基于μC/OS-Ⅱ的線控轉(zhuǎn)向中的FlexRay總線通信設(shè)計(jì)
段建民 汪然 于涌川
摘要： 本文基于μC／OS-II操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了線控轉(zhuǎn)向中FlexRay總線的通信部分。在滿足實(shí)時(shí)性要求的基礎(chǔ)上，利用其多任務(wù)的特點(diǎn)，節(jié)約了系統(tǒng)資源，避免了死鎖問(wèn)題的出現(xiàn)，并增加了通信故障檢測(cè)報(bào)警功能，為今后開發(fā)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。
Abstract：
Key words :
近年來(lái)，隨著汽車工業(yè)和電子工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)成為了研究的熱點(diǎn)，并提出了包括路感模擬、轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性以及總線技術(shù)等諸多關(guān)鍵性問(wèn)題并加以研究。其中的總線技術(shù)，已經(jīng)得到了眾多知名汽車公司的積極研究與應(yīng)用。一些汽車制造商目前計(jì)劃采用FlexRay總線，這是一種特別適合下一代汽車應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)通信總線，具有容錯(cuò)功能和確定的消息傳輸時(shí)間，能夠滿足汽車控制系統(tǒng)的高速率通信要求。
FlexRaY是時(shí)間觸發(fā)的通信總線，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，因此僅僅依靠由簡(jiǎn)單循環(huán)和中斷服務(wù)程序組成的嵌入式程序?qū)o(wú)法滿足要求。同時(shí)，F(xiàn)lexRay通信在啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中，需要利用循環(huán)對(duì)總線狀態(tài)進(jìn)行查詢，既浪費(fèi)大量的系統(tǒng)資源，又容易造成程序死鎖，成為應(yīng)用中的難點(diǎn)問(wèn)題。
基于上述問(wèn)題，本文基于μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了線控轉(zhuǎn)向中FlexRay總線的通信部分。在滿足實(shí)時(shí)性要求的基礎(chǔ)上，利用其多任務(wù)的特點(diǎn)，節(jié)約了系統(tǒng)資源，避免了死鎖問(wèn)題的出現(xiàn)，并增加了通信故障檢測(cè)報(bào)警功能，為今后開發(fā)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。
1 FlexRay總線技術(shù)
為了滿足汽車線控技術(shù)的需求，FlexRay聯(lián)盟于2005年發(fā)布了FlexRay總線協(xié)議。其主要特點(diǎn)有：雙通道傳輸，每個(gè)通道的傳輸速率高達(dá)lO Mb／s；具有靈活的使用方式，支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；負(fù)載率高；提供冗余機(jī)制。
從開放式系統(tǒng)互連參考模型角度來(lái)看，F(xiàn)lexRay通信協(xié)議定義了四層結(jié)構(gòu)：物理層、傳輸層、表示層和應(yīng)用層，各層功能描述見(jiàn)表1。表示層中，通信狀態(tài)切換控制整個(gè)FlexRay通信的運(yùn)行過(guò)程，具有十分重要的作用。
FlexRay協(xié)議操作控制(Proposal Operation Control，POC)將通信狀態(tài)分為幾種狀態(tài)，分別為：配置狀態(tài)(默認(rèn)配置、配置)；就緒狀態(tài)；喚醒狀態(tài)；啟動(dòng)狀態(tài)；正常狀態(tài)(正常主動(dòng)、正常被動(dòng))；暫停狀態(tài)。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖1所示。當(dāng)控制器主機(jī)接口(Controller Host InteRFace，CHI)給通訊控制器(CC)發(fā)送命令后，CC從暫停狀態(tài)進(jìn)入默認(rèn)配置狀態(tài)，滿足配置條件后進(jìn)入配置狀態(tài)，完成網(wǎng)絡(luò)初始化和節(jié)點(diǎn)通信任務(wù)初始化；之后可以進(jìn)入就緒狀態(tài)，完成節(jié)點(diǎn)內(nèi)部通信設(shè)置，如果沒(méi)有滿足通信就緒條件，就返回配置狀態(tài)繼續(xù)配置；在就緒狀態(tài)，CC可以發(fā)送喚醒幀，喚醒網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有在通信的節(jié)點(diǎn)，也可以獲得CPU的啟動(dòng)通信命令，完成與FlexRay網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步；啟動(dòng)成功后進(jìn)入正常狀態(tài)，完成數(shù)據(jù)的收發(fā)；當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，可由正常狀態(tài)進(jìn)入暫停狀態(tài)，重新等待CHI命令。
