基于OSEKVD標(biāo)準(zhǔn)汽車儀表信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于OSEKVD標(biāo)準(zhǔn)汽車儀表信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)    摘要  介紹了當(dāng)前在國(guó)際汽車工業(yè)界占據(jù)主導(dǎo)地位的汽車電子系統(tǒng)開放式平臺(tái)-OSEK/ VDX標(biāo)準(zhǔn)，并用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)了一套以16位單片機(jī)MC9S12DG128為核心的汽車儀表信息系統(tǒng)。   關(guān)鍵字 OSEK/VDX; RTOS; MC9S12DG128; CAN總線; LIN總線   隨著現(xiàn)代電子工業(yè)的快速發(fā)展，從傳統(tǒng)的基于機(jī)械力工作的機(jī)械儀表到基于電測(cè)原理的電器式儀表，從模擬電子式儀表到最新的步進(jìn)電機(jī)式全數(shù)字儀表，汽車儀表技術(shù)在不斷的進(jìn)步和提高。文中介紹的汽車儀表信息系統(tǒng)，是第四代

2、汽車儀表。它作為汽車CAN總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以在儀表盤上顯示車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、里程、冷卻水溫度、蓄電池電壓、燃油液位等數(shù)據(jù)，并具有汽車診斷數(shù)據(jù)接口，讀出保存的數(shù)據(jù)可以分析汽車的運(yùn)行情況，也可以作為汽車黑匣子使用；軟件設(shè)計(jì)基于國(guó)際流行的OSEK/VDX標(biāo)準(zhǔn)，與汽車的其他部件之間具有通用的網(wǎng)絡(luò)接口，便于擴(kuò)展。   1 OSEK/VDX標(biāo)準(zhǔn) 汽車電子系統(tǒng)在整車中所占的比重逐年增大。從發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱的控制到防抱死、懸掛控制，直至巡航、通訊、在線診斷等 ，控制內(nèi)容越來(lái)越多，控制系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜。為了解決汽車中軟件含量增加、在操作系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)方面重復(fù)開發(fā)、軟件工程師的效率不能滿足高質(zhì)量產(chǎn)品的要

3、求等諸多問(wèn)題，歐洲汽車行業(yè)在20世紀(jì)90年代提出了車內(nèi)多控制單元的開放式分布控制標(biāo)準(zhǔn)OSEK/VDX(Offene Systeme und deren Schnittstellen fur die Elektronik im Kraftfahrzeug/Vehicle Distributed eXecutive)。其含義是汽車電子系統(tǒng)的開放平臺(tái)和統(tǒng)一接口，主要包括操作系統(tǒng)OS、通信COM、網(wǎng)絡(luò)管理NM和OSEK實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言O(shè)IL等四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)是歐洲汽車行業(yè)先進(jìn)開發(fā)技術(shù)的總結(jié)，提供了將各種先進(jìn)汽車電子設(shè)備有機(jī)集合在一起的網(wǎng)絡(luò)化嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)規(guī)范。   1.1 操作系統(tǒng)OS（Oper

4、ating System） OSEK/ VDX操作系統(tǒng)（OS）定義了一個(gè)小的、可伸縮的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS，對(duì)于存儲(chǔ)容量有限和功能專用的嵌入式系統(tǒng)是非常理想的。從運(yùn)行在8位微處理器上的系統(tǒng)到運(yùn)行在32位處理器上的系統(tǒng)都可以使用這個(gè)OS。操作系統(tǒng)可管理實(shí)時(shí)任務(wù)、強(qiáng)化定時(shí)器的功能（報(bào)警）、共享資源，使用事件進(jìn)行任務(wù)的同步和管理進(jìn)程間的通信，OS在OSEK/VDX中的層次模型如圖1所示。 OSEK/ VDX 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的軟件平臺(tái)。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)采用前后臺(tái)系統(tǒng)，即后臺(tái)長(zhǎng)期地運(yùn)行著一個(gè)主控程序，前臺(tái)是與硬件相關(guān)的中斷處理，這種系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性的處理，以及系統(tǒng)的可擴(kuò)展性方面都有缺陷，對(duì)于龐大系統(tǒng)的管

