CN108859759B - 电动汽车仪表系统及其调度方法 - Google Patents

电动汽车仪表系统及其调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电动汽车仪表系统及其调度方法，电动汽车仪表系统，包括：电源模块、CAN通信模块、硬线信号采集模块、步进电机模块、蜂鸣器模块、按键模块、FLASH存储模块、TFT‑LCD显示模块、LED模块、段码液晶模块。其中，电源模块的电压分为可切断和不可切断两类。将上述各个模块的任务，写成函数接口，并将任务划分为ASAP类和ALAP类，优先执行ASAP类任务。系统以改进的高响应比优先任务调度算法为依据，同时考虑任务等待时间和服务时间对任务优先级的影响，引进任务截止期错失机制，尽可能减小任务调度增加的系统开销，每次选取同类别中响应比最高的任务执行。本发明提高了系统的实时性。

Description

电动汽车仪表系统及其调度方法
技术领域
本发明涉及一种电动汽车仪表系统，本发明还涉及一种电动汽车仪表系统的调度方法，属于控制领域。
背景技术
汽车仪表信息系统是驾驶员了解汽车各种信息的主要途径。电动汽车仪表系统往往需要稳定可靠，实时性高的要求。在很多电动汽车仪表系统开发的软件设计中，采用的是传统的前后台循环设计模式。该模式下，各任务函数执行频率强制相同，执行顺序无法改变，任务每次等待时间波动较大，难以保证实时性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电动汽车仪表系统及其调度方法，以解决上述问题。
本发明采用了如下技术方案：
本发明提供一种电动汽车仪表系统，其特征在于，包括：电源模块，用于将蓄电池提供的电压转换为各元器件需要的工作电压；CAN通信模块，负责汽车仪表与汽车上其它电子设备间的通信，通过接收汽车上整车控制器发送过来的CAN数据，并解析，用作汽车一部分信号量的显示标志；硬线信号采集模块，采集与其它汽车电子设备所连接引脚上的高低电平来用作汽车一部分信号量的显示标志；步进电机模块，用于驱动指针指示汽车发动机的转速；蜂鸣器模块，用于汽车部分信息的提示音；按键模块，用于显示屏上相关信息的调整操作；FLASH存储模块，用于电动汽车仪表系统相关数据的存储；TFT-LCD显示模块，用于驾驶员了解汽车的信息；LED模块，用于汽车部分信息的提示；段码液晶模块，用于汽车速度的显示；将上述各个模块的任务，写成函数接口，并将任务划分为ASAP类和ALAP类，优先执行ASAP类任务。
本发明的电动汽车仪表系统，还具有这样的特征：其中，任务划分的规则是：按照任务执行周期来划分，周期小于60ms的为ASAP类任务，大于60ms的为ALAP类任务。
本发明的电动汽车仪表系统，还具有这样的特征：电源模块的电压分为可切断和不可切断两类。
本发明还提供一种电动汽车仪表系统的调度方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，系统初始化，将所述任务按预定逻辑顺序执行一次，得到第一次服务时间；
步骤二，在所有任务全部执行一次完毕之后，任务均处于Suspend状态，用定时器开始给任务按各自周期计时，任务周期时间到了，表示任务已处于就绪等待执行，该任务状态由Suspend变为Ready状态，开始等待时间计时；
步骤三，使用任务的等待时间和服务时间计算各个任务的响应比，响应比的公式如下：
Figure BDA0001706860380000021
式中，RR为任务响应比；Twait为任务等待时间；Tservice为任务服务时间；
步骤四，先判断是否有ASAP类任务就绪等待执行，若有，则在处于等待执行的ASAP类任务中选择响应比最高的任务作为待执行任务；若没有，则在处于等待执行的ALAP类任务中选择响应比最高的任务作为待执行任务；
