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        μC/OS-II 在混合動力整車控制器中的應(yīng)用

        2010-08-27 08:32:48汪葵孔治國王斌

        汪葵,孔治國,王斌

        (中國汽車技術(shù)研究中心,天津300162)

        引 言

        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(jì)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(xiàng)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。

        圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

        2 整車控制器硬件設(shè)計(jì)

        ECU 的硬件設(shè)計(jì)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。

        圖2 整車控制器硬件框架

        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)OSInit()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)。OSInit()建立空閑任務(wù)idletask,這個任務(wù)總是處于就緒態(tài)??臻e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?,然后?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)OSTaskSwH ook()。因?yàn)樵摵瘮?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)。

        3.2.4 OS_CPU_C.C

        用戶需要編寫6 個C 語言函數(shù)OSTaskStkInit()、OSTaskCreateH ook()、OSTaskDelHook()、OSTaskSw Hook()、OSTaskSatHook()、OSTimeTickH ook()。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OSTaskCreate-Ext()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(jì)

        整車控制器軟件設(shè)計(jì)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(jì),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。

        圖3 整車控制器軟件流程

        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OSTickISR(),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_Conv,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??刂撇呗园ㄕ嚳刂撇呗院湍芰苛鞴芾聿呗?,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:

        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(jì),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(jì),充分滿足了系統(tǒng)的需求。經(jīng)實(shí)車試驗(yàn)測試取得了很好的效果。

        [1]Labrosse Jean J.嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)μC/OS-II[M].邵貝貝,等譯.2 版.北京:北京航天航空大學(xué)出版社,2003.

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