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1、计算机系统应用2 0 1O 年第19 卷第4 期O SE K V D 嵌入式实时操作系统在汽车稳定性控制器中的应用郜文1，2 李继来1，2梁华为1(1 中国科学院合肥智能机械研究所安徽合肥2 3 0 0 3 1：2 中国科学技术大学自动化系安徽合肥2 3 0 0 2 7)摘要：根据o s E K V D 标准设计嵌入式实时操作系统，侧重于任务管理，资源管理部分的实现。并在自之开发的汽车稳定性控制器硬件在环仿真平台上进行验证。实验结果表明，在该操作系统上开发系统可以有效地提高实时性和稳定性，能够满足汽车稳定性控制器的要求。关键词：O S E K V D X；嵌入式；实时；操作系统；汽车稳定性控制
2、器A p p l 油6 蚰o fO S E K，I XE m b e d d e dR I e a l 抽mO p e m 甑gs y s t 咖t oV e t l i c kS 讪m 锣C(m t r c 山e rG A O、n 1”，L IJ i L a j“，L I A N GH u a W e i l(1 I n s t i m t eo f I n t e l l i g e n tM a c h j n e s，C h i n e s eA c a d e m yo f S c i e n c e s，H e f e i2 3 0 0 3l，C h i n a；2 U n i V
3、 e r s i t)r0 fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yo fC h i n a，H e f e i2 3 0 0 2 7，C h i n a)A b s t r a c t：T h i sp a p e rd e s i g l l s 卸e m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e ma c c o r d i n gt oO S E l(D Xs t a n d a r d I tf b c u S e so nt 1 1 ed e s i g no ft a s ka I
4、 l dr e s o u r c em 柚a g e m e n t T h e ni ti sV e r i f i e do nt h ea u t o m o b i l es t a b i l i t)rc o n t r o lh 删w a r e i n 1 0 0 ps i m u l a t i o np l 撕。咖，n l er e s u l to fV e r i f i c a t i o ns h o w st h a td e V e l o p i n go nm i sO Sc a ne 硒c i e n t l yi m p r o V et h er e
5、 a l t i m ep e r f b n n 卸c ea n ds t a b i l j t yo ft l l es y s t e m 锄di tc 柚a l s om e e tt l l er e q u i r e m e n t So fa u t o m o b i l es t a b i l i t yc o n n D ls y s t e mw e l l K e y w o r d s：O S E l“V D X；e m b e d d e d；r e a l t i m e；0 p e r a t i n gs y s t e m；V e h i c l es
6、 t a b i l i t)rc o n t r o l l e r1引言O S E K V D 标准是当前流行于汽车行业内的汽车电子分布式控制的开放平台。采用符合O S E K V D 标准的嵌入式实时操作系统开发产品，可以提高代码的复用率、降低开发成本、缩短产品开发周期，并增强系统的实时性、可移植性和扩展性。近年来，许多半导体厂商也在自己的产品中融入了支持实时操作系统的结构，例如摩托罗拉公司f r e e s c a l e 系列微控制器绝大多数都支持实时操作系统，这更加促进了嵌入式实时操作系统在汽车电子中的发展【1】o汽车电子稳定性控制系统(E S C)是目前汽车主动安全技术的一项重要
