基于μC/OS-Ⅱ的Flexray線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的實現(xiàn)

　　近年來，隨著汽車工業(yè)和電子工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)成為了研究的熱點，并提出了包括路感模擬、轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性以及總線技術(shù)等諸多關(guān)鍵性問題并加以研究。其中的總線技術(shù)，已經(jīng)得到了眾多知名汽車公司的積極研究與應(yīng)用。一些汽車制造商目前計劃采用FlexRay總線，這是一種特別適合下一代汽車應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)通信總線，具有容錯功能和確定的消息傳輸時間，能夠滿足汽車控制系統(tǒng)的高速率通信要求。

　　FlexRaY是時間觸發(fā)的通信總線，對實時性要求較高，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，F(xiàn)lexRay通信在啟動和運行過程中，需要利用循環(huán)對總線狀態(tài)進行查詢，既浪費大量的系統(tǒng)資源，又容易造成程序死鎖，成為應(yīng)用中的難點問題。

　　基于上述問題，本文基于μC／OS-II操作系統(tǒng)，設(shè)計了線控轉(zhuǎn)向中FlexRay總線的通信部分。在滿足實時性要求的基礎(chǔ)上，利用其多任務(wù)的特點，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。其主要特點有：雙通道傳輸，每個通道的傳輸速率高達lO Mb／s；具有靈活的使用方式，支持多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)；負載率高；提供冗余機制。

　　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FlexRay通信的運行過程，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)換圖如圖1所示。當控制器主機接口(Controller Host InteRFace，CHI)給通訊控制器(CC)發(fā)送命令后，CC從暫停狀態(tài)進入默認配置狀態(tài)，滿足配置條件后進入配置狀態(tài)，完成網(wǎng)絡(luò)初始化和節(jié)點通信任務(wù)初始化；之后可以進入就緒狀態(tài)，完成節(jié)點內(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，也可以獲得CPU的啟動通信命令，完成與FlexRay網(wǎng)絡(luò)時鐘同步；啟動成功后進入正常狀態(tài)，完成數(shù)據(jù)的收發(fā)；當出現(xiàn)錯誤時，可由正常狀態(tài)進入暫停狀態(tài)，重新等待CHI命令。

　　由此可見，控制器需要按照POC狀態(tài)進行相應(yīng)操作，因此會出現(xiàn)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)中單獨執(zhí)行，通過操作系統(tǒng)進行任務(wù)調(diào)度，可以避免影響到其他任務(wù)中程序的運行，并且提高程序的執(zhí)行效率。

　　2 基于MC9S12XF512的μC／OS-Ⅱ移植

　　μC／OS-Ⅱ是源碼公開的操作系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小和實時性能優(yōu)良等特點。利用該操作系統(tǒng)的任務(wù)機制，設(shè)計實現(xiàn)Flex-Ray協(xié)議，可以大大提高系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性，并且可以避免檢測POC狀態(tài)時的死鎖現(xiàn)象。

　　目前市場上支持FlexRay通信的單片機較少，只有Freescale公司的技術(shù)比較成熟?？紤]到成本問題，選擇16位單片機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)μC／OS-Ⅱ的文件結(jié)構(gòu)，移植時需要對OS_CPU．H，(OS_CPU_A．ASM和OS_CPUC．C三個文件進行修改，以適合MC9S12xF512芯片的需要。

　　2．1 修改OS_CPU．H文件

　　OS_CPU．H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，定義任務(wù)調(diào)度函數(shù)OS_TASK_SW()設(shè)置為軟中斷源。

　　2．2 修改OS_CPU_A．ASM文件

　　OS_CPU_A．ASM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)開始運行的函數(shù)OS-StartHighRdy()。