μC/OS-II實(shí)時操作系統(tǒng)在混合動力整車控制器中的應(yīng)用
摘要： 混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的子系統(tǒng)眾多，其中整車控制器作為實(shí)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(jī)、扭矩、電機(jī)和電池的功率在不同工況下的合理分配，實(shí)現(xiàn)制動能量回饋，并控制外圍設(shè)備(如空調(diào)、燈光)，以達(dá)到最佳的節(jié)能排放效果。系統(tǒng)任務(wù)的復(fù)雜性和強(qiáng)電磁干擾環(huán)境都對整車控制器的實(shí)時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操作系統(tǒng)μC／OS-II設(shè)計整車控制器系統(tǒng)軟件。
Abstract：
Key words :
混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的子系統(tǒng)眾多，其中整車控制器作為實(shí)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(jī)、扭矩、電機(jī)和電池的功率在不同工況下的合理分配，實(shí)現(xiàn)制動能量回饋，并控制外圍設(shè)備(如空調(diào)、燈光)，以達(dá)到最佳的節(jié)能排放效果。系統(tǒng)任務(wù)的復(fù)雜性和強(qiáng)電磁干擾環(huán)境都對整車控制器的實(shí)時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操作系統(tǒng)μC/OS-II設(shè)計整車控制器系統(tǒng)軟件。
1 整車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
所開發(fā)的全混合動力轎車是天津市重大專項課題，以長城哈佛SUV轎車為平臺。該車動力系統(tǒng)主要由發(fā)動機(jī)、交流電動機(jī)、交流發(fā)電機(jī)和高性能的鎳氫電池、行星架動力分配機(jī)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(jī)管理系統(tǒng)、電機(jī)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(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)一定的策略控制各個子系統(tǒng)的工作，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1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(hù)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(qiáng)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(kuò)展的中斷處理能力、強(qiáng)大的片上外設(shè)以及高性能片上Flash，如圖2所示。
3 μC/OS-II的移植
μC/OS-II嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)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(shí)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(jìn)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個應(yīng)用任務(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(shí)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操作系統(tǒng)在XC164CS微處理器上的移植主要實(shí)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(qiáng)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(yùn)行。由于實(shí)時操作系統(tǒng)是不返回的函數(shù)，所以調(diào)用后需移去堆棧棧頂?shù)姆祷氐刂罚缓髨?zhí)行用戶調(diào)用函數(shù) OSTaskSwHook()，最后開始運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(jìn)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(yùn)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(shí)時操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，將應(yīng)用程序分解成多任務(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(shí)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(zhǔn)時鐘。本應(yīng)用選擇T5作為時鐘基準(zhǔn)，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(shí)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(shí)時性。
4.2 CAN通信模塊
CAN通信模塊功能是實(shí)現(xiàn)整車控制器與其他節(jié)點(diǎn)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(jìn)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
在混合動力汽車系統(tǒng)各模塊自檢成功后，整車控制器要求啟動電池，進(jìn)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(jìn)入不同的處理模塊。控制策略包括整車控制策略和能量流管理策略，實(shí)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(yán)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(shí)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(xì)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(shí)車試驗測試取得了很好的效果。
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