7、内容，较之传统的控制器，E S C系统具有更多的传感器，执行器以及更为复杂的控制算法，若采用传统的开发方法，不仅难以严格满足实收稿时间：2 0 0 9 一0 7 14：收到修改稿时间：2 0 0 9 一0 8 2 S1 4 8 应用技术A p p l i e d1 k h n i q 时性，也不便于更好的利用控制器本身的硬件资源，同时也会给后续的开发带来一些困难。采用基于O S E K V D X 标准的嵌入式实时操作系统来进行控制器的软件开发将有效的解决上述问题。2O S E K V D X 嵌入式实时操作系统2 1O S E KO S 体系结构按照O S E K V D 规范定义，O S
8、E KO S 按功能分为任务管理和调度、资源管理、警报管理、计数器管理、事件管理和中断管理【2】其结构组成如图1 所示O S E K 定义的处理级别为：(1)中断级(2)调度器逻辑级(3)任务级。优先级规则是：(1)中断级大于任务级：(2)中断级包括一个或多个优先级；(3)静态分配中断服务程序的 万方数据2 0 10 年第19 卷第4 期计算机系统应用中断优先级，黑体的分配取决于实现和硬件结构：(4)静态分配任务优先级。资源篱理fI任务管避翔调度l警报管理ill计数器管理事 幸管理f中断管理图10 S E KO S 结构缎成S K 规范学的任务分必基本任务3 D 和扩展任务(E 研。基本任务具
9、有运行态、就绪态和挂起态共三种状态。扩展任务多了一个等待态。基本任务只在开始鞠结束时才鸯同步点，需要豹资源少，两扩箴任务可以对应不同的时间，在运行中可毹有多个同步点，所以对环境要求比较高。稽应于基本任务和扩装任务，O S 深规范定义了符合类的概念，共有4 种符合类级别B C C l，B C C Z，E C C l，E C C 2。它们的定义如图2 所示o。殴母挂务可多次激瓣 二三兰毡图2 复合类级别定义2 20 S E KO S 运行机制分析国(1)任务管理与调度上蘑已经提到，0 S E K0 S 提供两蕈叁不同的任务概念：基本任务和扩展任务。任务调度的机制分为：完全可抢占式调度机制不霹抢占式
10、调度撬制混合抢占调度撬制。不管是哪种调度策略。用户可以通过系统服务S c h e d u l e 在任何它想重新分配C P U 的地方重新调度。除了完全可抡占调度机制的应蘑程序，其它谖度毫莲毹都必须要使用系统服务S c h e d u l e。(2)中断处理O S E KO S 规定豹中断处理分必两类：中断服务程序类别l f l S RC a t e g o 唧1)，中断服务程序不使用操作系统服务，当一个中断服务稷序结束时，在被中断麴指令处继续执行，也就是说中断对任务慧理没有影响，这个类别的中断稷序有最小的额外开销；中断服务程序类别2(1 S RC a t e g o r y2)，O S E
11、KO S 提供一个中断框絮为霸户程序准备一个运行时环境，在系统生成时，用户程序就被分配给这个中断。(3)事件机制只鸯扩晨任务类型才会用到事件机制，事辞枧割可以将一个任务从等待状态转换到就绪状态，或从运行状态转换到等待状态。操作系统提供服务来设置、清除、询问攀件以及等待事 譬的发生。在任舒溃况下，一个事件的接受者都是一个扩展任务，因此一个中断服务程序或者一个基本任务等待个事件都是不可能豹。(4)资源管理O S E KO S 资源管理内容的一个特点是其避免优先级翻转豹方法优先级天麓板协议。其主要内容如下：在系统生成时，对于每个资源来说，它自己的最高限度优先级是被静态分配的。如果一个任务需要一个资源
12、，并置这个任务当前优先级比这个资源的最高限度优先级低，那么这个任务的优先级就被重耨设置成这个资源的最高限度优先级。当一个任务释放资源时，它的优先级被动态重置为访闷这个资源前的优先级。S)计数与警报管理一个计数器实际上是一个计数值，以脉冲为量度，而且一般的计数器都是一个常量。O S E KO S 不提供标准的A 残来直接实现计数o当一个报警器期满时，O S E K 提供了一些服务来激活一个任务、设置一个事件或者是调用一个报警器反馈程序o 个报警器反馈程穿就是由应鼹程亭提供的小函数，当达到预先定义的定时器的值时，这个报警器就期满了【3】。3 汽车稳定性控制器硬件平台主控制器采用摩托罗拉公司主要应用
