳輸,傳輸周期為20 ms,通信速率為250 kbps,中斷調(diào)用CAN通信服務(wù)程序。

創(chuàng)建CAN通信模塊任務(wù) CAN_Trans,任務(wù)優(yōu)先級3:

4.3 A/D模塊

A/D模塊功能是完成讀取蓄電池電壓、加速踏板傳感器和節(jié)氣門位置傳感器信號,并進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,被其他函數(shù)調(diào)用。

創(chuàng)建A/D轉(zhuǎn)換模塊任務(wù)ADC_Cony,任務(wù)優(yōu)先級4:

4.4 整車控制主程序模塊

動力汽車系統(tǒng)各模塊自檢成功后,整車控制器要求啟動電池,進入正常EV工作模式。然后通過判斷檔位,鑰匙開關(guān)和油門踏板等信息,進入不同的處理模塊??刂撇呗园ㄕ嚳刂撇呗院湍芰苛鞴芾聿呗?,實現(xiàn)基于扭矩算法的控制輸出。

創(chuàng)建整車控制主程序任務(wù)Drive_Ctr,優(yōu)先級9:

OSTaskCreate(Drive_Ctr, (void*)Drive_Ctr[OS_TASK_STK],9)

這里限于篇幅不再介紹其他模塊,大體過程相似。

結(jié)語

隨著汽車整車技術(shù)的不斷發(fā)展和法規(guī)日益嚴格的要求,汽車電子系統(tǒng)會變得越來越復(fù)雜,采用操作系統(tǒng)來實現(xiàn)對復(fù)雜任務(wù)的管理和協(xié)調(diào),將成為不可避免的趨勢。

本文通過混合動力整車控制器的軟硬件設(shè)計,詳細說明了μC/OS-II系統(tǒng)移植過程,優(yōu)化了系統(tǒng)軟件設(shè)計,充分滿足了系統(tǒng)的需求。經(jīng)實車試驗測試取得了很好的效果。

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