基于μCOS-Ⅱ的線控轉(zhuǎn)向中的FlexRay總線通信設(shè)計(jì)

1、    基于C/OS-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 時(shí)間:2010年05月05日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:         通信 FlexRaY是時(shí)間觸發(fā)的通信總線，對實(shí)時(shí)性要求較高，

2、因此僅僅依靠由簡單循環(huán)和中斷服務(wù)程序組成的嵌入式程序?qū)o法滿足要求。同時(shí)，F(xiàn)lexRay通信在啟動和運(yùn)行過程中，需要利用循環(huán)對總線狀態(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)問題。 基于上述問題，本文基于C/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，避免了死鎖問題的出現(xiàn)，并增加了通信故障檢測報(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，F(xiàn)lexRay聯(lián)盟于2005年發(fā)布了FlexRay總線協(xié)議

3、。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 Mbs；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)；啟動狀態(tài)；正常狀態(tài)(正常主動、正常被動)；暫停狀態(tài)。其狀態(tài)轉(zhuǎn)

4、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)中沒有在通信的節(jié)點(diǎn)，也可以獲得CPU的啟動通信命令，完成與FlexRay網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步；啟動成功后進(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，控制器需要按照POC狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)操作，因此會出現(xiàn)

5、對POC狀態(tài)的循環(huán)檢測，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POC狀態(tài)放入任務(wù)中單獨(dú)執(zhí)行，通過操作系統(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COS-移植COS-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POC狀態(tài)時(shí)的死鎖現(xiàn)象。 目前市場上支持FlexRay通信的單片機(jī)較少，只有Freescale公司的技術(shù)比較成

6、熟?？紤]到成本問題，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題。根據(jù)COS-的文件結(jié)構(gòu)，移植時(shí)需要對OS_CPUH，(OS_CPU_AASM和OS_CPUCC三個(gè)文件進(jìn)行修改，以適合MC9S12xF512芯片的需要。21 修改OS_CPUH文件OS_CPUH文件定義與CPU相關(guān)的硬件信息，包括各種數(shù)據(jù)類型對應(yīng)的存儲長度等。針對MC9S12xF512中的堆棧是由高地址向低地址增長的，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。 22 修改OS_CPU_AASM文件OS

7、_CPU_AASM文件是使用匯編語言編寫與任務(wù)調(diào)度部分有關(guān)的代碼。包括任務(wù)級任務(wù)切換函數(shù)OSCtxSw()、中斷級任務(wù)切換函數(shù)OSIntCtxSw()、以及讓優(yōu)先級最高的就緒態(tài)任務(wù)開始運(yùn)行的函數(shù)OS-StartHighRdy()。MC9S12XF512芯片不僅設(shè)有FLASH頁面管理寄存器PPage，也有RAM頁面管理寄存器RPage、E2PROM頁面管理寄存器EPage以及全程寄存器GPage。當(dāng)時(shí)鐘節(jié)拍中斷發(fā)生時(shí)，芯片會自動把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_AASM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句。由于篇幅有限，僅以PPage代碼為例：&

8、#160;寄存器的入棧必須按照GPage，EPage，RPage，PPage的順序，出棧則相反。 23 修改OS_CPUCC文件OS_CPUCC文件是使用C語言編寫與任務(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()。 231 修改任務(wù)堆棧初始化函數(shù)0STaskStkInit()由于COS-是利用中斷方式來實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度的，因此需要使用函數(shù)OSTaskStklnit()來模擬發(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

9、后，X，Y，A，B，SP等寄存器入棧順序來進(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值對應(yīng)。發(fā)現(xiàn)對應(yīng)于堆棧指針SP值的存儲區(qū)地址是模擬中斷時(shí)進(jìn)棧的存儲地址，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，并沒有找到任務(wù)的代碼。通過單步執(zhí)行OSTaskStkI-nit()函數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)原程序在存儲任務(wù)代碼指針PC值時(shí)，只存儲了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?#160;*-wstk=(INT

10、l6U)(INT32U)task)； 232 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?？梢酝ㄟ^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COS-進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，OS_SAVE_SP()函數(shù)用來保存堆棧指針，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)

11、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，COS-就可以在本系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)運(yùn)行了。  

12、          3 通信程序設(shè)計(jì)    利用任務(wù)形式來解決POC狀態(tài)的檢測問題，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報(bào)警任務(wù)，在不同的通信狀態(tài)下，對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。這里只對其中的系統(tǒng)初始化及通信控制部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)。    

13、     31 系統(tǒng)初始化    在主程序main()中，首先對MC9S12XF512芯片進(jìn)行初始化，包括：時(shí)鐘初始化、IO口初始化、AD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COS-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)先級順序9、1l、13，分別為FlexRay通信啟動任務(wù)、數(shù)據(jù)接收發(fā)送任務(wù)和故障檢測報(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創(chuàng)建其他任務(wù)進(jìn)行擴(kuò)展。最后調(diào)用OSStart()啟動內(nèi)核運(yùn)行，讓任務(wù)在

14、操作系統(tǒng)的管理與調(diào)度下運(yùn)行。         32通信任務(wù)設(shè)計(jì)    以Freescale公司開發(fā)的針對該芯片的FlexRay通訊傳輸層和表示層的驅(qū)動程序?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)行過程。         321 FlexRay通信啟動任務(wù)    按照上文介紹的FlexRay協(xié)議中定義的協(xié)議運(yùn)行過程，當(dāng)

15、對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)送啟動節(jié)點(diǎn)命令等待協(xié)議狀態(tài)由啟動狀態(tài)變?yōu)檎Ｖ鲃訝顟B(tài)；在正常主動狀態(tài)中，首先發(fā)送關(guān)鍵幀啟動網(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、存儲區(qū)中斷以及定時(shí)器中斷等，最后掛起任務(wù)等待檢測到通信故障時(shí)進(jìn)行喚醒；協(xié)議正常被動狀態(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。  

16、       322 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)入正常主動狀態(tài)，如果是則使用全局變量對接收函數(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。         323 故障檢測任務(wù)     

17、60;  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，F(xiàn)lexRay通信配置的基準(zhǔn)時(shí)間片為ls。據(jù)此，配置通信周期為5 000 s；1個(gè)靜態(tài)時(shí)槽

18、長度為24s，共有91個(gè)；1個(gè)動態(tài)時(shí)槽為5s，共有289個(gè)；特征窗與網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間為1 371s。    程序中對節(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，沒有出現(xiàn)無效幀與錯(cuò)誤幀，達(dá)到了實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性的要求。                 在通信過程中，分別進(jìn)行故障模擬實(shí)驗(yàn)。    (1)突然斷開總線來模擬應(yīng)用現(xiàn)場出現(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LE