13、于汽车电子豹F r e e s c 采eM C 9 S 2 D G l2 8 革冀撬，酗C 9 S l2 D GA p p l e d 慨h n i q 眦应用技术1 4 9 万方数据计算机系统应用2 0 10 年第19 卷第4 期12 8 微控制器是M o t o r o I a 公司M 6 8 H C l2 系列1 6位单片机中的一种，其内部结构主要有单片机基本部分和C A N 功能块组成，基本结构包括：中央处理器单元H C S l2(C P U)，2 个异步串行通信口S C I，2 个同步串行通信口S P I，8 通道输入捕捉输出比较定时器，1 个8 通道脉宽调制模块以及4 9 个独立数
14、字I O 口(其中2 0 个具有外部中断及唤醒功能)在片内还拥有12 8 K B 的F I a s hR O M，8 K B 的R A M，2 K B 的E E P R O M，C A N 功能块包括两个兼容C A N 2 O A B 协议的m s C A N 控制器组成，这些丰富的内部资源和外部接口资源可以满足E C U 对各种数据的处理以及C A N 网络数据的发送和接收要求。控制嚣信号处理系统传感器信号图3 汽车稳定性控制实验平台结构由于F L A S H 存储器具有在系统中重新编程的能力，并可用于非易失性数据存储，而且允许现场更新，所以，可以很方便地将操作系统固化到控制器中。控制单元的
15、主要作用就是通过这些传感器信号对车辆的运行状态进行判断，进而发出控制指令，并自动向一个或多个车轮施加制动力，以使车辆保持在驾驶者所选定的轨迹内【4】。传感器记录车辆的一些物理变量，包括：前轮转角、油门踏板和刹车踏板。基于这些数据，通过E C U系统分析驾驶员对方向盘的操作方向，并计算车辆是否遵照驾驶员提出的转向要求行驶，然后有针对性地对各个车轮实施制动。同时这些制动压力与物理传感器信号通过计算机内的汽车动力学模型计算出质心侧偏角以及横摆角速度，通过信号发生装置转换为模拟信号后，也作为E C U 的输入，用于产生制动压力。这样就形成了汽车稳定性控制的硬件在环实验平台。1 5 0 应用技术A p
16、p l j c d1 k h n i q 4基于F r e e s c a I eM C 9 S 12 D G l2 8 设计O S E KO SO S E KO S 的设计参照嵌入式操作系统u C O S 一的架构，为了将来移植到其他硬件平台的方便，首先把内核分为硬件无关，硬件相关和任务相关三个部分，与应用相关的内核配置选项放置在任务相关部分【5 1。我们这里设计的操作系统，遵循B C C l 级别的定义。在这个级别中任务类型为基本任务。每个优先级对应唯一的一个任务，每个任务只能一次激活。根据这个级别设计的操作系统适合于M C 9 S 12 D G l2 8 上应用程序的开发。操作系统服务A
17、 c t i v a t e T a s k 或者C h a i n T a s k 完成激活一个任务的操作，激活之后，任务就由初始状态转换到准备执行状态。为了提高效率，不支持优先级的动态管理方法，也就是由用户静态定义的优先级，在系统执行过程中是不能被修改的。每个任务都由一个任务控制块(T C B)来管理，在任务管理模块中，实现O S E K 标准A P I：激活任务、终止任务、连接任务、调度、捕获当前运行任务I D 和获得任务状态。资源管理模块实现O S E K 标准A P l：获得资源、释放资源。计数器管理没有标准A P l，警报管理结构由警报和警报行为组成。其标准A P l：获得警报信息
18、、获得警报到期所需时间、设置相对警报、设置绝对警报和消除警报。事件管理模块实现的O S E K标准A P I：等待事件、设置事件、消除事件和获得任务的时间状态。实现中断管理的标准A PI：开关所有中断和开关第二类中断。在资源管理中，O S E KO S 是通过采用优先级天花板协议(P C P)来避免优先级反转和死锁问题的。所以在系统生成期间，静态分配每一资源的最高限度优先级，使设计的O S E KO S 执行P C P 协议。这样，O S 中任务调度的原则就是：当任务不占有任何资源时，运行在原来的优先级上。若任务占有资源，每个占有资源的任务的优先级等于它所占有的所有资源的优先级中最高的那个。任
