基于RX850實時操作系統(tǒng)的柴油機高壓共軌電控系統(tǒng)軟件開發(fā)

蘇洪良,劉瑞祥

(山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院,山東 淄博 255049)

柴油機高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)具有噴油壓力高、噴射特性好、噴油量和噴油定時控制精確、靈活等優(yōu)點,已經(jīng)成為柴油機電控技術(shù)發(fā)展的重要趨勢.電控系統(tǒng)控制軟件設(shè)計方法的選擇對整個控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣有著重要影響.隨著電控系統(tǒng)控制功能和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的提高,控制軟件的開發(fā)也日益復(fù)雜.傳統(tǒng)的柴油機電控系統(tǒng)軟件設(shè)計方法為單線程控制環(huán)式,存在著控制精度低、實時性差等缺點,已不能滿足現(xiàn)代控制系統(tǒng)要求[1-2].為此,本文將RX850實時操作系統(tǒng)引入到高壓共軌電控系統(tǒng)的軟件開發(fā)中,以期為充分利用軟硬件資源、提高軟件開發(fā)效率和控制系統(tǒng)性能提供一個有效的實時操作系統(tǒng)平臺.

1 軟件開發(fā)環(huán)境

本研究選用NEC公司的μ PD70F3239微控制器,μ PD70F3239具有一系列相配套的系統(tǒng)開發(fā)工具,如項目管理器(PM+)、編譯/匯編器(CA850)、集成調(diào)試器(ID850)、任務(wù)調(diào)試器RD850、仿真器(SM+for V850、SM850)、實時操作系統(tǒng)(RX850、RX850 Pro)、分析器(AZ850)、性能分析工具(TW850)、堆棧計算器(STK850)等,本研究中使用的工具及版本如圖1所示.其中AZ850和RD850需單獨啟動,使用的版本分別為V3.30和V3.20.

圖1 軟件開發(fā)工具及版本

項目管理器PM+是用于開發(fā)用戶程序的集成開發(fā)環(huán)境,具備軟件開發(fā)過程中的編輯、構(gòu)建、調(diào)試和修改等一系列操作功能,可以方便地完成從代碼生成到軟件功能調(diào)試的整個過程[3].為了便于統(tǒng)一管理和研究,本文創(chuàng)建唯一的工程文件HPCR.Prj,在PM+中,將工程中所使用到的源文件信息、設(shè)備文件信息、編譯器、文本編輯器、調(diào)試器和仿真器等基本信息都存儲到HPCR.Prj內(nèi),以方便系統(tǒng)參考和加載.創(chuàng)建HPCR.Prj后,使用設(shè)備文件(Device File)加載μ PD70F3239的基本信息,如外圍 I/O寄存器名稱定義、中斷請求名稱、內(nèi)部存儲器大小及其他信息.PM+允許采用C語言與匯編語言相結(jié)合的編程方式,大大提高了編程的靈活性和軟件開發(fā)效率.

2 RX850系統(tǒng)構(gòu)建流程

RX850實時多任務(wù)操作系統(tǒng)可以在目標(biāo)系統(tǒng)的ROM中存儲和執(zhí)行.系統(tǒng)內(nèi)核由管理模塊和調(diào)度器組成.管理模塊具有以下功能:任務(wù)管理功能、同步通信功能、中斷管理功能、內(nèi)存池管理功能和時間管理功能;調(diào)度器用于管理任務(wù)處理器的執(zhí)行權(quán)和確定任務(wù)的執(zhí)行順序.

系統(tǒng)構(gòu)建流程是將媒介文件在用戶系統(tǒng)上編譯、鏈接生成加載模塊文件并下載至目標(biāo)系統(tǒng)中的過程,整個構(gòu)建流程如圖2所示.在編譯器中生成的目標(biāo)文件(.o文件)由系統(tǒng)信息文件(.cf文件)、用戶程序(.c文件)以及系統(tǒng)初始化模塊組成.系統(tǒng)信息文件由系統(tǒng)配置文件通過配置器CF850生成;用戶程序單獨編譯;系統(tǒng)初始化模塊以初始代碼的形式存在.目標(biāo)文件與鏈接指令文件(.dir文件)鏈接后生成可執(zhí)行模塊(.out文件),可執(zhí)行模塊加入ROM信息,并轉(zhuǎn)換成十六進制文件形成加載模塊,最后嵌入目標(biāo)系統(tǒng).

圖2 RX850系統(tǒng)構(gòu)建流程圖

3 控制軟件設(shè)計

3.1 任務(wù)劃分

任務(wù)劃分是系統(tǒng)軟件設(shè)計的重點.任務(wù)的劃分情況和調(diào)度策略的選擇,決定著電控系統(tǒng)性能的優(yōu)劣[4-5].本研究中,任務(wù)主要依據(jù)其功能、執(zhí)行頻率、實時性和優(yōu)先級進行劃分.

本研究根據(jù)柴油機實際工作狀況,采用模塊化設(shè)計原則,將ECU軟件系統(tǒng)分為轉(zhuǎn)速計算模塊、工況判斷模塊、噴油控制模塊、共軌壓力控制模塊、信號采集模塊和故障診斷模塊,并根據(jù)噴油系統(tǒng)的控制要求,設(shè)置了如下11個任務(wù):轉(zhuǎn)速計算任務(wù)1;工況判斷任務(wù)2;噴油量計算任務(wù)3;噴油定時任務(wù)4;預(yù)噴射任務(wù)5;主噴射任務(wù)6;PVC閥控制任務(wù)7;油門負(fù)荷和共軌壓力信號采集任務(wù)8;其余模擬信號采集任務(wù)9;離散量掃描任務(wù)10;故障判斷任務(wù)11.圖3為系統(tǒng)軟件模塊與任務(wù)間的對應(yīng)關(guān)系.

