汽车自适应巡航控制系统的嵌入式系统

杨晓慧

(长春大学 计算机科学技术学院，吉林 长春 130022)

汽车自适应巡航控制系统的嵌入式系统

杨晓慧

(长春大学 计算机科学技术学院，吉林 长春 130022)

本文从自适应巡航控制算法入手，围绕其结构图，论述了嵌入式系统的功能特性及其在汽车领域应用的可行性与可靠性，阐明了其在大大提高汽车智能化发展中的重要作用。

自适应巡航控制(ACC);超高频率(UVHF);运行时编译器(RTOS)

嵌入式系统是一种将嵌入了软件的计算机硬件作为其最重要的一部分的系统。它是一种专用于某个应用或者产品的基于计算机的系统。它可以是一个独立的系统，也可以是更大系统的一部分。由于其软件通常嵌入在ROM中，因此并不像计算机一样需要辅助存储器。嵌入式系统是当前汽车电子领域应用最广泛的系统之一。从1990年起，就已经在汽车的离散独立组件或者集成中心服务系统的定时器、电机和机械系统的实时控制，自适应巡航控制(ACC)［2］、数据采集等功能中使用。

维持恒定速度的自适应巡航控制增加了一项特性，即在高速公路上出现多汽车流的情况下，维持车队稳定的功能。行驶控制是一个负责控制主动轮油门，并以预定的恒定速度引导汽车行驶的系统。行驶控制也可以在高速公路上出现多汽车流，或者护送贵宾的情况下保持车队稳定。通常，驾驶员在驾驶期间，使用加速器踏板控制车速。但是导航控制系统解除了驾驶员的这项工作，并且在道路条件比较适宜时，ACC可以代替手动控制。当交通不太拥挤时，汽车以比较高的速度行驶。在需要的时候，驾驶员也可以恢复控制。

1 ACC的算法

自适应控制是指一种调整控制输入的当前状态的算法［1］，该算法的方程中使用的不是一组恒定不变的数学参数，而是可以动态调整的。需要不断调整的参数示例有比例常量、积分常量和微分常量。图1介绍了自适应控制算法如何进行调整和操作。

图1 调整操作的自适应控制算法模型

2 ACC嵌入式系统的结构图

ACC嵌入式系统的结构图如图2所示。

2.1 常见的ACC系统执行行为

(1)从DAS单元内的速度计得到道路速度。

(2)从DAS单元内的引擎速度得到加速度。

(3)得到用于刹车操作的刹车开关输入。

图2 ACC嵌入式系统的结构图

(4)向踏板系统发送输出信息，用于紧急刹车以及ACC行驶控制下的驾驶员不干涉行驶。

(5)运行自适应算法，计算并发送控制信号给真空管传动装置中的步进电动机。开启真空管的小孔控制油门。这个阀门是电气阀门。建立真空时通过风箱提供所需动力。也可以直接使用油门上带有螺纹驱动附件的A.D.C或者步进电动机，代替真空传动装置和风箱。

(6)控制前置面板，该面板有以下部件：(a)用于“开”、“关”、“自动驾驶”、“恢复控制”、“设置/加速”开关和显示。驾驶员通过分别按下“开”或者“关”来激活和关闭ACC系统。通过分别按下“自动驾驶”或者“恢复控制”来移交和恢复ACC系统的控制权。驾驶员使用“设置/加速”开关设置行驶速度。开关依据ACC激活时的状态闪烁绿光或者红光。(b)报警和消息闪烁单元发出适当的报警信号和消息闪烁统计图表［3］。

(7)从前方车队的车轮上的雷达或者UVHF(Ultra Very High Frequency，超高频率)附件中得到前方汽车的距离。步进电动机调整该附件，使雷达发射器的视线和前方汽车保持在一条直线上。雷达系统保证了车队稳定，并在紧急情况发出警告。

选择ACC的案例研究，是为了证明RTOS［4］在某些应用程序中是必需的。我们使用运行时编译器(RTOS)的一些功能特性，来得到汽车电子系统中可靠的控制系统。这里给出的ACC系统示例，包括系统维持车队稳定的算法和端口。汽车电子设备中的硬件系统必须提供功能上的安全。以下是当前一些重要的硬件标准和准则：

a.TTP(Time Triggered Protocol，定时触发协议)

b.CAN(Control Area Network，控制域网络)

c.MOST(Media Oriented System Transport，媒体定向系统传输)

d.为EMC(Electromagetic Magnetic Control，电磁控制)和功能安全准则制定的IEE指导标准。

2.2 ACC系统应用

当前，基于嵌入系统的汽车控制单元使用微处理器、微控制器、DSP或者ASIP。我们假设在该案例中使用了这些单元，以下是它们的设备驱动端口和函数。

(1)Port_Align：进电动机端口。电动机按中断信号顺时针或者逆时针运转。该电动机还会调整雷达或者UVHF传输设备和前方汽车在一条直线上。

(2)Port_Ranging：时间差timeDiff读入端口设备。然后服务例程开始执行，雷达发射信号，传感器接收来自前方汽车的反射信号。该程序刚开始禁用中断。端口设备电路测量两个时刻之间的延迟。程序在退出临界段时启用中断。延迟的一半乘以测量速度的任务提供的速度，得到前方汽车的距离。

(3)Port_Speed：口设备在接收中断信号的同时，设置一个N_rotation递减计数器，并注明该时刻的时间。程序刚开始禁用中断。在递减计数溢出后，它再次注明时间，并得到时间差deltaT。程序在退出临界段时启用中断。Port_Speed收到来自Port_RangeRate的信号时，在速度计上显示当前速度speedNow。

(4)Port_RangeRate：它向端口传输信号rangNow和speedNow，发送给车队中的其他汽车。同时发送信号给Port_Speed，在速度计上显示speedNow.