由此可見(jiàn)，控制器需要按照POC狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)操作，因此會(huì)出現(xiàn)對(duì)POC狀態(tài)的循環(huán)檢測(cè)，容易造成程序死鎖以及占用大量系統(tǒng)資源。按照操作系統(tǒng)的介紹，其任務(wù)是以循環(huán)的形式存在的，因此可以將檢測(cè)POC狀態(tài)放入任務(wù)中單獨(dú)執(zhí)行，通過(guò)操作系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，可以避免影響到其他任務(wù)中程序的運(yùn)行，并且提高程序的執(zhí)行效率。
2 基于MC9S12XF512的μC／OS-Ⅱ移植
μC／OS-Ⅱ是源碼公開的操作系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小和實(shí)時(shí)性能優(yōu)良等特點(diǎn)。利用該操作系統(tǒng)的任務(wù)機(jī)制，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)Flex-Ray協(xié)議，可以大大提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，并且可以避免檢測(cè)POC狀態(tài)時(shí)的死鎖現(xiàn)象。
目前市場(chǎng)上支持FlexRay通信的單片機(jī)較少，只有Freescale公司的技術(shù)比較成熟。考慮到成本問(wèn)題，選擇16位單片機(jī)MC9S12XF512作為系統(tǒng)控制器芯片。操作系統(tǒng)的使用首先要解決的就是移植問(wèn)題。根據(jù)μC／OS-Ⅱ的文件結(jié)構(gòu)，移植時(shí)需要對(duì)OS_CPU．H，(OS_CPU_A．ASM和OS_CPUC．C三個(gè)文件進(jìn)行修改，以適合MC9S12xF512芯片的需要。
2．1 修改OS_CPU．H文件
OS_CPU．H文件定義與CPU相關(guān)的硬件信息，包括各種數(shù)據(jù)類型對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)長(zhǎng)度等。針對(duì)MC9S12xF512中的堆棧是由高地址向低地址增長(zhǎng)的，所以常量OS_STK_GROWTH必須設(shè)置為1。同時(shí)，定義任務(wù)調(diào)度函數(shù)OS_TASK_SW()設(shè)置為軟中斷源。
2．2 修改OS_CPU_A．ASM文件
OS_CPU_A．ASM文件是使用匯編語(yǔ)言編寫與任務(wù)調(diào)度部分有關(guān)的代碼。包括任務(wù)級(jí)任務(wù)切換函數(shù)OSCtxSw()、中斷級(jí)任務(wù)切換函數(shù)OSIntCtxSw()、以及讓優(yōu)先級(jí)最高的就緒態(tài)任務(wù)開始運(yùn)行的函數(shù)OS-StartHighRdy()。
MC9S12XF512芯片不僅設(shè)有FLASH頁(yè)面管理寄存器PPage，也有RAM頁(yè)面管理寄存器RPage、E2PROM頁(yè)面管理寄存器EPage以及全程寄存器GPage。當(dāng)時(shí)鐘節(jié)拍中斷發(fā)生時(shí)，芯片會(huì)自動(dòng)把CPU寄存器推入堆棧，但是并不包括上述各寄存器，因此在OS_CPU_A．ASM文件三個(gè)函數(shù)中，均需要加入將寄存器入棧和出棧的語(yǔ)句。由于篇幅有限，僅以PPage代碼為例：
寄存器的入棧必須按照GPage，EPage，RPage，PPage的順序，出棧則相反。
2．3 修改OS_CPUC．C文件
OS_CPUC．C文件是使用C語(yǔ)言編寫與任務(wù)調(diào)度部分有關(guān)的代碼，包括任務(wù)堆棧初始化函數(shù)OSTaskStklnit()和時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)子程序OSTicklSR()。
2．3．1 修改任務(wù)堆棧初始化函數(shù)0STaskStkInit()