5、理困難很大。OSEK/ VDX的操作系統(tǒng)可以對(duì)中斷級(jí)、系統(tǒng)行為級(jí)和任務(wù)級(jí)3個(gè)級(jí)別的事件進(jìn)行處理。其中，中斷級(jí)被賦予最高的優(yōu)先級(jí)，它是系統(tǒng)與外界交互的直接手段，將影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；系統(tǒng)行為級(jí)被放在其次的位置上，這些行為是系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)性控制的實(shí)現(xiàn)方法，以應(yīng)用程序形式存在，并用來(lái)完成某種功能的任務(wù)級(jí)，其優(yōu)先級(jí)最低。此外，操作系統(tǒng)還提供了任務(wù)管理、調(diào)度、事件管理(如用于任務(wù)間通訊的郵箱、消息隊(duì)列等) 、內(nèi)存資源管理、報(bào)警和出錯(cuò)處理等諸多功能。操作系統(tǒng)使OSEK/ VDX的整體管理更加容易，人們更多需要關(guān)注的是任務(wù)本身而不是操作系統(tǒng)。因?yàn)橄到y(tǒng)對(duì)于任務(wù)的管理基于優(yōu)先級(jí)，一旦任務(wù)的優(yōu)先級(jí)確定了，則其余的工作

6、完全由操作系統(tǒng)來(lái)調(diào)度。    圖1  OSEK OS在OSEK/VDX中的層次模型   1.2 通信COM（Communication） OSEK/VDX的通信COM定義了一個(gè)應(yīng)用程序內(nèi)或者應(yīng)用程序之間進(jìn)行任務(wù)間或者處理器之間通信的接口和協(xié)議。該協(xié)議提供標(biāo)準(zhǔn)API服務(wù)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都可以獨(dú)立操作。通信力求獨(dú)立于協(xié)議，并使其在任何環(huán)境下都能靈活運(yùn)用。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，OSEK/VDX建立了五層模型（見圖2）。    圖2  OSEK/VDX通信模型 與COM一起最常用的網(wǎng)絡(luò)硬件是控制器局域網(wǎng)

7、（CAN），它已成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，應(yīng)用于汽車和工業(yè)領(lǐng)域。該規(guī)范并不排除其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議或者其他專用協(xié)議，并且在單一的COM環(huán)境中，多個(gè)硬件網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)可以混合使用。COM規(guī)范定義了異步通信模型，應(yīng)用程序在恢復(fù)運(yùn)行之前不必等待消息，并且當(dāng)它得不到請(qǐng)求的消息時(shí)，也不會(huì)被阻塞，消息的內(nèi)容和使用方法與COM無(wú)關(guān)。OSEK COM 允許0 長(zhǎng)度的消息存在。在內(nèi)部通信情況下，交互層IL ( Interaction Layer) 使消息數(shù)據(jù)立即發(fā)送到接收方；在外部通信情況下，IL 將1 個(gè)或多個(gè)消息壓縮成指定的交互層協(xié)議數(shù)據(jù)單元，并把它們傳遞到下層處理。 COM 任務(wù)間的

8、通信機(jī)制可通過(guò)調(diào)用StartCOM()，StopCOM( )，SendMessage()和ReceiveMessage()等系統(tǒng)服務(wù)函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。   1.3網(wǎng)絡(luò)管理NM（Network Management） OSEK/VDX網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范定義了監(jiān)控靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的算法，提供了一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)管理組件的應(yīng)用程序接口API，擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)提供的狀態(tài)和配置信息。網(wǎng)絡(luò)管理最初來(lái)源于汽車環(huán)境，因此網(wǎng)絡(luò)被假定是靜態(tài)的。在靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)上所有可能的節(jié)點(diǎn)都是已知的，并且是固定的，但是在一個(gè)應(yīng)用中并不是每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有效。任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)都能被定義，如導(dǎo)航系統(tǒng)、娛樂設(shè)備和安全設(shè)備等；每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都能在規(guī)定的間

