汽車電子嵌入式軟件編程接口庫設計

引言

近年來，隨著電子科學和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車電子設備的應用越來越多。目前，國內(nèi)汽車電子技術(shù)水平跟國外汽車廠商相比還有很大差距，尤其是在發(fā)動機電控方面，國內(nèi)尚無獨立開發(fā)先例。本文介紹的柴油機電控系統(tǒng)嵌入式軟件平臺就是面向汽車電子，遵循OSEK標準，應用于汽車動力總成控制的系統(tǒng)平臺。 軟件平臺由微型系統(tǒng)內(nèi)核和應用編程接口庫組成。嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核負責任務調(diào)度及事件處理等，編程接口庫負責將開發(fā)常用的算法和MPC555底層硬件的驅(qū)動函數(shù)進行控件級封裝，供用戶調(diào)用。在嵌入式系統(tǒng)中，開發(fā)人員通過調(diào)用編程接口庫中已有的API函數(shù)，就可以實現(xiàn)常用運算功能以及常規(guī)硬件操作。

圖1 發(fā)動機電控系統(tǒng)層次圖

整個電控系統(tǒng)包括硬件平臺、底層驅(qū)動、嵌入式軟件平臺和上層用戶四個層次。各個層次關系，如圖1所示。

硬件平臺簡介

發(fā)動機電控系統(tǒng)硬件平臺主控CPU為MPC555，它是一款高性能的32位單片機，是專為汽車電子、航空航天、智能系統(tǒng)等高端嵌入式控制系統(tǒng)所設計的芯片。其獨特之處在于其具有浮點運算單元，支持浮點代碼的直接編程；此外，MPC555還具有可編程的時間處理模塊，可通過對該模塊的獨立編程，實現(xiàn)對發(fā)動機曲軸、凸輪軸等復雜周期信號的處理，無需外接單獨的CPU，從而大大簡化了軟、硬件設計。

圖2 發(fā)動機電控系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

以MPC555為核心控制單元，輔以相應的輸入信號處理、輸出控制和通訊單元設計的發(fā)動機電控系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示。

嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核簡介

該嵌入式操作系統(tǒng)是以MPC555/MPC556單片機為硬件運行平臺，參照歐洲OSEK標準，構(gòu)建的超微型實時安全的嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核。該系統(tǒng)為用戶提供各種任務調(diào)度、事件處理及中斷響應機制，并由操作系統(tǒng)管理各個任務之間的切換和信息傳遞。

為滿足系統(tǒng)實時性的要求，操作系統(tǒng)任務管理采用基于任務優(yōu)先級的可搶占式任務機制，任務之間通過消息郵箱和消息隊列傳遞變量和信息。另外，系統(tǒng)內(nèi)核利用開放源碼機制,通過裁減與移植,可以支持多種國際主流處理器。

該嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核的功能結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3支持汽車電子的嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核結(jié)構(gòu)圖

嵌入式編程接口庫設計

應用編程接口庫的設計是將發(fā)動機電控系統(tǒng)需要的常規(guī)算法和硬件基本操作封裝為函數(shù)形式，嵌入在操作系統(tǒng)中，為開發(fā)人員提供一個友好安全的軟件平臺。

該嵌入式編程接口庫的結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 支持汽車電子的嵌入式編程接口庫結(jié)構(gòu)圖

嵌入式基礎編程接口庫

嵌入式基礎編程接口庫是指各行業(yè)在電子控制方面通用的編程接口庫。該庫利用現(xiàn)有車輛數(shù)據(jù)作為模擬數(shù)據(jù)進行控制算法和線性插值算法庫函數(shù)驗證，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)符合 ASAP2標準。該接口庫為用戶提供了一整套開發(fā)中常用的算法函數(shù)和基本操作，對典型的算法和操作進行控件級封裝，為應用程序提供一個完整的通用的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)庫。

該函數(shù)庫主要包括：

1. 2D、3D線性插值算法接口庫：在二維、三維表中，經(jīng)過線性插值得到與輸入量對應的函數(shù)值,用于發(fā)動機控制參數(shù)查表算法。

2. PID控制器算法接口庫：PID控制器是一種線性控制器。它根據(jù)給定值與實際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，主要用于控制噴油輸出信號。

3. 平滑濾波處理算法接口庫：主要用于對采集的模擬信號進行平滑和去抖處理。4. 其他汽車電子控制系統(tǒng)中，常用的控制算法和信號處理函數(shù)接口庫。