由于μC／OS-Ⅱ是利用中斷方式來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度的，因此需要使用函數(shù)OSTaskStklnit()來(lái)模擬發(fā)生一次中斷后的堆棧結(jié)構(gòu)，按照中斷后的進(jìn)棧次序預(yù)留各個(gè)寄存器存儲(chǔ)空間，而中斷返回地址指向任務(wù)代碼的起始地址。編寫時(shí)需要根據(jù)芯片的中斷后，X，Y，A，B，SP等寄存器入棧順序來(lái)進(jìn)行代碼編寫。首先在例程OSTaskStkInit()函數(shù)處設(shè)置斷點(diǎn)，然后單步執(zhí)行程序，觀察X，Y，A，B，SP等寄存器狀態(tài)是否與程序編寫的存儲(chǔ)值對(duì)應(yīng)。發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)于堆棧指針SP值的存儲(chǔ)區(qū)地址是模擬中斷時(shí)進(jìn)棧的存儲(chǔ)地址，而其中保存任務(wù)程序指針地址的內(nèi)容是錯(cuò)誤的，即不是任務(wù)的指針地址，因此每次在需要調(diào)用任務(wù)執(zhí)行時(shí)都進(jìn)入了錯(cuò)誤的地址進(jìn)行執(zhí)行，并沒(méi)有找到任務(wù)的代碼。通過(guò)單步執(zhí)行OSTaskStkI-nit()函數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)原程序在存儲(chǔ)任務(wù)代碼指針PC值時(shí)，只存儲(chǔ)了PC指針的高8位，但后8位未存，導(dǎo)致指針指向錯(cuò)誤。因此修改程序?yàn)椋?/div>
*--wstk=(INTl6U)((INT32U)task)；
2．3．2 修改時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)子程序OSTickISR()
時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)子程序OSTickISR()負(fù)責(zé)處理所有與定時(shí)相關(guān)的工作，如任務(wù)的延時(shí)、等待操作等。在時(shí)鐘中斷中將查詢處于等待狀態(tài)的任務(wù)，判斷是否延時(shí)結(jié)束，否則將重新進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。可以通過(guò)調(diào)用OSIntEnter()。OS_SAVE_SP()，OSTimeTick()和OSIntExit()四個(gè)函數(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。OSintEnter()函數(shù)通知μC／OS-Ⅱ進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，OS_SAVE_SP()函數(shù)用來(lái)保存堆棧指針，OSTimeTick()函數(shù)給要求延時(shí)若干時(shí)鐘節(jié)拍的任務(wù)延遲計(jì)數(shù)器減1，當(dāng)反復(fù)運(yùn)行該程序后，計(jì)數(shù)器為0時(shí)，則表明該任務(wù)進(jìn)入了就緒狀態(tài)，OSintExit()函數(shù)標(biāo)志時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)子程序結(jié)束。
之后最重要的一點(diǎn)，就是要將中斷服務(wù)子程序OSTickISR()與任務(wù)級(jí)任務(wù)切換函數(shù)OSCtxSw()添加到系統(tǒng)中斷向量表的相應(yīng)位置中。這里使用的是實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷模塊(RTI)來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘中斷的產(chǎn)生，因此要將OSTickISR()連接到向量表RTI位置。OSCtxSw()函數(shù)是利用軟中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)的切換功能的，因此軟中斷服務(wù)子程序的向量地址必須指向OSCtxSw()。
在進(jìn)行上述程序編寫后，下載代碼到硬件中，μC／OS-Ⅱ就可以在本系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)運(yùn)行了。
3 通信程序設(shè)計(jì)
利用任務(wù)形式來(lái)解決POC狀態(tài)的檢測(cè)問(wèn)題，不僅可以提高程序效率以及避免死循環(huán)現(xiàn)象，同時(shí)，還可以建立通信故障檢測(cè)報(bào)警任務(wù)，在不同的通信狀態(tài)下，對(duì)駕駛員提供故障信息，方便處理。
線控轉(zhuǎn)向程序結(jié)構(gòu)包括系統(tǒng)初始化、通信控制、數(shù)據(jù)采集和控制算法四大部分。這里只對(duì)其中的系統(tǒng)初始化及通信控制部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
