OSEK/VDX操作系統(tǒng)在EPS上的應(yīng)用

楊利,李昭燦, 李雪瓊

(株洲易力達(dá)機(jī)電有限公司，湖南株洲 412002)

0 引言

汽車電子助力轉(zhuǎn)向器相比傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向器具有高性能、高穩(wěn)定性和高抗干擾性、環(huán)保節(jié)能等特點(diǎn)，已慢慢成為現(xiàn)代轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，電子技術(shù)在汽車上得到越來(lái)越多的應(yīng)用，同時(shí)也對(duì)電子助力轉(zhuǎn)向器提出了更嚴(yán)格的要求：首先，電子助力轉(zhuǎn)向器的功能除了最初的助力、回正、阻尼之外，XCP標(biāo)定、UDS診斷、協(xié)助自動(dòng)泊車等新的需求也層出不窮，傳統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已無(wú)法適應(yīng)多任務(wù)系統(tǒng)的需求；其次，不同的市場(chǎng)決定了汽車助力轉(zhuǎn)向器的多樣化，也就決定了轉(zhuǎn)向器平臺(tái)的多樣性，進(jìn)而對(duì)控制器軟件的兼容性和移植性提出了更高的要求；另外隨著功能安全標(biāo)準(zhǔn)的引入，對(duì)汽車及其零部件產(chǎn)品的安全等級(jí)要求也越來(lái)越嚴(yán)格。因此，應(yīng)用實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)出高效、安全、兼容和可移植的汽車助力轉(zhuǎn)向器軟件也成為必然。

OSEK/VDX是由德國(guó)汽車工業(yè)界、法國(guó)汽車商PSA和雷諾聯(lián)合推出的一個(gè)開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，旨在規(guī)范汽車電子應(yīng)用領(lǐng)域的軟件開發(fā)。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，OSEK/VDX已經(jīng)引起了全球的強(qiáng)烈關(guān)注。它的宗旨是充分考慮軟件的可移植性、可擴(kuò)展性和可重用性，采用基于標(biāo)準(zhǔn)化接口和協(xié)議的構(gòu)件化、模塊化設(shè)計(jì)。它主要由四部分組成：操作系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)、通信標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)管理標(biāo)準(zhǔn)、OSEK實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言(OIL)。文中著重關(guān)注操行系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。

OSEK/VDX標(biāo)準(zhǔn)的提出順應(yīng)了汽車電子的發(fā)展需求，因此文中正是應(yīng)用OSEK/VDX操作系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)汽車助力轉(zhuǎn)向器的軟件。

1 EPS基本結(jié)構(gòu)

EPS是一個(gè)為了減輕駕駛員對(duì)方向盤的操縱力，完成輔助轉(zhuǎn)向操作的機(jī)電一體化系統(tǒng)，分為機(jī)械部分和電氣部分，如圖1所示。其中電氣部分的核心是電子控制器(MCU)，它能根據(jù)扭矩傳感器、車速傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等控制信號(hào)，確定轉(zhuǎn)向助力的大小和方向，來(lái)驅(qū)動(dòng)助力電機(jī)做功。機(jī)械部分包括輸入輸出軸、拉桿、齒條、離合器等，作用是將助力電機(jī)輸出的力傳遞給車輪，帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 RTA-OSEK任務(wù)管理

RTA-OSEK是ETAS公司根據(jù)OSEK/VDX標(biāo)準(zhǔn)編制的一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及其配置環(huán)境，它的理念是：嚴(yán)格的時(shí)間要求；追求100%的可移植性，而不是兼容性；支持廣泛的硬件平臺(tái)；提供標(biāo)準(zhǔn)化接口；強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的可剪裁性；增強(qiáng)錯(cuò)誤檢測(cè)。

RTA-OSEK的核心是任務(wù)管理，它將任務(wù)分為基本任務(wù)和擴(kuò)展任務(wù)。基本任務(wù)有運(yùn)行、掛起和準(zhǔn)備3個(gè)狀態(tài)。基本任務(wù)只有在以下情況下放棄CPU：任務(wù)中止、更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)到來(lái)，硬件中斷。擴(kuò)展任務(wù)比基本任務(wù)多了一個(gè)等待狀態(tài)，它允許調(diào)用系統(tǒng)服務(wù)WaitEvent，并進(jìn)入等待狀態(tài)，處于等待狀態(tài)的擴(kuò)展任務(wù)釋放處理器，運(yùn)行低優(yōu)先級(jí)任務(wù)，而不需中止。

任務(wù)優(yōu)先級(jí)是靜態(tài)分配，0的優(yōu)先級(jí)最低，最大優(yōu)先級(jí)由系統(tǒng)決定。

任務(wù)的調(diào)度策略有非搶占式、搶占式和混合式3種。非搶占式是指新來(lái)的任務(wù)必須等正在運(yùn)行的任務(wù)運(yùn)行完畢才能運(yùn)行；搶占式是指新來(lái)的優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)可以使正在運(yùn)行的低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)掛起；混合式是指既有非搶占式又有搶占式。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)軟件架構(gòu)分為3層，分別為驅(qū)動(dòng)層、中間層和應(yīng)用層，見圖2。