步骤五，选出待执行任务后，系统会判断如果接下来执行上述待执行任务，在待执行任务执行期间是否有非待执行任务截止期错失，若有一个及以上任务截止期错失，则任务的优先级会发生转换，即截止期错失任务的优先级会超过待执行任务，接下来强制执行截止期错失任务中响应比最高的任务，否则执行步骤四选出的待执行任务。
进一步，本发明的电动汽车仪表系统的调度方法，还具有这样的特征：在单个任务每次执行时，均测量任务的服务时间，并记录其服务时间最长的一次。在步骤五中，对每个非待执行任务判断是否错失截止期，在对某非待执行任务判断是否错失截止期的时候，将存储的该任务最长服务时间作为它的服务时间使用。
进一步，本发明的电动汽车仪表系统的调度方法，还具有这样的特征：步骤四中，在处于等待执行的ASAP类任务中选择响应比最高的任务时，不用计算ALAP类任务的响应比。
进一步，本发明的电动汽车仪表系统的调度方法，还具有这样的特征：若系统某时刻执行调度时，所有任务响应比均为0，即所有任务都处于未就绪状态，则接下来执行空操作。
发明的有益效果
本发明通过将汽车仪表系统各功能模块划分为任务的形式，将其写成函数接口，兼顾任务的等待时间和服务时间，考虑任务截止期错失，在程序的调度层通过任务调度执行各函数接口的方法来决定系统各任务的执行顺序，保证该系统稳定可靠，提高了系统的实时性。同时，电动汽车仪表系统调度开销小，实时性高，且方便维护和移植。
附图说明
图1是电动汽车仪表系统的整体结构框图；
图2是任务状态切换图；
图3是任务调度在汽车仪表系统中的应用流程图。
具体实施方式
以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。
图1是电动汽车仪表系统整体结构框图，电动汽车仪表系统包括：
电源模块101，用于将蓄电池112提供的电压转换为各元器件需要的工作电压。蓄电池112提供12V工作电压，本发明上的器件正常工作电压分别为5V、3.3V、1.8V和1.1V，如LED指示灯模块和段码液晶驱动芯片等需要5V工作电压，仿真器接口电路等需要3.3V工作电压，而1.8V和1.1V工作电压用在存储芯片上。本发明中的电压又分为可切断和不可切断两类，这是为了降低系统的静态功耗。在本发明中，不管系统处于正常工作状态还是睡眠状态，有些芯片是要一直工作的，例如CAN通信芯片等。因此，用不可切断电压给这类器件供电，保持其始终可以工作。而有些器件是只需要在汽车仪表系统正常工作时才需要工作的，例如段码液晶驱动芯片等。因此，用可切断电源给这类器件供电，保证其在汽车仪表系统工作时有供电源，而在汽车仪表系统睡眠时切断其电源，达到减小整个系统静态电流的目的，从而减小系统的静态功耗。因此，本发明将12V电压经降压芯片转换为可切断5V电压和不可切断5V电压，12V电压经降压芯片转换为不可切断3.3V电压，可切断5V电压经降压芯片转换为可切断3.3V电压，可切断3.3V电压再经降压芯片转换为可切断1.8V电压和可切断1.1V电压。
CAN通信模块102，负责汽车仪表与汽车上其它电子设备间的通信，通过接收汽车上整车控制器发送过来的CAN数据，并解析，用作汽车一部分信号量的显示标志。汽车上有各种用于采集信号的传感器，例如车速传感器等，这些传感器所采集的信号通过转换，变为CAN信号，由整车控制器传到车载CAN总线网络上。本发明主控芯片的CAN控制器控制CAN通信芯片，构成CAN通信模块，接收车载CAN总线网络上的CAN信号，并解析，控制仪表系统上一部分信号量。同时，CAN通信模块也可将仪表系统上的CAN信号发送到车载CAN总线网络上，供其他汽车电子设备使用。
硬线信号采集模块103，主要通过采集与其它汽车电子设备所连接引脚上的高低电平来用作汽车一部分信号量的显示标志。本模块主要通过接插件采集所接引脚上的高低电平，作为仪表系统相关指示灯亮灭的标志。
