基于μC/OS-II设计整车控制器系统技术

来源:单片机与嵌入式系统应用发布时间:2010-06-15936浏览

1 整车系统结构

所开发的全混合动力轿车是天津市重大专项课题，以长城哈佛SUV轿车为平台。该车动力系统主要由发动机、交流电动机、交流发电机和高性能的镍氢电池、行星架动力分配机构以及DC-AC逆变器组成。整车控制器采用总线与发动机管理系统、电机控制器和动力电池组管理系统交换信息，并且预留了1路CAN以便后期与车身系统通信。

整车控制器根据驾驶员输入信号，结合电池组状态和车辆当前运行状态，根据一定的策略控制各个子系统的工作，实现节能减排的目标。系统网络拓扑如图1所示。

2 整车控制器硬件设计

ECU的硬件设计按照模块化原则，可分为如下几个功能模块：微控制器模块、数据采集模块、功率驱动及保护模块、D／A转换模块、电源模块、通信模块、显示及报警接口和标定诊断接口等。采用Infineon公司的XC164CS微控制器，它基于增强的C166SVZ内核，并在性能上优于其他16位微控制器：内部集成DSP功能、扩展的中断处理能力、强大的片上外设以及高性能片上Flash，如图2所示。

3 μC／OS-II的移植

μC／OS-II嵌入式实时操作系统采用ANSI C语言编写，具备很好的可读性和可移植性；对硬件资源要求不高，在大多数8位、16位微控制器上都可以实现移植。

3.1 μC／OS-II的启动

首先要调用硬件驱动程序对硬件进行初始化设置，然后调用系统初始化函数OSlnit()初始化μC／OS-II所有的变量和数据结构。

启动μC／OS-II之前建立1个应用任务。OSlnit()建立空闲任务idletask，这个任务总是处于就绪态。空闲任务OSTaskIdle()的优先级设成最低，即OS_LOWEST_PRIO。多任务的启动需要用户通过调用OSStart()实现。当然还有其他设置，这里不再一一介绍。

3.2 μC／OS-II的移植

μC／OS-II操作系统在XC164CS微处理器上的移植主要实现对3个文件OS_CPU.H、OS_CPU_C．C、OS_CPU A.ASM的处理。

3.2.1头文件INCLUDES.H

INCLUDES.H头文件应被包含到所有C文件的第1行。尽管包含不相关文件可能会增加文件的编译时间，但增强了代码的可移植性。用户可以编辑增加自己的头文件，但必须添加在头文件列表的最后。

3.2.2 OS_CPU.H文件

OS_CPU.H文件中包含与处理器相关的常量、宏和结构体的定义。针对XC164CS处理器，定义堆栈数据类型为16位，栈向下递减；将μC／OS-II控制中断的2个宏OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()定义为微控制器关闭(SETC)和打开(CLRC)中断的指令；声明OS_TASK_SW()函数，中断服务程序ISR的入口指向函数OSCtxSw()。

3.2.3 OS CPU A.ASM

μC／OS-II移植时要求用户编写4个汇编语言函数：OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()和OSTickISR()。

(1)OSStartHighRdy()

调用该函数使处于就绪状态的优先级最高的任务开始运行。由于实时操作系统是不返回的函数，所以调用后需移去堆栈栈顶的返回地址，然后执行用户调用函数OSTaskSwHook()，最后开始运行多任务，获得优先级最高的任务的指针，根据这个指针从任务堆栈中恢复所有寄存器，恢复完后执行中断返回，运行就绪态任务。[!--empirenews.page--]

(2)OSCtxSw()

当从低优先级的任务切换到较高优先级的任务时，调用任务切换函数OSCtxSw()保存处理器的内容和任务指针到当前任务的任务堆栈，然后执行用户调用函数OSTaskSwHook()，最后从要执行任务的任务堆栈里恢复寄存器和堆栈中的内容，执行中断返回指令开始运行新的任务。

(3)OSIntCtxSw()

当需要在中断发生后切换到更高优先级的任务时，调用中断级任务切换函数OSIntCtxSw()，然后执行用户调用函数OSTaskSwHook()。因为该函数是在中断程序中被调用，所以不需要保存中断任务的寄存器；中断子程序在调用函数OSInExit()时，将返回地址压入堆栈，在这里不需要再返回，所以必须从堆栈中清理掉返回地址。

(4)OSTickISR()

OSTickISR()是μC／OS-II中的时钟节拍中断服务程序。在每个时钟节拍调用该函数，给每个处于延时的任务延时减1，并检查所有处于延时状态的任务是否延时结束成为就绪任务。然后调用OSIntExit()，如果有优先级更高的任务就绪，OSIntExit()就会进行任务调度。OSIntExit()并不返回调用者，而是用新的任务堆栈中的内容来恢复CPU现场，由中断返回执行新的任务。

3.2.4OS_CPU_C.C

用户需要编写6个C语言函数OSTaskStkInit()、OSTaskCreateHook()、OSTaskDelHook()、OSTaskSwHook()、OSTaskSatHook()、OSTimeTickHook()。其中，唯一必要的是OSTaskStkInit()，其他5个必须声明，但可以不包含代码。

OSTaskStkInit()由任务创建函数OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()调用，在建立每个任务的时候初始化任务堆栈。开始运行这个任务就是模拟中断返回，把初始化后堆栈中保存的值恢复到各个寄存器。初始化任务堆栈时，要传递任务代码起始指针(Ptask)、参数指针(Pdata)、任务堆栈栈顶指针。任务堆栈初始化完成后，返回一个新的堆栈栈顶指针，OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()将它保存到OSTCB中。

在OS_CPU_C.C文件中可以创建5个钩子函数，使用的前提是配置文件中常量OS_CPU_HOOKS_EN使能。

至此，μC／OS-II操作系统的移植基本完成。

4 整车控制器软件多任务设计

整车控制器软件设计以实时操作系统作为开发平台，将应用程序分解成多任务，简化了系统软件的设计，保证了整车控制系统的实时性，提高了系统的稳定性与可靠性。整个系统的主程序流程如图3所示。

4.1 定时器模块

定时器的主要功能是为软件程序提供基准时钟。本应用选择T5作为时钟基准，在初始化函数void GPT_vInit()中完成模块寄存器配置；中断服务程序设置为OSTicklSR()，中断向量为0x25。通过建立时钟任务函数Timer_Int()，调用时钟节拍函数OSTimeTick()，实现定时器与系统时钟的连接。系统时钟节拍编程为1 ms，可以减少中断服务时间，提高实时性。