OSEK/VDX操作系統在EPS上的應用

楊利,李昭燦, 李雪瓊

(株洲易力達機電有限公司，湖南株洲 412002)

0 引言

汽車電子助力轉向器相比傳統的液壓助力轉向器具有高性能、高穩定性和高抗干擾性、環保節能等特點，已慢慢成為現代轉向系統發展的必然趨勢。隨著汽車工業的蓬勃發展，電子技術在汽車上得到越來越多的應用，同時也對電子助力轉向器提出了更嚴格的要求：首先，電子助力轉向器的功能除了最初的助力、回正、阻尼之外，XCP標定、UDS診斷、協助自動泊車等新的需求也層出不窮，傳統的軟件結構已無法適應多任務系統的需求；其次，不同的市場決定了汽車助力轉向器的多樣化，也就決定了轉向器平臺的多樣性，進而對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準的引入，對汽車及其零部件產品的安全等級要求也越來越嚴格。因此，應用實時嵌入式操作系統開發出高效、安全、兼容和可移植的汽車助力轉向器軟件也成為必然。

OSEK/VDX是由德國汽車工業界、法國汽車商PSA和雷諾聯合推出的一個開放式工業標準，旨在規范汽車電子應用領域的軟件開發。經過十多年的發展，OSEK/VDX已經引起了全球的強烈關注。它的宗旨是充分考慮軟件的可移植性、可擴展性和可重用性，采用基于標準化接口和協議的構件化、模塊化設計。它主要由四部分組成：操作系統標準、通信標準、網絡管理標準、OSEK實現語言(OIL)。文中著重關注操行系統標準。

OSEK/VDX標準的提出順應了汽車電子的發展需求，因此文中正是應用OSEK/VDX操作系統來設計汽車助力轉向器的軟件。

1 EPS基本結構

EPS是一個為了減輕駕駛員對方向盤的操縱力，完成輔助轉向操作的機電一體化系統，分為機械部分和電氣部分，如圖1所示。其中電氣部分的核心是電子控制器(MCU)，它能根據扭矩傳感器、車速傳感器、發動機轉速等控制信號，確定轉向助力的大小和方向，來驅動助力電機做功。機械部分包括輸入輸出軸、拉桿、齒條、離合器等，作用是將助力電機輸出的力傳遞給車輪，帶動車輪轉動。

2 RTA-OSEK任務管理

RTA-OSEK是ETAS公司根據OSEK/VDX標準編制的一個實時操作系統及其配置環境，它的理念是：嚴格的時間要求；追求100%的可移植性，而不是兼容性；支持廣泛的硬件平臺；提供標準化接口；強調系統的可剪裁性；增強錯誤檢測。

RTA-OSEK的核心是任務管理，它將任務分為基本任務和擴展任務。基本任務有運行、掛起和準備3個狀態。基本任務只有在以下情況下放棄CPU：任務中止、更高優先級的任務到來，硬件中斷。擴展任務比基本任務多了一個等待狀態，它允許調用系統服務WaitEvent，并進入等待狀態，處于等待狀態的擴展任務釋放處理器，運行低優先級任務，而不需中止。

任務優先級是靜態分配，0的優先級最低，最大優先級由系統決定。

任務的調度策略有非搶占式、搶占式和混合式3種。非搶占式是指新來的任務必須等正在運行的任務運行完畢才能運行；搶占式是指新來的優先級更高的任務可以使正在運行的低優先級的任務掛起；混合式是指既有非搶占式又有搶占式。

3 軟件設計

3.1 系統架構

系統軟件架構分為3層，分別為驅動層、中間層和應用層，見圖2。

(1)驅動層主要包括底層硬件的設置和初始化、中斷事件處理和信號采樣。

(2)中間層指OSEK操作系統，包括邏輯定時器管理、任務管理。邏輯定時器是任務管理的基礎。各任務的定時是由邏輯定時器完成的，當然邏輯定時器實際上也是由一個物理定時器驅動的。任務管理顧名思義就是對系統中的任務進行管理，包括優先級管理和任務間通信管理。

(3)應用層主要實現對EPS的控制、故障診斷和處理、數據通信等。

根據以上分析，可以大致將系統軟件劃分為以下幾個模塊：

電源管理模塊。提供電源管理，監控系統電源的工作狀態并及時匯報給故障診斷模塊；

車速模塊。檢測到車身傳遞的車速信號，并計算出實時的車速大小；

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

角度模塊。檢測方向盤位置，是方向盤主動回正時的重要控制參數。

故障診斷模塊。定時輪詢各模塊的工作狀態，一旦發現異常將進行必要的故障處理，以保障行車安全；

電機驅動模塊：將計算得到的PWM值轉換為控制助力電機旋轉的控制量，其中包括電機預驅動、電流電壓檢測等；

助力模塊。通過輸入力矩和車速的大小確定輸出的助力大小，并加入速度補償、阻尼補償、摩擦補償等當量，使助力大小達到最優；

回正模塊。根據當前的方向盤角度及角速度，發出相應的控制信號驅動電機，使電機產生相應的回正力矩，最終使方向盤回到中間位置。

3.2 任務分配

嵌入式實時操作系統的優勢在于高效的任務調度算法，因此使用RTA-OSEK來開發軟件時，只需要根據系統架構分析，將系統軟件模塊劃分為不同的任務類型，并靜態指派任務的屬性。