19、务分配的规则就是不管什么时候任务请求资源都予以分配。值得注意的是：M C 9 S 12 系列单片机有中断自动保存寄存器的功能，所以在操作系统中断级别的任务调度时，并不需要在程序中手动保存任务上下文。5实验验证与对比分析我们在前述的汽车稳定性控制器硬件在环仿真平 万方数据2 0 1O 年第19 卷第4 期计算机系统应用台上基于所设计的O S E KO S 进行软件编程，采用线性二次型最优控制算法，利用操作系统提供的任务管理功能分模块分任务编写控制软件，可以使程序思路更加清晰，更有效的利用系统硬件资源【6】。同时，中断管理，时钟管理等功能可以有效的增强系统的实时性和稳定性。S 1 任务系统设计汽车
20、稳定性控制器的实时多任务平台设计如图4所示，共包含监控任务，控制任务，诊断任务，信号采集任务等4 个部分【7】。赢低等待错误信号图4 实时多任务平台号控其中，监控任务负责整个控制器运行期间关键变量的实时监控，并与上位机进行通信。控制任务接收信号采集任务结束发送的控制指令激活，调用算法处理程序，输出相应的控制信号量。诊断任务由错误诊断信号激活，负责诊断系统级和算法级的错误，并向上报告。信号采集任务由定时器激活，进行模拟和数字信号的扫描和采集，并发送算法执行信号和控制指令。5 2 仿真实验验证仿真实验对有操作系统的控制平台和无操作系统的控制平台做了对比。仿真条件如下：假设在水平路面上，车辆匀速前进
21、，驾驶员给出一个阶跃的前轮转角信号。车辆参数为：整车质量13 9 5k g质心至前轴距离1 2m质心至后轴距离1 3 Sm车辆绕垂直轴转动惯量9 0 0k g m 2前轮侧偏刚度2 4 6 0 0N r a d后轮侧偏刚度19 0 0 0N r a d时间单位5 m s、!：慨纛I二-一i V；V；一_；I。i；liOl 2 0 03 0 04 0 05 加6 0 07 0 08 0 09 1 0 0 0图4 理想情况下横摆角速度控制仿真曲线(无操作系统)图5 理想情况下横摆角速度控制仿真曲线(有操作系统)8：A ；一：矿铲，7 _ 一O1 加2 3 0 0 枷湖咖7 啪啪l 咖图6 理想情况
22、下质心侧偏角控制仿真曲线(无操作系统)图7 理想情况下质心侧偏角控制仿真曲线(有操作系统)6 结语图4，6 是在无操作系统的情况下采用传统方法的控制器的控制效果，控制信号在15 0 时间单位左右达到稳定状态。图5，7 是在有操作系统的控制平台(下转第16 1 页)A p p I i c dT e c h n i q 应用技术1 51。o642O42nnn吨吨 万方数据2 0 1O 年第19 卷第4 期计算机系统应用精确性，它可以针对该神经网络模型进行预测，并且将预测结果与已知结果进行比较。图5 是该神经网络模型的散点图，它针对包含连续可预测属性的模型，以图形方式对照显示数据中的实际值与模型预测
23、的值。沿X 轴显示实际值，沿Y 轴显示预测值。从图中可以看出该模型能够较准确的预测评标得分结果，散布在该直线周围的点显示实际数据偏离预期值的程度。预测值与实际值走向基本一致，说明了模型具有一定的准确型，对评标决策的预测是有效的。确定了模型的准确性之后，可以利用这个神经网络模型来对需要参与投标的单位的评标结果进行预测。表7 列出了预测结果。表7 预测结果投标单位评标分数预测概率单位A9 0 16 7 1 髻单位B6 0 95 4 8 名单位C7 3 64 0 9 鬈其中评标分数列体现的是基于该模型得出预测的结果，预测概率列是该预测结果可信度的体现。实现这样的预测功能可以为评标提供一定参考的，评标
24、人员可以利用预测得出的评标分数，以及体现该预测分数准确度的预测概率进行评标，能提高评标效率，避免主观随意性和不确定性，为水电项目招投标的评标工作提供参考依据。3 结语本课题实现了神经网络数据挖掘模型在水电项目招投标的评标决策支持的应用。文中提出了神经网络评标模型，分析了它的训练处理过程，并将其应用于水电工程项目招投标系统中，为评标结果提供决策支持。实践证明，神经网络的自适应功能，良好的容错能力和非线性数据处理等特点保证了评标的准确性和客观性，同时也提高了评标的效率，具有良好的应用前景和现实意义。参考，=献1M a c L e n n a nJ D a t aM i n i n gw i t h