RX850提供了任務(wù)切換機制,每個任務(wù)都有自己的堆棧用于存儲任務(wù)信息.任務(wù)在內(nèi)核運行期間有以下6種狀態(tài):就緒狀態(tài)、運行狀態(tài)、等待狀態(tài)、等待掛起狀態(tài)、掛起狀態(tài)和睡眠狀態(tài),系統(tǒng)內(nèi)核提供系統(tǒng)服務(wù)函數(shù)用于轉(zhuǎn)換任務(wù)狀態(tài).任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖4所示.

3.2 任務(wù)管理

RX850有兩種調(diào)度方式:基于優(yōu)先級的占先式和同優(yōu)先級 FCFS(先到先得(first-come,firstserved))方式.調(diào)度器運行時會檢查每個可執(zhí)行任務(wù)(run或ready狀態(tài))的優(yōu)先級,然后選擇最合適的任務(wù)并為其分配處理時間.

圖3 系統(tǒng)軟件模塊與任務(wù)間的對應(yīng)關(guān)系

圖4 任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系圖

本研究采用占先式調(diào)度方式,每個任務(wù)都設(shè)置一個優(yōu)先級,但所有的任務(wù)都是可以被占先的.優(yōu)先級最高的任務(wù)為系統(tǒng)的基本控制任務(wù),依次為預(yù)噴射控制任務(wù)(任務(wù)5)、主噴射控制任務(wù)(任務(wù)6);其次為轉(zhuǎn)速計算任務(wù)(任務(wù)1)、噴油量計算任務(wù)(任務(wù)3)、噴油定時計算任務(wù)(任務(wù)4),這些任務(wù)保證ECU所需的控制數(shù)據(jù)能得到及時更新;然后是PVC閥控制任務(wù)(任務(wù)7).其它任務(wù)依據(jù)實時性和重要性確定優(yōu)先級,依次為任務(wù)10＞任務(wù)8＞任務(wù)9＞任務(wù)2＞任務(wù)11.這種調(diào)度策略不僅可以提高CPU的利用率,而且能滿足控制系統(tǒng)的實時性要求.

4 同步與通信

多任務(wù)處理時,下一個被執(zhí)行的任務(wù)、或者任務(wù)的處理內(nèi)容,可能依靠前一個任務(wù)的處理結(jié)果輸出,因此要求使用同步函數(shù)在每個任務(wù)間提供聯(lián)系.在RX850中有兩個同步函數(shù):高級控制函數(shù)和等待函數(shù).RX850為高級控制函數(shù)提供標(biāo)志信號量(semaphores),為等待函數(shù)提供事件標(biāo)志(Event)和1位(1-bit)事件標(biāo)志.在本系統(tǒng)中任務(wù)與任務(wù)之間的同步主要依靠事件標(biāo)志和1位事件標(biāo)志來實現(xiàn).

在RX850中,使用通信函數(shù)將一個任務(wù)的處理結(jié)果傳遞給其它任務(wù).RX850為通信函數(shù)提供信箱(mailboxes).通過在信箱之間交換消息(message)來完成任務(wù)之間及任務(wù)與中斷之間的通信.本研究中用了5個消息來實現(xiàn)關(guān)鍵的通信,其余通信由全局變量完成.

5 實驗結(jié)果與結(jié)論

為了驗證電控系統(tǒng)性能,本研究進行了初步的調(diào)試實驗.實驗顯示:在發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速(n=2400r/min)工況下,能夠?qū)崟r完成噴油量及噴油定時計算任務(wù)、共軌壓力控制任務(wù)、診斷及通訊任務(wù),整個系統(tǒng)任務(wù)執(zhí)行時間不超過16ms,滿足了發(fā)動機的實時控制要求.通過研究,可得出以下結(jié)論:

(1)將RX850實時操作系統(tǒng)引入到柴油機電控噴油系統(tǒng)的研究中是合理有效的.所開發(fā)的電控系統(tǒng)實現(xiàn)了噴油量、噴油定時和噴油壓力的精確控制,提高了發(fā)動機的動態(tài)響應(yīng)能力.

(2)在項目管理器PM+中進行軟件主程序編寫,縮短了軟件開發(fā)周期、提高了軟件開發(fā)效率,且軟件的讀寫、維護都非常方便.

(3)軟件采用模塊化設(shè)計方法,不僅可以充分利用硬件資源,同時也保證了電控系統(tǒng)的實時性和可靠性.

[1]劉成偉,王尚勇,楊青.基于OSEKworks開發(fā)平臺的高壓共軌噴油控制系統(tǒng)的研究[J].內(nèi)燃機工程,2004,25(4):28-31.

[2]文武紅,楊世文,王孝.基于OSEKturbo實時操作系統(tǒng)的柴油機電控系統(tǒng)的研究[J].機械管理開發(fā),2005(3):77-78.

[3]NEC Electronics Co rporation.RX850 pro real-time operating system user's manual[M].Japan:NEC Electronics Corporation,1999:29-30.

[4]王尚勇,楊青.柴油機電子控制技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005:283.

[5]王忠凱,趙磊.UC/OS-Ⅱ任務(wù)調(diào)度研究[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,23(2):30-35.