基本任務:

(1)OnTmrVehicleSinalCalc——車速計算

該任務根據gioLowLevelInterrupt中斷采集到的車速頻率計算得到當前的車速值，并對車速進行濾波、修正處理，最終將得到的車速值保存。該任務是基本任務，4 ms定時執行一次，優先級為32。

(2)OnTmrTorqueCalc——力矩計算

該任務將hetHighLevelInterrupt中斷采集到的力矩信號進行有效值、平滑值濾波處理，并存儲力矩的當前值、歷史值，以便進行力矩波動計算。該任務是基本任務，4 ms定時執行一次，優先級為31。

(3)OnTmrAngleCalc——角度計算

該任務將gioHighLevelInterrupt中斷采集到的角度信號進行有效值、平滑值等濾波處理后，計算出角度和角速度、角加速度大小，為回正控制提供參數。該任務是基本任務，4 ms定時執行一次，優先級為30。

(4)OnTmrFaultDetect——故障檢測

該任務定時輪詢各個模塊的運行情況，檢測是否運行在安全狀態。考慮到系統的安全需求，一旦模塊出現故障，系統必須盡快檢測到，因此該任務的優先級應該高于其他模塊的優先級，優先級設為40。

(5) OnTmrMainLoop——主控制環

主控制環任務是整個系統的心臟，為了保證主控制環的精度，將該任務放置在adcGroup1Interrupt中斷服務程序中完成，因此該任務實際上是中斷類型，由ADC中斷觸發。該任務的執行周期為200 μs，目的是根據當前的力矩、車速和角度信號，判斷系統是處于回正還是助力狀態，從而調用相應的回正控制算法或助力控制算法，驅動電機執行相應的動作。

擴展任務：

(6)Group0——采樣電流信號采集

該任務由adcGroup0Interrupt中斷觸發，將中斷采集到的采樣電流信號進行平滑處理后保存。因此該任務是擴展任務，上電后處于Waiting狀態。

(7) Group2——電機端電壓、溫度信號采集

該任務由adcGroup2Interrupt中斷觸發，將中斷采集到的電機端電壓、溫度信號等進行平滑處理后保存。因此該任務是擴展任務，上電后處于Waiting狀態。

(8)OnTmrOutPutCtr——故障處理

該任務是擴展任務，上電后處于Waiting狀態。當故障檢測任務檢測到系統出現異常時，就觸發故障處理任務對當前出現的故障進行處理。故障等級分為警告、一般、嚴重和致命4級，根據故障等級不同，故障處理措施也不一樣。當發生致命故障時，需要立即斷開離合器，使轉向系統回到手動助力狀態。

3.3 數據保護機制

傳統的編程方式中，模塊與模塊之間的通信機制通常是采樣全局變量來實現的。這種方法的優點是簡單，但是缺點也顯而易見：維護性差，安全性低，這種做法和功能安全的思想是背道而馳的。此系統中采用兩種方法來避免因為數據沖突而帶來的安全問題。

第一種方法是用Message進行模塊通信。

例如：兩個Process(進程)同時對同一個變量x進行操作。這將會引起數據沖突，如圖3(a)所示。解決方法其實很簡單：Process1訪問變量x時創建一個備份t，從而避免數據沖突，如圖3(b)所示。

圖3(b)中的備份變量t其實是Message的原型，因此Message的本質即為一個變量。它們在原則上既能被讀也能被寫。但是在實際應用中，經常需要對這種自由度作限制：有些Process只應該對某個Message進行讀操作，而另一些只需對其進行寫操作。通過這樣的定義可以定義數據傳輸的流向。

第二種方法是采樣統一的函數來訪問其他模塊的數據。

例如，助力控制模塊需要得到當前的力矩值時，通過調用GetCurrentTs()函數來實現，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前值，最大限度地防止數據沖突。

4 總結

汽車電子的發展趨勢對汽車助力轉向器提出了新的要求，為了解決日益復雜的需求和落后的軟件結構之間的矛盾，引入了旨在規范汽車電子軟件開發規范的OSEK/VDX標準。該標準致力于解決軟件的可移植性、兼容性和可重用性，提出了標準化的接口和協議。利用ETAS公司開發的完全符合OSEK/VDX標準的RTA-OSEK操作系統來開發汽車助力轉向器的軟件，提高了軟件的效率和可重用性。基于Message和統一函數接口的模塊通信方式也有效地避免了數據沖突。

【1】 田路.OSEK/VDX COM模塊的設計與實現[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2007:4-10.

【2】 毛亞茹.OSEK/VDX標準研究及應用[D].長春：吉林大學，2005:1-10.

【3】 臧懷泉，田超， 劉敏.基于OSEK/VDX的電動助力系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，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.