3．1 系統(tǒng)初始化
在主程序main()中，首先對(duì)MC9S12XF512芯片進(jìn)行初始化，包括：時(shí)鐘初始化、I／O口初始化、A／D模塊初始化、PWM模塊初始化以及FlexRay協(xié)議配置初始化。之后，調(diào)用OSInit()函數(shù)對(duì)μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)進(jìn)行初始化。接著創(chuàng)建三個(gè)任務(wù)，按照優(yōu)先級(jí)順序9、1l、13，分別為FlexRay通信啟動(dòng)任務(wù)、數(shù)據(jù)接收發(fā)送任務(wù)和故障檢測(cè)報(bào)警任務(wù)，由這三個(gè)任務(wù)實(shí)現(xiàn)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的通信部分功能，其他部分功能可通過(guò)創(chuàng)建其他任務(wù)進(jìn)行擴(kuò)展。最后調(diào)用OSStart()啟動(dòng)內(nèi)核運(yùn)行，讓任務(wù)在操作系統(tǒng)的管理與調(diào)度下運(yùn)行。
3．2通信任務(wù)設(shè)計(jì)
以Freescale公司開發(fā)的針對(duì)該芯片的FlexRay通訊傳輸層和表示層的驅(qū)動(dòng)程序?yàn)榛A(chǔ)，進(jìn)行應(yīng)用層的程序設(shè)計(jì)，即編寫通信任務(wù)程序，完成協(xié)議的運(yùn)行過(guò)程。
3．2．1 FlexRay通信啟動(dòng)任務(wù)
按照上文介紹的FlexRay協(xié)議中定義的協(xié)議運(yùn)行過(guò)程，當(dāng)對(duì)FlexRay通信進(jìn)行初始配置后，協(xié)議將進(jìn)入就緒狀態(tài)，之后發(fā)送啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)命令等待協(xié)議狀態(tài)由啟動(dòng)狀態(tài)變?yōu)檎Ｖ鲃?dòng)狀態(tài)；在正常主動(dòng)狀態(tài)中，首先發(fā)送關(guān)鍵幀啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)，發(fā)送完成后進(jìn)入到節(jié)點(diǎn)喚醒狀態(tài)，然后開啟FlexRay通信的各種中斷，包括：傳輸中斷、接收中斷、存儲(chǔ)區(qū)中斷以及定時(shí)器中斷等，最后掛起任務(wù)等待檢測(cè)到通信故障時(shí)進(jìn)行喚醒；協(xié)議正常被動(dòng)狀態(tài)是在通信出現(xiàn)故障時(shí)，重新配置協(xié)議，進(jìn)行協(xié)議的重啟。需要注意的是用戶必須在多任務(wù)系統(tǒng)啟動(dòng)以后再開啟時(shí)鐘節(jié)拍器，也就是在調(diào)用Osatart()之后，由任務(wù)優(yōu)先級(jí)最高的那個(gè)任務(wù)開啟RTI中斷，否則系統(tǒng)容易死鎖。程序流程圖如圖2所示。
3．2．2 數(shù)據(jù)接收發(fā)送任務(wù)
FlexRay數(shù)據(jù)的接收發(fā)送是通過(guò)中斷服務(wù)程序進(jìn)行的，因此在該任務(wù)中，只需判斷POC狀態(tài)是否進(jìn)入正常主動(dòng)狀態(tài)，如果是則使用全局變量對(duì)接收函數(shù)Fr_receive_da()和發(fā)送函數(shù)Fr_transmit_data()的消息緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和更新。
3．2．3 故障檢測(cè)任務(wù)
在通信過(guò)程中，當(dāng)其他節(jié)點(diǎn)因故障重啟或是通信線路中斷時(shí)，可以利用故障檢測(cè)任務(wù)檢查POC狀態(tài)，當(dāng)協(xié)議運(yùn)行在正常被動(dòng)狀態(tài)時(shí)，則判斷為通信線路出現(xiàn)故障，將故障LED指示燈設(shè)定為閃爍狀態(tài)；當(dāng)協(xié)議運(yùn)行在暫停狀態(tài)時(shí)，則判斷為節(jié)點(diǎn)控制器故障，故障LED指示燈設(shè)定為常亮狀態(tài)，并對(duì)FlexRay通信啟動(dòng)任務(wù)進(jìn)行解掛，重新對(duì)協(xié)議進(jìn)行配置，待故障解決，系統(tǒng)可以自動(dòng)啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行。程序流程圖如圖3所示。
4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
