基于嵌入式操作系統(tǒng)的新能源汽車整車控制器軟件集成

1、技術(shù)導(dǎo)向收稿日期:2010-11-15基于嵌入式操作系統(tǒng)的新能源汽車整車控制器軟件集成俞開元 張君鴻 張劍鋒 嚴(yán)洪江 冷宏祥 (上海捷能汽車技術(shù)有限公司,上海 201804 摘要 描述了一種基于嵌入式操作系統(tǒng)的新能源汽車整車控制器軟件集成方法。通過使用實(shí)時(shí)嵌入操作系統(tǒng)將軟件各模塊進(jìn)行任務(wù)劃分和調(diào)度的方式進(jìn)行軟件集成,從而在實(shí)現(xiàn)軟件功能的同時(shí)保證軟件運(yùn)行的實(shí)時(shí)性和可靠性。Abstract An approach of soft w are i n tegration for Veh icle Contro lUn it ofN e w energy vehic le is descri b ed

2、 .Based on rea l-ti m e e m bedded operati o n syste m,task partition i n g and schedu li n g ,the various m odu les of the soft w are are i n tegrated .Thus soft w are f u ncti o ns can be realized ,w hile real-ti m e and re li a b ility o f so ft w are i m p le m entati o n can be ensured .0 引言在新能

3、源汽車中,整車控制器(VM S是進(jìn)行動(dòng)力分配的核心控制單元,如果軟件集成后實(shí)時(shí)性不好、可靠性不高將使系統(tǒng)可靠性和安全性降低。因此為了提高整車控制器的實(shí)時(shí)性和可靠性,本文采用實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)將軟件各模塊進(jìn)行任務(wù)劃分和調(diào)度的方式進(jìn)行軟件集成,從而在實(shí)現(xiàn)軟件功能的同時(shí)保證了軟件運(yùn)行的實(shí)時(shí)性和可靠性。1 嵌入式操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介嵌入式操作系統(tǒng)是一種支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件,它是嵌入式系統(tǒng)(包括硬、軟件系統(tǒng)極為重要的組成部分,通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點(diǎn),如能夠有效管理越來越復(fù)雜的系統(tǒng)資源;能夠

4、把硬件虛擬化,使得開發(fā)人員從繁忙的驅(qū)動(dòng)程序移植和維護(hù)中解脫出來;能夠提供庫函數(shù)、驅(qū)動(dòng)程序、工具集以及應(yīng)用程序。嵌入式操作系統(tǒng)中重要的概念:任務(wù):也稱作一個(gè)線程,是一個(gè)簡(jiǎn)單的程序,該程序可以認(rèn)為CPU 完全只屬該程序自己。資源:任何為任務(wù)所占用的實(shí)體都可稱為資源。調(diào)度:決定CPU 的使用權(quán)分配給哪個(gè)任務(wù)。多數(shù)實(shí)時(shí)內(nèi)核是基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度法的。每個(gè)任務(wù)根據(jù)其重要程度的不同被賦予一定的優(yōu)先級(jí)。內(nèi)核:負(fù)責(zé)為每個(gè)任務(wù)分配CPU 時(shí)間,并且負(fù)責(zé)任務(wù)之間的通訊。可以分為可搶占式、不可搶占式和混合式。!49! 上海汽車 2011 01技術(shù)導(dǎo)向任務(wù)的狀態(tài):掛起、就緒、運(yùn)行、等待。死鎖:指兩個(gè)任務(wù)無限期地互相等待對(duì)方

5、控制著的資源。2 汽車行業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)OSEK/V DX隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展,電子技術(shù)在汽車上的應(yīng)用比重不斷增加。為了滿足日益復(fù)雜的汽車電子控制軟件的開發(fā)需要,實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件的可移植性和不同廠商的控制模塊間的可兼容性, 1993年德國汽車工業(yè)界聯(lián)合推出了#汽車電子的開放式系統(tǒng)及接口軟件規(guī)范(OSEK。1994年法國汽車工業(yè)界的相似規(guī)范VDX和OSEK規(guī)范合并,從而形成OSEK/VDX規(guī)范體系。此規(guī)范主要由4部分組成:操作系統(tǒng)規(guī)范(OSEKOS、通信規(guī)范(OSEKCOM、網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范(OSEKNM和OSEK實(shí)現(xiàn)語言(OSE KO I L。其中OSEKOS是針對(duì)汽車應(yīng)用特點(diǎn)而專門制定的一個(gè)小

6、型RTOS規(guī)范,著重以下幾個(gè)方面:可移植性,所有API都是標(biāo)準(zhǔn)化的并且在功能上都有明確的定義;可擴(kuò)展性,OSEKOS旨在通用于任何類型的ECU,因此一方面系統(tǒng)要高度的模塊化,另外又要能進(jìn)行靈活的配置;汽車應(yīng)用的特定需求,諸如可靠性、實(shí)用性和代價(jià)敏感性等。相應(yīng)的,OSEKOS 靜態(tài)配置可以通過OS2EKO I L語言實(shí)現(xiàn),用戶在系統(tǒng)生成時(shí)靜態(tài)制定任務(wù)的個(gè)數(shù)、需要的資源和系統(tǒng)服務(wù)。OSEKC OM為通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口和協(xié)議。OSEKNM為監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的流量提供了一組標(biāo)準(zhǔn)的功能函數(shù),以保證網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性。3 軟件集成實(shí)踐3.1 軟件基本架構(gòu)圖1展示了新能源汽車整車控制器軟件的構(gòu)架

