實時操作系統(tǒng)在混合動力整車控制器中的應用

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，并控制外圍設備(如空調、燈光)，以達到最佳的節(jié)能排放效果。系統(tǒng)任務的復雜性和強電磁干擾環(huán)境都對整車控制器的實時性和可靠性提出了重大挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的單任務循環(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設計整車控制器系統(tǒng)軟件。

1 整車系統(tǒng)結構

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、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，結合電池組狀態(tài)和車輛當前運行狀態(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。系統(tǒng)網絡拓撲如圖1所示。

2 整車控制器硬件設計

ECU的硬件設計按照模塊化原則，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、功率驅動及保護模塊、D/A轉換模塊、電源模塊、通信模塊、顯示及報警接口和標定診斷接口等。采用 Infineon公司的XC164CS微控制器，它基于增強的C166SVZ內核，并在性能上優(yōu)于其他16位微控制器：內部集成DSP功能、擴展的中斷處理能力、強大的片上外設以及高性能片上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現(xiàn)移植。

3.1 μC/OS-II的啟動

首先要調用硬件驅動程序對硬件進行初始化設置，然后調用系統(tǒng)初始化函數(shù)OSlnit()初始化μC/OS-II所有的變量和數(shù)據(jù)結構。

啟動μC/OS-II之前建立1個應用任務。OSlnit()建立空閑任務idletask，這個任務總是處于就緒態(tài)?？臻e任務OSTaskIdle()的優(yōu)先級設成最低，即OS_LOWEST_PRIO。多任務的啟動需要用戶通過調用OSStart()實現(xiàn)。當然還有其他設置，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頭文件應被包含到所有C文件的第1行。盡管包含不相關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的常量、宏和結構體的定義。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()定義為微控制器關閉(SETC)和打開(CLRC)中斷的指令;聲明 OS_TASK_SW()函數(shù)，中斷服務程序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()

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

(2)OSCtxSw()

當從低優(yōu)先級的任務切換到較高優(yōu)先級的任務時，調用任務切換函數(shù) OSCtxSw()保存處理器的內容和任務指針到當前任務的任務堆棧，然后執(zhí)行用戶調用函數(shù)OSTaskSwHook()，最后從要執(zhí)行任務的任務堆棧里恢復寄存器和堆棧中的內容，執(zhí)行中斷返回指令開始運行新的任務。

(3)OSIntCtxSw()

當需要在中 斷發(fā)生后切換到更高優(yōu)先級的任務時，調用中斷級任務切換函數(shù)OSIntCtxSw()，然后執(zhí)行用戶調用函數(shù)OSTaskSwHook()。因為該函數(shù)是在中斷程序中被調用，所以不需要保存中斷任務的寄存器;中斷子程序在調用函數(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)拍中斷服務程序。在每個時鐘節(jié)拍調用該函數(shù)，給每個處于延時的任務延時減1，并檢查所有處于延時狀態(tài)的任務是否延時結束成為就緒任務。然后調用OSIntExit()，如果有優(yōu)先級更高的任務就緒，OSIntExit()就會進行任務調度。OSIntExit()并不返回調用者，而是用新的任務堆棧中的內容來恢復CPU現(xiàn)場，由中斷返回執(zhí)行新的任務。

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() 由任務創(chuàng)建函數(shù)OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()調用，在建立每個任務的時候初始化任務堆棧。開始運行這個任務就是模擬中斷返回，把初始化后堆棧中保存的值恢復到各個寄存器。初始化任務堆棧時，要傳遞任務代碼起始指針(Ptask)、參數(shù)指針(Pdata)、任務堆棧棧頂指針。任務堆棧初始化完成后，返回一個新的堆棧棧頂指針，OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()將它保存到OSTCB中。[!--empirenews.page--]

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設計

整車控制器軟件設計以實時操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，將應用程序分解成多任務，簡化了系統(tǒng)軟件的設計，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。本應用選擇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;中斷服務程序設置為OSTicklSR()，中斷向量為0x25。通過建立時鐘任務函數(shù) Timer_Int()，調用時鐘節(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，中斷調用CAN通信服務程序。

創(chuàng)建CAN通信模塊任務 CAN_Trans，任務優(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)轉換，被其他函數(shù)調用。

創(chuàng)建A/D轉換模塊任務ADC_Cony，任務優(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，進入正常EV工作模式。然后通過判斷檔位，鑰匙開關和油門踏板等信息，進入不同的處理模塊。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。

結語

隨著汽車整車技術的不斷發(fā)展和法規(guī)日益嚴格的要求，汽車電子系統(tǒng)會變得越來越復雜，采用操作系統(tǒng)來實現(xiàn)對復雜任務的管理和協(xié)調，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)軟件設計，充分滿足了系統(tǒng)的需求。經實車試驗測試取得了很好的效果。