25、S Q LS e n，e r2 0 0 5 北京：清华大学出版社，2 0 0 7 7 7 7 8 2 谢邦昌商务智能与数据挖掘M i c m s o f tS Q LS e r v e r应用北京：机械工业出版社，2 0 0 8 5 6 5 7 3 吴广译招投标中评标指标的分解，量化和评定建筑经济，1 9 9 8，(6)：3 2 3 4 4O l s o nD，石勇商业数据挖掘导论北京：机械工业出版社，2 0 0 7 1 0 2 一1 0 3 5 夏火松数据仓库与数据挖掘技术北京：科学出版社，2 0 0 9(上接第15 1 页)上得到的控制效果，控制信号在5 0 时间单位左右达到稳定状态。很明
26、显，加载了操作系统的控制系统实时性得到了极大的提高。实验表明：在0 S E K 嵌入式实时操作系统上开发的控制平台系统能可靠的完成硬件在环仿真中的信号采集，信号发生，制动控制等功能，控制效果及实时性良好，且程序具有可靠的稳定性。加载了实时操作系统之后，我们的控制算法只需经过很小的改动就可以移植到新的平台上，提高了控制软件的开发效率。参考，o 酞l 张宝民，孙晓民基于O S E K 规范的嵌入式实时操作系统研究计算机应用研究，2 0 0 4，4：3 2 3 5 2T h eO S E K，V D XG r o u p O S E K，V D XO p e r a t i n gS y s t e
27、 mV e r s i o n2 2 3 h t t p：w w w o s e k V d x o r g，2 0()5 3 黄鹏基于O S E K D X 的嵌入式车用操作系统研究武汉理工大学学报，2 0 0 5，2 7(5)：2 1 8 2 2 1 4 李幼德，刘巍，李静，赵健，宋大凤，沙宏亮汽车稳定性控制系统硬件在环仿真吉林大学学报(工学版)，2 0 0 7，3 7(4)：7 3 7 7 4 0 5L a b r o s s eJ J 邵贝贝等译嵌入式实时操作系统恤C，o s I I 北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 3 6 张宝民孙晓民基于M P C 5 5 5 硬件平台的0
28、 S E K 车用嵌入式实时操作系统设计与实现中国计算机大会，2 0 0 3 7 李秋华，张天宏，邓志伟实时操作系统在发动机数字电子控制器中的尝试航空发动机，2 0 0 6，3 2(2)：5 3 5 5 A p p l i e d1 k h n i q u e 应用技术1 6 l 万方数据OSEK/VDX嵌入式实时操作系统在汽车稳定性控制器中的应用OSEK/VDX嵌入式实时操作系统在汽车稳定性控制器中的应用作者：郜文，李继来，梁华为，GAO Wen，LI Ji-Lai，LIANG Hua-Wei作者单位：郜文,李继来,GAO Wen,LI Ji-Lai(中国科学院合肥智能机械研究所,安徽,合肥
29、,230031;中国科学技术大学,自动化系,安徽,合肥,230027)，梁华为,LIANG Hua-Wei(中国科学院合肥智能机械研究所,安徽,合肥,230031)刊名：计算机系统应用英文刊名：COMPUTER SYSTEMS&APPLICATIONS年，卷(期)：2010,19(4)参考文献(7条)参考文献(7条)1.李秋华;张天宏;邓志伟 实时操作系统在发动机数字电子控制器中的尝试期刊论文-航空发动机 2006(02)2.张宝民;孙晓民 基于MPC555硬件平台的OSEK车用嵌入式实时操作系统设计与实现 20033.Labrosse JJ;邵贝贝 嵌入式实时操作系统C/OS-20034.李幼德;刘巍;李静;赵健 宋大凤 沙宏亮 汽车稳定性控制系统硬件在环仿真期刊论文-吉林大学学报（工学版）2007(04)5.黄鹏 基于OSEK/VDX的嵌入式车用操作系统研究期刊论文-武汉理工大学学报 2005(05)6.The OSEK/VDX Group OSEK/VDX Operating System Version 2.2.3 20057.张宝民;孙晓民 基于OSEK规范的嵌入式实时操作系统研究期刊论文-计算机应用研究 2004(04)本文链接：http:/