(1)驅(qū)動(dòng)層主要包括底層硬件的設(shè)置和初始化、中斷事件處理和信號(hào)采樣。

(2)中間層指OSEK操作系統(tǒng)，包括邏輯定時(shí)器管理、任務(wù)管理。邏輯定時(shí)器是任務(wù)管理的基礎(chǔ)。各任務(wù)的定時(shí)是由邏輯定時(shí)器完成的，當(dāng)然邏輯定時(shí)器實(shí)際上也是由一個(gè)物理定時(shí)器驅(qū)動(dòng)的。任務(wù)管理顧名思義就是對(duì)系統(tǒng)中的任務(wù)進(jìn)行管理，包括優(yōu)先級(jí)管理和任務(wù)間通信管理。

(3)應(yīng)用層主要實(shí)現(xiàn)對(duì)EPS的控制、故障診斷和處理、數(shù)據(jù)通信等。

根據(jù)以上分析，可以大致將系統(tǒng)軟件劃分為以下幾個(gè)模塊：

電源管理模塊。提供電源管理，監(jiān)控系統(tǒng)電源的工作狀態(tài)并及時(shí)匯報(bào)給故障診斷模塊；

車速模塊。檢測(cè)到車身傳遞的車速信號(hào)，并計(jì)算出實(shí)時(shí)的車速大小；

力矩模塊。檢測(cè)到駕駛員操控的扭力桿的力矩輸入，并計(jì)算出當(dāng)前的力矩大小，最后反饋給助力控制和回正控制模塊；

角度模塊。檢測(cè)方向盤位置，是方向盤主動(dòng)回正時(shí)的重要控制參數(shù)。

故障診斷模塊。定時(shí)輪詢各模塊的工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)異常將進(jìn)行必要的故障處理，以保障行車安全；

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：將計(jì)算得到的PWM值轉(zhuǎn)換為控制助力電機(jī)旋轉(zhuǎn)的控制量，其中包括電機(jī)預(yù)驅(qū)動(dòng)、電流電壓檢測(cè)等；

助力模塊。通過(guò)輸入力矩和車速的大小確定輸出的助力大小，并加入速度補(bǔ)償、阻尼補(bǔ)償、摩擦補(bǔ)償?shù)犬?dāng)量，使助力大小達(dá)到最優(yōu)；

回正模塊。根據(jù)當(dāng)前的方向盤角度及角速度，發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的回正力矩，最終使方向盤回到中間位置。

3.2 任務(wù)分配

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于高效的任務(wù)調(diào)度算法，因此使用RTA-OSEK來(lái)開發(fā)軟件時(shí)，只需要根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)分析，將系統(tǒng)軟件模塊劃分為不同的任務(wù)類型，并靜態(tài)指派任務(wù)的屬性。

基本任務(wù):

(1)OnTmrVehicleSinalCalc——車速計(jì)算

該任務(wù)根據(jù)gioLowLevelInterrupt中斷采集到的車速頻率計(jì)算得到當(dāng)前的車速值，并對(duì)車速進(jìn)行濾波、修正處理，最終將得到的車速值保存。該任務(wù)是基本任務(wù)，4 ms定時(shí)執(zhí)行一次，優(yōu)先級(jí)為32。

(2)OnTmrTorqueCalc——力矩計(jì)算

該任務(wù)將hetHighLevelInterrupt中斷采集到的力矩信號(hào)進(jìn)行有效值、平滑值濾波處理，并存儲(chǔ)力矩的當(dāng)前值、歷史值，以便進(jìn)行力矩波動(dòng)計(jì)算。該任務(wù)是基本任務(wù)，4 ms定時(shí)執(zhí)行一次，優(yōu)先級(jí)為31。

(3)OnTmrAngleCalc——角度計(jì)算

該任務(wù)將gioHighLevelInterrupt中斷采集到的角度信號(hào)進(jìn)行有效值、平滑值等濾波處理后，計(jì)算出角度和角速度、角加速度大小，為回正控制提供參數(shù)。該任務(wù)是基本任務(wù)，4 ms定時(shí)執(zhí)行一次，優(yōu)先級(jí)為30。

(4)OnTmrFaultDetect——故障檢測(cè)

該任務(wù)定時(shí)輪詢各個(gè)模塊的運(yùn)行情況，檢測(cè)是否運(yùn)行在安全狀態(tài)。考慮到系統(tǒng)的安全需求，一旦模塊出現(xiàn)故障，系統(tǒng)必須盡快檢測(cè)到，因此該任務(wù)的優(yōu)先級(jí)應(yīng)該高于其他模塊的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)設(shè)為40。

(5) OnTmrMainLoop——主控制環(huán)

