汽車自適應巡航控制系統的嵌入式系統

楊曉慧

(長春大學 計算機科學技術學院，吉林 長春 130022)

汽車自適應巡航控制系統的嵌入式系統

楊曉慧

(長春大學 計算機科學技術學院，吉林 長春 130022)

本文從自適應巡航控制算法入手，圍繞其結構圖，論述了嵌入式系統的功能特性及其在汽車領域應用的可行性與可靠性，闡明了其在大大提高汽車智能化發展中的重要作用。

自適應巡航控制(ACC);超高頻率(UVHF);運行時編譯器(RTOS)

嵌入式系統是一種將嵌入了軟件的計算機硬件作為其最重要的一部分的系統。它是一種專用于某個應用或者產品的基于計算機的系統。它可以是一個獨立的系統，也可以是更大系統的一部分。由于其軟件通常嵌入在ROM中，因此并不像計算機一樣需要輔助存儲器。嵌入式系統是當前汽車電子領域應用最廣泛的系統之一。從1990年起，就已經在汽車的離散獨立組件或者集成中心服務系統的定時器、電機和機械系統的實時控制，自適應巡航控制(ACC)［2］、數據采集等功能中使用。

維持恒定速度的自適應巡航控制增加了一項特性，即在高速公路上出現多汽車流的情況下，維持車隊穩定的功能。行駛控制是一個負責控制主動輪油門，并以預定的恒定速度引導汽車行駛的系統。行駛控制也可以在高速公路上出現多汽車流，或者護送貴賓的情況下保持車隊穩定。通常，駕駛員在駕駛期間，使用加速器踏板控制車速。但是導航控制系統解除了駕駛員的這項工作，并且在道路條件比較適宜時，ACC可以代替手動控制。當交通不太擁擠時，汽車以比較高的速度行駛。在需要的時候，駕駛員也可以恢復控制。

1 ACC的算法

自適應控制是指一種調整控制輸入的當前狀態的算法［1］，該算法的方程中使用的不是一組恒定不變的數學參數，而是可以動態調整的。需要不斷調整的參數示例有比例常量、積分常量和微分常量。圖1介紹了自適應控制算法如何進行調整和操作。

圖1 調整操作的自適應控制算法模型

2 ACC嵌入式系統的結構圖

ACC嵌入式系統的結構圖如圖2所示。

2.1 常見的ACC系統執行行為

(1)從DAS單元內的速度計得到道路速度。

(2)從DAS單元內的引擎速度得到加速度。

(3)得到用于剎車操作的剎車開關輸入。

圖2 ACC嵌入式系統的結構圖

(4)向踏板系統發送輸出信息，用于緊急剎車以及ACC行駛控制下的駕駛員不干涉行駛。

(5)運行自適應算法，計算并發送控制信號給真空管傳動裝置中的步進電動機。開啟真空管的小孔控制油門。這個閥門是電氣閥門。建立真空時通過風箱提供所需動力。也可以直接使用油門上帶有螺紋驅動附件的A.D.C或者步進電動機，代替真空傳動裝置和風箱。

(6)控制前置面板，該面板有以下部件：(a)用于“開”、“關”、“自動駕駛”、“恢復控制”、“設置/加速”開關和顯示。駕駛員通過分別按下“開”或者“關”來激活和關閉ACC系統。通過分別按下“自動駕駛”或者“恢復控制”來移交和恢復ACC系統的控制權。駕駛員使用“設置/加速”開關設置行駛速度。開關依據ACC激活時的狀態閃爍綠光或者紅光。(b)報警和消息閃爍單元發出適當的報警信號和消息閃爍統計圖表［3］。

(7)從前方車隊的車輪上的雷達或者UVHF(Ultra Very High Frequency，超高頻率)附件中得到前方汽車的距離。步進電動機調整該附件，使雷達發射器的視線和前方汽車保持在一條直線上。雷達系統保證了車隊穩定，并在緊急情況發出警告。

選擇ACC的案例研究，是為了證明RTOS［4］在某些應用程序中是必需的。我們使用運行時編譯器(RTOS)的一些功能特性，來得到汽車電子系統中可靠的控制系統。這里給出的ACC系統示例，包括系統維持車隊穩定的算法和端口。汽車電子設備中的硬件系統必須提供功能上的安全。以下是當前一些重要的硬件標準和準則：

a.TTP(Time Triggered Protocol，定時觸發協議)

b.CAN(Control Area Network，控制域網絡)

c.MOST(Media Oriented System Transport，媒體定向系統傳輸)

d.為EMC(Electromagetic Magnetic Control，電磁控制)和功能安全準則制定的IEE指導標準。

2.2 ACC系統應用

當前，基于嵌入系統的汽車控制單元使用微處理器、微控制器、DSP或者ASIP。我們假設在該案例中使用了這些單元，以下是它們的設備驅動端口和函數。

(1)Port_Align：進電動機端口。電動機按中斷信號順時針或者逆時針運轉。該電動機還會調整雷達或者UVHF傳輸設備和前方汽車在一條直線上。

(2)Port_Ranging：時間差timeDiff讀入端口設備。然后服務例程開始執行，雷達發射信號，傳感器接收來自前方汽車的反射信號。該程序剛開始禁用中斷。端口設備電路測量兩個時刻之間的延遲。程序在退出臨界段時啟用中斷。延遲的一半乘以測量速度的任務提供的速度，得到前方汽車的距離。

(3)Port_Speed：口設備在接收中斷信號的同時，設置一個N_rotation遞減計數器，并注明該時刻的時間。程序剛開始禁用中斷。在遞減計數溢出后，它再次注明時間，并得到時間差deltaT。程序在退出臨界段時啟用中斷。Port_Speed收到來自Port_RangeRate的信號時，在速度計上顯示當前速度speedNow。

(4)Port_RangeRate：它向端口傳輸信號rangNow和speedNow，發送給車隊中的其他汽車。同時發送信號給Port_Speed，在速度計上顯示speedNow.