7、。其中硬件驅(qū)動(dòng)程序是直接對(duì)AD轉(zhuǎn)換、P WM、定時(shí)器等硬件資源的使用進(jìn)行配置的程序。硬件抽象層(HAL層為對(duì)硬件驅(qū)動(dòng)程序的封裝以實(shí)現(xiàn)對(duì)底層驅(qū)動(dòng)程序的封裝和簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理。軟件通訊協(xié)議及功能應(yīng)用主要包括CAN、CCP、診斷等功能,這些功能可以使用專用的開發(fā)工具進(jìn)行開發(fā)。操作系統(tǒng)的使用主要涉及任務(wù)劃分、調(diào)度機(jī)制以及內(nèi)存管理、網(wǎng)絡(luò)管理等功能的實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用層軟件主要是整車控制策略的實(shí)現(xiàn),因此比較復(fù)雜。包括車輛運(yùn)行時(shí)扭矩管理、高壓電管理等,需 要根據(jù)條件判斷進(jìn)行狀態(tài)切換控制。圖1 軟件體系架構(gòu)實(shí)例同時(shí)從構(gòu)架劃分可以看到運(yùn)行于操作系統(tǒng)上的應(yīng)用層軟件僅與通訊模塊和HAL層發(fā)生信號(hào)交互,而與硬件驅(qū)動(dòng)程序相隔離。

8、這樣做能最大限度的保證模塊的獨(dú)立性,也就提高了軟件的移植性和可維護(hù)性。3.2 嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用根據(jù)各模塊時(shí)間響應(yīng)性及功能初步的對(duì)任務(wù)進(jìn)行劃分(見圖2。如果系統(tǒng)資源不能滿足則需 要進(jìn)一步細(xì)分。圖2 操作系統(tǒng)任務(wù)劃分(1任務(wù)管理基本任務(wù)運(yùn)行狀態(tài)、就緒狀態(tài)和掛起狀態(tài)!50!上海汽車 2011 01技術(shù)導(dǎo)向擴(kuò)展任務(wù)除上述3種外多了一個(gè)等待狀態(tài),并具有事件機(jī)制在本應(yīng)用的軟件集成中各項(xiàng)任務(wù)均配置為基本任務(wù)。(2調(diào)度方式完全搶占式調(diào)度:該策略用于保存現(xiàn)場(chǎng)的內(nèi)存開銷較大,理論上可以在任務(wù)的任何位置重調(diào)度,因此任務(wù)必須同步訪問共享資源,增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。非搶占調(diào)度:通過調(diào)用某些服務(wù)例程實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換,即用戶設(shè)

9、置重調(diào)度點(diǎn)。通過定義任務(wù)組,使多個(gè)任務(wù)同時(shí)具有搶占或非搶占調(diào)度的特征?；旌蠐屨颊{(diào)度:搶占任務(wù)和非搶占任務(wù)共存于一個(gè)系統(tǒng)時(shí),使用#混合搶占調(diào)度策略。在這種情況下,調(diào)度策略依賴于正在運(yùn)行任務(wù)的搶占特性,開發(fā)者通過配置任務(wù)優(yōu)先級(jí)和搶占屬性來定義任務(wù)執(zhí)行順序。由于搶占式調(diào)度時(shí)序邏輯較復(fù)雜,因此在本應(yīng)用的軟件集成中配置為非搶占式調(diào)度。(3中斷處理ISR1:此類中斷程序不使用操作系統(tǒng)的資源,中斷結(jié)束后,處理程序從產(chǎn)生中斷的地方繼續(xù)執(zhí)行。其對(duì)任務(wù)的管理沒有影響,不要求調(diào)用操作系統(tǒng)的API 。ISR2:此類中斷程序是系統(tǒng)生成時(shí),通過用戶子程序配置而成,它可以調(diào)用操作系統(tǒng)的API 。中斷的優(yōu)先級(jí)高于任務(wù),因此可

10、以搶占任何任務(wù)。在本應(yīng)用中多采用I SR1類中斷,I SR2類中斷使用時(shí)通知操作系統(tǒng),因此用于硬件中斷。本應(yīng)用中用于CANA 和CANB 中斷處理。(4報(bào)警器報(bào)警器是OSEK 為處理循環(huán)事件提供的服務(wù)機(jī)制,警報(bào)或者基于系統(tǒng)時(shí)鐘,或者基于其他的某種計(jì)數(shù)器。當(dāng)計(jì)數(shù)器到達(dá)警報(bào)設(shè)置值時(shí)被觸發(fā),此時(shí)可以激活進(jìn)程也可以為某進(jìn)程設(shè)置事件,或者執(zhí)行一個(gè)警報(bào)回調(diào)程序。在本軟件集成處理中,采用基于系統(tǒng)時(shí)鐘的警報(bào)器循環(huán)激活相關(guān)任務(wù)(5錯(cuò)誤處理OSE KOS 提供了系統(tǒng)專用的鉤子程序,以便在操作系統(tǒng)內(nèi)部操作時(shí)執(zhí)行用戶定義的函數(shù)。鉤子程序可用于:系統(tǒng)啟動(dòng),相應(yīng)鉤子程序在操作系統(tǒng)啟動(dòng)后,進(jìn)入調(diào)度程序之前執(zhí)行;系統(tǒng)關(guān)閉,相應(yīng)鉤子程序在應(yīng)用或操作系統(tǒng)(此時(shí)發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤請(qǐng)求系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)執(zhí)行;跟蹤、調(diào)試應(yīng)用以及現(xiàn)場(chǎng)切換時(shí)調(diào)用用戶定義的擴(kuò)展程序;錯(cuò)誤處理。4 結(jié)語本文介紹了新能源汽車整車控制器基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的軟件集成