主控制環(huán)任務(wù)是整個(gè)系統(tǒng)的心臟，為了保證主控制環(huán)的精度，將該任務(wù)放置在adcGroup1Interrupt中斷服務(wù)程序中完成，因此該任務(wù)實(shí)際上是中斷類型，由ADC中斷觸發(fā)。該任務(wù)的執(zhí)行周期為200 μs，目的是根據(jù)當(dāng)前的力矩、車速和角度信號(hào)，判斷系統(tǒng)是處于回正還是助力狀態(tài)，從而調(diào)用相應(yīng)的回正控制算法或助力控制算法，驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

擴(kuò)展任務(wù)：

(6)Group0——采樣電流信號(hào)采集

該任務(wù)由adcGroup0Interrupt中斷觸發(fā)，將中斷采集到的采樣電流信號(hào)進(jìn)行平滑處理后保存。因此該任務(wù)是擴(kuò)展任務(wù)，上電后處于Waiting狀態(tài)。

(7) Group2——電機(jī)端電壓、溫度信號(hào)采集

該任務(wù)由adcGroup2Interrupt中斷觸發(fā)，將中斷采集到的電機(jī)端電壓、溫度信號(hào)等進(jìn)行平滑處理后保存。因此該任務(wù)是擴(kuò)展任務(wù)，上電后處于Waiting狀態(tài)。

(8)OnTmrOutPutCtr——故障處理

該任務(wù)是擴(kuò)展任務(wù)，上電后處于Waiting狀態(tài)。當(dāng)故障檢測(cè)任務(wù)檢測(cè)到系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，就觸發(fā)故障處理任務(wù)對(duì)當(dāng)前出現(xiàn)的故障進(jìn)行處理。故障等級(jí)分為警告、一般、嚴(yán)重和致命4級(jí)，根據(jù)故障等級(jí)不同，故障處理措施也不一樣。當(dāng)發(fā)生致命故障時(shí)，需要立即斷開離合器，使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回到手動(dòng)助力狀態(tài)。

3.3 數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制

傳統(tǒng)的編程方式中，模塊與模塊之間的通信機(jī)制通常是采樣全局變量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，但是缺點(diǎn)也顯而易見：維護(hù)性差，安全性低，這種做法和功能安全的思想是背道而馳的。此系統(tǒng)中采用兩種方法來(lái)避免因?yàn)閿?shù)據(jù)沖突而帶來(lái)的安全問題。

第一種方法是用Message進(jìn)行模塊通信。

例如：兩個(gè)Process(進(jìn)程)同時(shí)對(duì)同一個(gè)變量x進(jìn)行操作。這將會(huì)引起數(shù)據(jù)沖突，如圖3(a)所示。解決方法其實(shí)很簡(jiǎn)單：Process1訪問變量x時(shí)創(chuàng)建一個(gè)備份t，從而避免數(shù)據(jù)沖突，如圖3(b)所示。

圖3(b)中的備份變量t其實(shí)是Message的原型，因此Message的本質(zhì)即為一個(gè)變量。它們?cè)谠瓌t上既能被讀也能被寫。但是在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常需要對(duì)這種自由度作限制：有些Process只應(yīng)該對(duì)某個(gè)Message進(jìn)行讀操作，而另一些只需對(duì)其進(jìn)行寫操作。通過(guò)這樣的定義可以定義數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧飨颉?/p>

第二種方法是采樣統(tǒng)一的函數(shù)來(lái)訪問其他模塊的數(shù)據(jù)。

例如，助力控制模塊需要得到當(dāng)前的力矩值時(shí)，通過(guò)調(diào)用GetCurrentTs()函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而不是直接訪問力矩模塊中的變量，這樣就能保證助力控制模塊意外地修改力矩當(dāng)前值，最大限度地防止數(shù)據(jù)沖突。

4 總結(jié)

汽車電子的發(fā)展趨勢(shì)對(duì)汽車助力轉(zhuǎn)向器提出了新的要求，為了解決日益復(fù)雜的需求和落后的軟件結(jié)構(gòu)之間的矛盾，引入了旨在規(guī)范汽車電子軟件開發(fā)規(guī)范的OSEK/VDX標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)致力于解決軟件的可移植性、兼容性和可重用性，提出了標(biāo)準(zhǔn)化的接口和協(xié)議。利用ETAS公司開發(fā)的完全符合OSEK/VDX標(biāo)準(zhǔn)的RTA-OSEK操作系統(tǒng)來(lái)開發(fā)汽車助力轉(zhuǎn)向器的軟件，提高了軟件的效率和可重用性。基于Message和統(tǒng)一函數(shù)接口的模塊通信方式也有效地避免了數(shù)據(jù)沖突。

【1】 田路.OSEK/VDX COM模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007:4-10.

【2】 毛亞茹.OSEK/VDX標(biāo)準(zhǔn)研究及應(yīng)用[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2005:1-10.

【3】 臧懷泉，田超， 劉敏.基于OSEK/VDX的電動(dòng)助力系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2008(7)：55-58.

【4】 RTA-OSEK User Guide[OL].http://www.etasgroup.com.

【5】 OSEK/VDX.OSEK Implementation Language Version 2.5.2004[OL].http://www.osek-vdx.org.