嵌入式基礎編程接口庫的設計有兩個目的：一是方便調(diào)用應用程序，增加程序可靠性和編程效率；二是希望通過將處理方法標準化，在不改變程序結(jié)構(gòu)的情況下，可以將程序言在不同的硬件平臺上進行移植，免去了軟件開發(fā)人員對一些典型算法和操作的重復編程。

嵌入式專用編程接口庫

嵌入式專用編程接口庫，是指針對特定柴油機和ECU的硬件特殊需要設計的系統(tǒng)專用編程接口庫。該接口庫的設計符合OSEK操作系統(tǒng)調(diào)用規(guī)范，為用戶提供底層硬件MPC555的各個功能模塊的驅(qū)動，并針對汽車電子完成了基本的數(shù)據(jù)處理工作，提供軟件方面的可調(diào)用函數(shù)。嵌入式專用編程接口庫主要包括：

1. 模擬量輸入檢測及處理接口庫：發(fā)動機的溫度、壓力等傳感器信號以電壓形式被電控單元ECU的模擬量通道采集。信號采集方式可以是需要時調(diào)用采集函數(shù)，也可以設置成QADC單元自動按定時器周期順序采集。在系統(tǒng)初始化時，用戶可根據(jù)具體情況分別設定各個通道的采集方式。

2. 開關量輸入/輸出接口庫：用于對離合器、剎車等開關量信號采集并做去抖處理，結(jié)果賦值給指定的全局變量，供用戶需要時讀取。傳感器電源、渦輪增壓器控制等開關量輸出，則通過直接調(diào)用相應函數(shù)由引腳輸出高低電平實現(xiàn)。I/O口的引腳方向在系統(tǒng)初始化時根據(jù)硬件設計設定。

3. 周期量輸入檢測及輸出控制接口庫：MPC555單片機內(nèi)部集成的時間處理單元TPU自帶曲軸/凸輪軸信號檢測功能和噴油信號輸出控制功能。為方便用戶使用，我們將各個功能封裝為底層驅(qū)動函數(shù)形式，用戶可以調(diào)用這些函數(shù)設定TPU的工作方式。

4. 其他和單片機硬件相關的驅(qū)動函數(shù)接口庫。

底層驅(qū)動接口庫是汽車電子開發(fā)人員和底層硬件系統(tǒng)之間的橋梁，使開發(fā)人員可以最大限度地脫離底層硬件轉(zhuǎn)而專注于汽車控制算法設計。用戶通過對底層驅(qū)動接口函數(shù)的調(diào)用，就可以方便地完成對MPC555底層硬件的操作。

嵌入式API函數(shù)庫

基于上述算法和底層驅(qū)動函數(shù)庫，針對該控制系統(tǒng)的具體需求和功能，兼顧在汽車電子領域的通用性，我們對函數(shù)和算法以及各種操作進行了更高一層的封裝，為用戶提供了更標準的API函數(shù)庫，更大程度地方便了用戶。API函數(shù)庫包含了發(fā)動機各種信號的輸入處理和輸出控制函數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)更加具體的功能。

以發(fā)動機噴油控制函數(shù)為例，當系統(tǒng)檢測到曲軸信號缺齒位置時，產(chǎn)生中斷。系統(tǒng)根據(jù)測得的發(fā)動機轉(zhuǎn)數(shù)，以及各種溫度和壓力參數(shù)，結(jié)合怠速、剎車等開關的狀態(tài)，設定噴油輸出信號的起始時刻和脈沖寬度，從而實現(xiàn)對發(fā)動機性能的控制。

結(jié)語

本文介紹了一種支持汽車電子的嵌入式編程接口庫的內(nèi)容和設計方法。接口庫提供了可供系統(tǒng)直接調(diào)用的各種API函數(shù)，以實現(xiàn)常規(guī)算法和硬件操作。接口庫的設計相對獨立，實現(xiàn)了與硬件平臺、操作系統(tǒng)和控制算法的并行開發(fā)，最后統(tǒng)一聯(lián)調(diào)，大大縮短了開發(fā)的時間。同時，這種層次分明的設計思想，也使得接口庫設計更加通用和標準化，可以通過簡單修改移植到新的軟、硬件平臺之上，提高了代碼的重復利用率，有較高的使用價值。