μC/OS-II實時操作系統在混合動力整車控制器中的應用
摘要： 混聯式混合動力系統的子系統眾多，其中整車控制器作為實現駕駛員駕駛需求和能量安全的管理系統，需要協調發動機、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)，以達到最佳的節能排放效果。系統任務的復雜性和強電磁干擾環境都對整車控制器的實時性和可靠性提出了重大挑戰，傳統的單任務循環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μC／OS-II設計整車控制器系統軟件。
Abstract：
Key words :
混聯式混合動力系統的子系統眾多，其中整車控制器作為實現駕駛員駕駛需求和能量安全的管理系統，需要協調發動機、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)，以達到最佳的節能排放效果。系統任務的復雜性和強電磁干擾環境都對整車控制器的實時性和可靠性提出了重大挑戰，傳統的單任務循環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μC/OS-II設計整車控制器系統軟件。
1 整車系統結構
所開發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。該車動力系統主要由發動機、交流電動機、交流發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動機管理系統、電機控制器和動力電池組管理系統交換信息，并且預留了1路CAN以便后期與車身系統通信。
整車控制器根據駕駛員輸入信號，結合電池組狀態和車輛當前運行狀態，根據一定的策略控制各個子系統的工作，實現節能減排的目標。系統網絡拓撲如圖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、數據采集模塊、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8位、16位微控制器上都可以實現移植。
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，然后調用系統初始化函數OSlnit()初始化μC/OS-II所有的變量和數據結構。
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。空閑任務OSTaskIdle()的優先級設成最低，即OS_LOWEST_PRIO。多任務的啟動需要用戶通過調用OSStart()實現。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操作系統在XC164CS微處理器上的移植主要實現對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，定義堆棧數據類型為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，中斷服務程序ISR的入口指向函數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：OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()和OSTickISR()。
(1)OSStartHighRdy()
調用該函數使處于就緒狀態的優先級最高的任務開始運行。由于實時操作系統是不返回的函數，所以調用后需移去堆棧棧頂的返回地址，然后執行用戶調用函數 OSTaskSwHook()，最后開始運行多任務，獲得優先級最高的任務的指針，根據這個指針從任務堆棧中恢復所有寄存器，恢復完后執行中斷返回，運行就緒態任務。
(2)OSCtxSw()
當從低優先級的任務切換到較高優先級的任務時，調用任務切換函數 OSCtxSw()保存處理器的內容和任務指針到當前任務的任務堆棧，然后執行用戶調用函數OSTaskSwHook()，最后從要執行任務的任務堆棧里恢復寄存器和堆棧中的內容，執行中斷返回指令開始運行新的任務。
(3)OSIntCtxSw()
當需要在中 斷發生后切換到更高優先級的任務時，調用中斷級任務切換函數OSIntCtxSw()，然后執行用戶調用函數OSTaskSwHook()。因為該函數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中的時鐘節拍中斷服務程序。在每個時鐘節拍調用該函數，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的任務是否延時結束成為就緒任務。然后調用OSIntExit()，如果有優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現場，由中斷返回執行新的任務。
3.2.4OS_CPU_C.C
用戶需要編寫6個C語言函數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() 由任務創建函數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。
在 OS_CPU_C.C文件中可以創建5個鉤子函數，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作為開發平臺，將應用程序分解成多任務，簡化了系統軟件的設計，保證了整車控制系統的實時性，提高了系統的穩定性與可靠性。整個系統的主程序流程如圖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 Timer_Int()，調用時鐘節拍函數OSTimeTick()，實現定時器與系統時鐘的連接。系統時鐘節拍編程為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整車控制器與其他節點間的信息傳輸。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。
創建CAN通信模塊任務 CAN_Trans，任務優先級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氣門位置傳感器信號，并進行模數轉換，被其他函數調用。
創建A／D轉換模塊任務ADC_Cony，任務優先級4：
4.4 整車控制主程序模塊
在混合動力汽車系統各模塊自檢成功后，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，實現基于扭矩算法的控制輸出。
創建整車控制主程序任務Drive_Ctr，優先級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展和法規日益嚴格的要求，汽車電子系統會變得越來越復雜，采用操作系統來實現對復雜任務的管理和協調，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系統移植過程，優化了系統軟件設計，充分滿足了系統的需求。經實車試驗測試取得了很好的效果。
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