步进电机模块104，用于驱动指针指示汽车发动机的转速。本模块以接收的CAN信号为指示标准，通过主控芯片相关引脚控制步进电机，驱动指针指示汽车发动机的转速，其范围为0到6000转每分。
蜂鸣器模块105，用于汽车部分信息的提示音。本模块以接收的CAN信号和硬线信号为标准，通过主控芯片相关引脚，经电路变换，控制PWM信号的高低电平占比以及周期，使蜂鸣器能够发出不同的声音，以达到提示不同汽车信息的目的。
按键模块106，用于显示屏上相关信息的调整操作。本发明可通过按键切换查看液晶显示屏上显示的各种信息，还可通过按键清除小计里程以及报警历史信息。本发明给仪表系统设置了3个按键，分别为菜单键、切换键和移动键，每一种按键也都有短按和长按两种操作方式，不同的操作方式也分别代表不同的界面操作。
FLASH存储模块107，用于电动汽车仪表系统相关数据的存储。通过主控芯片相关引脚控制存储芯片，主要负责将汽车行驶过程中的小计里程、总计里程等需要随时存储的数据存储到掉电数据不丢失的带电可擦可编程只读存储器EEPROM(ElectricallyErasable Programmable Read-Only Memory)中。
TFT-LCD显示模块108，用于驾驶员了解汽车的信息。通过LCD控制器控制TFT-LCD显示屏，以CAN信号和硬线信号为标准，将汽车的各种信息显示在LCD显示屏上，包括电机电压、电机电流、音乐、里程等信息。
LED指示灯模块109，用于汽车部分信息的提示。LED指示灯模块通过由主控芯片控制的3个LED驱动芯片来控制多个LED指示灯的亮灭。
段码液晶模块110，用于汽车速度的显示。主控芯片控制段码液晶驱动芯片，使其驱动段码液晶上可以点亮出0到188Km/h的段，用于显示汽车的速度。其信号来源为CAN信号。
32位主控芯片111，控制整个汽车仪表系统。本发明选择MPC5604B(Freescale)为主控芯片，是整个仪表系统的MCU。
电源模块101接收12V电压，经降压芯片，将12V电压转换为5V和3.3V，供汽车仪表系统中的各电子单元使用。电动汽车仪表系统的信号来源分2部分：由整车控制器将传感器采集到的信号转换为CAN信号，并发送至CAN芯片，并经解析，来控制一部分信号量；由汽车上其他电子设备接到硬线信号采集模块103上，通过引脚上的高低电平来控制一部分信号量。这些信号量通过步进电机104驱动指针、蜂鸣器105提示声音、LED灯109的亮灭、段码液晶110显示速度和TFT-LCD显示屏108显示等方式让驾驶员知道汽车的信息。驾驶员也可以通过按键106来操作显示屏，使之显示不同的内容。32位主控芯片111是整个系统的MCU。
汽车仪表工作状态包括点火(Ignition，IGN)、充电(CHARGE)和STANDBY。点火表示仪表处于能够实时显示正常行车信息的点亮状态；充电表示仪表处于能够显示充电信息的状态，此时，点火是关闭的；STANDBY表示仪表处于点火关闭但仍然有CAN信号报文传输的工作状态，此过程也是仪表由点火进入低功耗的过度过程状态。仪表处于低功耗时，系统是不工作的，因此，并不把低功耗算作一种仪表工作状态。当仪表既没有点火信号，也没有CAN信号时，仪表方可进入低功耗。因此，汽车仪表系统需要实时检测IGN信号、充电信号和CAN信号来决定仪表的工作状态，这就是仪表状态检测任务。CAN通信模块作为汽车仪表系统的重要模块之一，其负责CAN控制器的初始化、接收和发送数据、CAN报文解析、CAN报文丢失处理等，将除CAN初始化之外的CAN信号处理作为CAN通信任务。按键是驾驶员操作仪表的唯一方式，将其作为一个任务。通过按键，驾驶员可切换查看液晶显示屏上显示的各种信息，还可通过按键清除小计里程以及报警历史信息。本发明给仪表设置了3个按键，分别为菜单键、切换键和移动键，每一种按键也都有短按和长按两种操作方式。