(5)Port_Brake：端口設備在收到中斷信號時應用剎車和緊急剎車操作。該服務例程剛開始禁用中斷，在退出臨界段時啟用中斷。它也應用剎車操作并將剎車信息以信號的方式發送給車隊中的其他汽車。

3 RTOS對于ACC系統的功能特性

在一個復雜嵌入式系統的設計中需要大量的編碼工作，當開發一個產品時，需要能在一個合理的時間內完成這些工作。一個就緒可用的RTOS程序包具有這樣的優點：在那些提前測試和調試過的RTOS函數，以及錯誤和異常處理函數已經經過眾多用戶測試使用后，RTOS程序包可以方便地獲得測試結果。汽車嵌入式系統在操作系統上需要一些超過MUCOS或者VxWorks以及MS DOS和UNIX的特殊性能。所需的特殊OS性能如下所示：

(1)語言可以與應用程序相關，沒有必要是C或者C++，數據類型也應該與具體的應用程序相關，但不與具體的RTOS相關。例如，在VxWorks中STATUS是RTOS相關的，這是不允許的，因為它可能成為一個錯誤源，所以不可靠。

(2)它的OS、每種方法、類和運行時庫應該是可伸縮的。這優化了對存儲器的需求。

(3)任務可以分成4類。這向程序員提供了一個明顯的任務劃分，使得他們可以確定系統中哪些模塊使用哪類任務。

a.每個優先級的任務只有一個，并且只激活一次的基本任務稱作BCC1。

b.每個優先級的任務只有一個，并且只激活一次的擴展任務稱作ECC1。

c.每個優先級的任務有多個，并且運行期間可激活多次的基本任務稱作BCC2。

d.每個優先級的任務有多個，并且運行期間可激活多次的擴展任務稱作ECC2。

(4)OS可以以截然不同的方式調度ISR和任務。

(5)中斷系統在服務例程開始時被禁用，在返回時啟用。這使得任務可以在實時環境中運行。

(6)任務可以實時調度。

(7)任務可以由3組對象組成，事件(信號量)、資源(語句和函數)和設備。前面描述了一些端口設備。報警器就是一個例子。它顯示統計圖表、消息和閃爍消息，并發出嘟嘟聲和蜂鳴聲。

(8)不允許創建和刪除定時器、任務或者信號量對象。運行時故障可能導致定時器或者信號量未經允許就被刪除。這是潛在的問題根源，因而不可靠。

(9)消息隊列通過任務發關的IPC不允許作為等待任務，因為它可能無限等待所需要的全部消息。RTOS隊列類型、無限等待和消息超時可能是潛在的故障源，因而不可靠。信號量作為資源鍵或者計數器時可能會有類似的風險，所以不使用它們。

(10)進入臨界段之前和執行服務例程的時候，必須禁用所有中斷，只在返回的時候才啟用。

4 結語

汽車電子設備中的軟件也必須是標準的。當前一些重要的軟件標準和準則是AMI-C(汽車多媒體接口協作)，MISRA-C(針對汽車系統中C語言軟件準則的發動機行業可靠性協會標準)和用于RTOS、通信和網絡管理的OSEK/VDX。操作系統方面的OSEK-OS，具有較高的可靠性。從而得出OSEK-OS［5］標準比VxWorks或者MUCOS更可靠。所以ACC嵌入式系統會在汽車領域應用得更加廣泛。

［1］ 王宜懷，劉曉升.嵌入式應用技術基礎教程［M］.北京：清華大學出版社，2005：133-134.

［2］ Raj Kamal.嵌入式系統-體系結構、編程與設計［M］.北京：清華大學出版社，2005：443-444.

［3］ B.Demuth and D.Eisenreich，Designing Embedded Internet Devices［M］.Butterworth Heinemann，2002：188-190.

［4］ 桑楠，等.嵌入式系統原理及應用開發技術［M］.2版.北京：高等教育出版社，2008：201-202.

［5］ 魏忠.嵌入式開發詳解［M］.北京：電子工業出版社，2003：239-240.

責任編輯：吳旭云

The embedded system of vehicle adaptive cruise control

YANG Xiao-hui
(College of Computer Science and Technology，Changchun University，Changchun 130022，China)

Starting from the vehicle adaptive cruise control algorithm and centering on its structure chart，this paper discusses the functional characteristics of the embedded system as well as the feasibility and dependability in automotive field and expounds the important role in the automobile intelligent development.

adaptive cruise control(ACC);super high frequency(UVHF);real-time operation system(RTOS)

TP66

A

1009-3907(2010)08-0081-03

2010-06-22

楊曉慧(1974-)女，吉林鎮賚人，實驗師，主要從事計算機方面的研究。