使用Vector公司的CANoe軟件，可以方便地觀察FlexRay總線上的數(shù)據(jù)流情況。實(shí)驗(yàn)中，將CANoe軟件提供的FlexRay接口板VN3600接入總線網(wǎng)絡(luò)中，之后參考MC9S12XF512芯片手冊(cè)中FlexRay通信的MicroTick定義為25 ns，因此在FlexRay初始化定義中，設(shè)置參數(shù)P_MICRO_PER_M-ACRO_NOM為40，則一個(gè)MareroTick等于40個(gè)MicroTick，也就是說(shuō)，F(xiàn)lexRay通信配置的基準(zhǔn)時(shí)間片為lμs。據(jù)此，配置通信周期為5 000 μs；1個(gè)靜態(tài)時(shí)槽長(zhǎng)度為24μs，共有91個(gè)；1個(gè)動(dòng)態(tài)時(shí)槽為5μs，共有289個(gè)；特征窗與網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間為1 371μs。
程序中對(duì)節(jié)點(diǎn)Node_A和Node_B的時(shí)槽定義如表2所示。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，運(yùn)行時(shí)間2 289 s，時(shí)槽變化與周期數(shù)均與設(shè)計(jì)一致，數(shù)據(jù)收發(fā)正常。由圖5可知，幀速率為3 200幀／s，總計(jì)傳輸7 369 600幀，沒(méi)有出現(xiàn)無(wú)效幀與錯(cuò)誤幀，達(dá)到了實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性的要求。
在通信過(guò)程中，分別進(jìn)行故障模擬實(shí)驗(yàn)。
(1)突然斷開總線來(lái)模擬應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)線路故障的情況，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)停止更新，故障檢測(cè)LED指示燈閃爍，說(shuō)明程序檢測(cè)到了線路故障問(wèn)題并進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)再次連接總線后，故障檢測(cè)LED熄滅，數(shù)據(jù)繼續(xù)更新，說(shuō)明通信自動(dòng)重新啟動(dòng)。
(2)將任意一個(gè)控制器進(jìn)行掉電，模擬單一控制器故障情況，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)停止更新，故障檢測(cè)LED指示燈開始常亮，說(shuō)明程序檢測(cè)到了任意節(jié)點(diǎn)故障導(dǎo)致通信中斷的問(wèn)題并進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)再次開啟掉電控制器后，故障檢測(cè)LED熄滅，數(shù)據(jù)繼續(xù)更新，說(shuō)明通信自動(dòng)重新啟動(dòng)。通過(guò)以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了故障檢測(cè)報(bào)警功能良好。
5 結(jié)語(yǔ)
針對(duì)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)FlexRay通信過(guò)程中存在的問(wèn)題，將實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ應(yīng)用于系統(tǒng)中，進(jìn)行了代碼移植和通信任務(wù)設(shè)計(jì)。之后通過(guò)硬件實(shí)驗(yàn)，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果和故障檢測(cè)進(jìn)行了測(cè)試，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)解決了FlexRay總線應(yīng)用的復(fù)雜問(wèn)題，并利用μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)保證了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和安全性的要求，為今后實(shí)現(xiàn)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車輔助駕駛和智能駕駛方面的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
來(lái)源：現(xiàn)代電子技術(shù)
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