9、隔內(nèi)獲得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息。OSEK/VDX的NM為網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控提供了兩種機(jī)制：一種是通過(guò)監(jiān)控應(yīng)用的消息進(jìn)行間接監(jiān)控；另一種是對(duì)于特定的網(wǎng)絡(luò)管理利用標(biāo)記機(jī)制進(jìn)行直接監(jiān)控。OSEK NM的應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)部分： OSEK/VDX NM 與應(yīng)用程序的接口(API) ； 節(jié)點(diǎn)監(jiān)控的算法； OSEK/VDX NM 與OSEK COM 的接口; 轉(zhuǎn)換到睡眠狀態(tài)的算法； OSEK/VDX NM 協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NMPDU) 。 一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)管理與其他部分的關(guān)系如圖3所示。           

10、                  圖3、網(wǎng)絡(luò)管理環(huán)境  1.4  OSEK實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言（OSEK Implementation Language） 為了達(dá)到軟件可移植的目標(biāo)，OSEK OIL 規(guī)范提供一種在特定CPU 中配置OSEK 應(yīng)用的機(jī)制。每個(gè)CPU對(duì)應(yīng)一個(gè)OIL描述，所有的OSEK系統(tǒng)對(duì)象用OIL 對(duì)象來(lái)描述。OSEK 應(yīng)用的OIL 描述是一組OIL 對(duì)象的組合，CPU 是這些OIL 對(duì)象的容器。OI

11、L 明確地為每個(gè)OIL 對(duì)象定義了所有標(biāo)準(zhǔn)屬性。每個(gè)OSEK應(yīng)用可以定義附加的特殊執(zhí)行屬性和引用并限制每個(gè)屬性的取值范圍。OIL 中的對(duì)象包括：CPU (處理器) 、OS(操作系統(tǒng)) 、AppMode (應(yīng)用模式) 、ISR ( 中斷服務(wù)) 、Resource ( 資源) 、Task(任務(wù)) 、Counter (記數(shù)器) 、Event (事件) 、Alarm(報(bào)警器) 、Com(通信子系統(tǒng)) 、Message (消息) 、Ipdu (交互層協(xié)議數(shù)據(jù)單元) 、NM(網(wǎng)絡(luò)管理)等。 汽車工業(yè)API 標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)是在開發(fā)時(shí)間和降低成本、提高軟件質(zhì)量和模塊的可移植性上邁進(jìn)了一大步。不同的一致類、不同的調(diào)

12、度模式和靜態(tài)配置的特征保證了OSEK/ VDX OS 能廣泛地運(yùn)用在不同的場(chǎng)合，適用于不同的硬件。而OSEK/ VDX操作系統(tǒng)內(nèi)核又不局限于汽車行業(yè)，充分說(shuō)明了其強(qiáng)大的生命力?，F(xiàn)在有很多提供符合OSEK/ VDX 的操作系統(tǒng)供應(yīng)商，如WindRiver、Motorola、ETAS 、Sysgo、Accelerated Technologies 和Realogy 都在推動(dòng)OSEK/ VDX的發(fā)展和應(yīng)用。   2 汽車儀表信息系統(tǒng) 汽車儀表是汽車中不可缺少的組成部分，負(fù)責(zé)記錄并顯示汽車的各種數(shù)據(jù)，其主要包括車速表、里程表、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表、油量表、氣壓表、電壓表等（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示）。其核

13、心內(nèi)容是實(shí)現(xiàn)汽車儀表及全車運(yùn)行數(shù)據(jù)的數(shù)字化與信息共享。 由圖4可知，本系統(tǒng)主要由中央控制器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和診斷接口等部分組成。儀表中央控制器是本系統(tǒng)的核心部分，主要任務(wù)包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理分析以及數(shù)據(jù)交換。數(shù)字儀表及儀表板以具有LIN接口的儀表機(jī)芯為特征；所有儀表機(jī)芯均以Freescale公司的8位單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)、十字線圈、液晶、數(shù)碼管以及LED指示燈輸出。手持診斷設(shè)備具有大屏幕LCD及按鍵，通過(guò)自定義專用總線與中央控制器相連，主要功能包括：黑匣子數(shù)據(jù)下載、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)下載、配置數(shù)據(jù)交互，在線故障分析與診斷等。     &#