(5)Port_Brake：端口设备在收到中断信号时应用刹车和紧急刹车操作。该服务例程刚开始禁用中断，在退出临界段时启用中断。它也应用刹车操作并将刹车信息以信号的方式发送给车队中的其他汽车。

3 RTOS对于ACC系统的功能特性

在一个复杂嵌入式系统的设计中需要大量的编码工作，当开发一个产品时，需要能在一个合理的时间内完成这些工作。一个就绪可用的RTOS程序包具有这样的优点：在那些提前测试和调试过的RTOS函数，以及错误和异常处理函数已经经过众多用户测试使用后，RTOS程序包可以方便地获得测试结果。汽车嵌入式系统在操作系统上需要一些超过MUCOS或者VxWorks以及MS DOS和UNIX的特殊性能。所需的特殊OS性能如下所示：

(1)语言可以与应用程序相关，没有必要是C或者C++，数据类型也应该与具体的应用程序相关，但不与具体的RTOS相关。例如，在VxWorks中STATUS是RTOS相关的，这是不允许的，因为它可能成为一个错误源，所以不可靠。

(2)它的OS、每种方法、类和运行时库应该是可伸缩的。这优化了对存储器的需求。

(3)任务可以分成4类。这向程序员提供了一个明显的任务划分，使得他们可以确定系统中哪些模块使用哪类任务。

a.每个优先级的任务只有一个，并且只激活一次的基本任务称作BCC1。

b.每个优先级的任务只有一个，并且只激活一次的扩展任务称作ECC1。

c.每个优先级的任务有多个，并且运行期间可激活多次的基本任务称作BCC2。

d.每个优先级的任务有多个，并且运行期间可激活多次的扩展任务称作ECC2。

(4)OS可以以截然不同的方式调度ISR和任务。

(5)中断系统在服务例程开始时被禁用，在返回时启用。这使得任务可以在实时环境中运行。

(6)任务可以实时调度。

(7)任务可以由3组对象组成，事件(信号量)、资源(语句和函数)和设备。前面描述了一些端口设备。报警器就是一个例子。它显示统计图表、消息和闪烁消息，并发出嘟嘟声和蜂鸣声。

(8)不允许创建和删除定时器、任务或者信号量对象。运行时故障可能导致定时器或者信号量未经允许就被删除。这是潜在的问题根源，因而不可靠。

(9)消息队列通过任务发关的IPC不允许作为等待任务，因为它可能无限等待所需要的全部消息。RTOS队列类型、无限等待和消息超时可能是潜在的故障源，因而不可靠。信号量作为资源键或者计数器时可能会有类似的风险，所以不使用它们。

(10)进入临界段之前和执行服务例程的时候，必须禁用所有中断，只在返回的时候才启用。

4 结语

汽车电子设备中的软件也必须是标准的。当前一些重要的软件标准和准则是AMI-C(汽车多媒体接口协作)，MISRA-C(针对汽车系统中C语言软件准则的发动机行业可靠性协会标准)和用于RTOS、通信和网络管理的OSEK/VDX。操作系统方面的OSEK-OS，具有较高的可靠性。从而得出OSEK-OS［5］标准比VxWorks或者MUCOS更可靠。所以ACC嵌入式系统会在汽车领域应用得更加广泛。

［1］ 王宜怀，刘晓升.嵌入式应用技术基础教程［M］.北京：清华大学出版社，2005：133-134.

［2］ Raj Kamal.嵌入式系统-体系结构、编程与设计［M］.北京：清华大学出版社，2005：443-444.

［3］ B.Demuth and D.Eisenreich，Designing Embedded Internet Devices［M］.Butterworth Heinemann，2002：188-190.

［4］ 桑楠，等.嵌入式系统原理及应用开发技术［M］.2版.北京：高等教育出版社，2008：201-202.

［5］ 魏忠.嵌入式开发详解［M］.北京：电子工业出版社，2003：239-240.

责任编辑：吴旭云

The embedded system of vehicle adaptive cruise control

YANG Xiao-hui
(College of Computer Science and Technology，Changchun University，Changchun 130022，China)

Starting from the vehicle adaptive cruise control algorithm and centering on its structure chart，this paper discusses the functional characteristics of the embedded system as well as the feasibility and dependability in automotive field and expounds the important role in the automobile intelligent development.

adaptive cruise control(ACC);super high frequency(UVHF);real-time operation system(RTOS)

TP66

A

1009-3907(2010)08-0081-03

2010-06-22

杨晓慧(1974-)女，吉林镇赉人，实验师，主要从事计算机方面的研究。