14、160;       圖4、汽車儀表信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 2.1、儀表中央控制器 儀表中央控制器的核心采用Freescale公司的16位單片機(jī)MC9S12DG128?；竟δ馨ㄍㄟ^(guò)LIN總線與數(shù)字儀表進(jìn)行通訊交換數(shù)據(jù)、發(fā)布控制指令驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)等；通過(guò)CAN總線與汽車的其他總成交換數(shù)據(jù)、發(fā)布控制命令；通過(guò)診斷總線與手持式設(shè)備交換數(shù)據(jù)，輸出實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、輸出記錄數(shù)據(jù)、接受配置指令；實(shí)現(xiàn)對(duì)多路模擬量、開關(guān)量、頻率量、周期量的實(shí)時(shí)采樣與監(jiān)控； 具有車載電子設(shè)備所要求的可靠性、EMC等性能。   2.2、步進(jìn)電機(jī)的使用 新一代儀表與先前

15、儀表的最顯著區(qū)別就是儀表機(jī)芯的變化。由于一般動(dòng)圈式指示儀表抗震性差、過(guò)載能力弱、指針易抖動(dòng)等弱點(diǎn)，而動(dòng)磁式十字交叉機(jī)芯也存在一致性、通用性差的缺點(diǎn)，迫切需要一種一致性、通用型、可靠性好的驅(qū)動(dòng)機(jī)芯。步進(jìn)電機(jī)剛好滿足這些要求，它在工作原理上做出技術(shù)創(chuàng)新，通過(guò)線包與磁鋼間產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)指針工作。步進(jìn)電機(jī)式汽車儀表由微控制器完成各種模擬信號(hào)的采集，經(jīng)過(guò)換算后直接控制步進(jìn)電機(jī)，再由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)指針，在刻度盤上指示被測(cè)模擬信號(hào)。步進(jìn)電機(jī)式儀表與動(dòng)圈式或者動(dòng)磁式十字交叉線圈儀表相比有顯著特點(diǎn)：     指示精度高，一致性比較好；     重復(fù)性和

16、通用性好；     可靠性和穩(wěn)定性好； 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制相對(duì)比較簡(jiǎn)單； 當(dāng)今國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家普遍使用全數(shù)字式汽車儀表顯示裝置，絕大部分是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)式汽車儀表，并準(zhǔn)備向更高方向發(fā)展。本系統(tǒng)選用Freescale公司的步進(jìn)電機(jī)接口驅(qū)動(dòng)芯片，帶有2路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口。   2.3、中心控制器軟件設(shè)計(jì) 本文的汽車儀表信息系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是在免費(fèi)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II的基礎(chǔ)上，通過(guò)修改uC/OS-II實(shí)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)核，使它符合OSEK/VDX協(xié)議從而實(shí)現(xiàn)開發(fā)目的。uC/OS-II是一個(gè)搶先式的內(nèi)核，即已經(jīng)準(zhǔn)備就緒的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)可以剝奪正在運(yùn)行的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的CPU使用權(quán)，這個(gè)特點(diǎn)使得它具有良好的實(shí)時(shí)性。uC/OS-II提供的主要功能包括任務(wù)管理、進(jìn)程調(diào)度、任務(wù)間通訊及內(nèi)存管理等。   3 結(jié)束語(yǔ) OSEK/ VDX是汽車ECU 開發(fā)的新的通用國(guó)際性標(biāo)準(zhǔn)，采用OSEK/ VDX 規(guī)范開發(fā)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)能夠提高軟件模塊的移植效率、實(shí)現(xiàn)軟件模塊的重復(fù)利用及在不同電子控制單元之間的通信。OSEK/ VDX規(guī)范已有很成熟的實(shí)現(xiàn)，并且有功能強(qiáng)大的開發(fā)環(huán)境，采用OSEK/VDX 進(jìn)行汽車電控單元開發(fā)已成為發(fā)展趨勢(shì)。     參考文獻(xiàn) 【1】