汽车在正常行驶的过程当中，当遇到意外情况导致电源停止供电或者正常的关闭点火时，一些元器件将会停止工作。如果当前需要保存的相关数据不能够及时的存储下来，将会造成仪表所存储数据的丢失而导致里程等参数误差较大，导致对驾驶员掌握当前汽车相关信息的准确度有较大的影响。因此，给系统分配数据存储任务。数据存储任务的主要功能就是对汽车行驶过程中的小计里程、总计里程等需要随时存储的数据存储到掉电数据不丢失的带电可擦可编程只读存储器EEPROM中。此外，系统给驾驶员通过各种不同了解汽车信息的方式也都分别分配TFT-LCD显示任务、指针控制任务、蜂鸣器声音控制任务、LED灯控制任务、段码液晶控制任务。
图2是任务状态切换图，如图2所示，在本发明所设计系统中，仪表中的每个功能任务均具有如下四个任务状态：
就绪(Ready)：任务周期时间开始，准备就绪，相关数据结构已经建立，可以随时调度运行时的状态。
运行(Running)：任务处于占用CPU运行时的状态。
挂起(Suspend)：任务由一次运行结束到下一次就绪中间这段时间所处的状态。
未激活(Unactive)：任一仪表工作状态下，如果某任务在此种仪表工作状态下不需执行，则该任务为此种仪表工作状态下的未激活态。例如仪表处于充电下，不需要显示汽车速度，此时段码液晶控制任务处于未激活。未激活之外的任务处于相对应仪表工作状态下的激活(Active)。
其中，条件1：任务被调度；条件2：任务该次执行结束；条件3：任务新周期到来；条件4：仪表工作状态改变。
任务就绪态中说明的数据结构是为了方便任务管理所设计的，结构如下：
typedef struct
{
uint8_t Type；//类型：根据性质把任务分为ASAP类和ALAP类
uint16_t Period；//周期：任务的调度周期
float Start_Time；//开始时刻：任务在一个调度周期内开始执行的时刻,下文公式中用Tstart表示
float End_Time；//结束时刻：任务在一个调度周期内结束执行的时刻，下文公式中用Tend表示
float Wait_Time；//等待时间：任务从触发到开始执行的时间，下文公式中用Twait表示
float Service_Time；//服务时间：任务从开始执行到结束执行的时间，下文公式中用Tservice表示
float Response_Rate；//响应比：任务优先级的衡量标准，下文公式中用RR表示
uint8_t State；//状态：任务状态
uint8_t Period_Count；//周期计时：任务每一个周期的计时
uint8_t Wait_Time_Flag；//等待时间标识：任务是否开始计算等待时间的标识
float WCET；//最差执行时间,任务单次执行所需最长时间
}Task_Control_Block；
图3是任务调度的流程图，任务调度算法是将CPU分配给就绪任务中响应比最高任务的一种算法，既考虑任务等待时间又考虑任务服务时间，既照顾短任务又不使长任务等待时间过长，从而提高调度性能。
任务等待时间定义如下：
Twait＝Tstart-Tperiod (1)
式中，Twait为任务等待时间，ms；Tstart为任务在一个周期内开始执行的时刻，ms；Tperiod为该周期的起始时刻，ms。
任务服务时间定义如下：
Tservice＝Tend-Tstart (2)
式中：Tservice为任务服务时间，ms；Tend为任务在一个周期内结束执行的时刻，ms；Tstart为任务在该周期内开始执行的时刻，ms。
任务响应比定义为任务等待时间和任务服务时间的和与任务服务时间的比值，即
Figure BDA0001706860380000101
式中，RR为任务响应比；Twait为任务等待时间，ms；Tservice为任务服务时间，ms。本发明按公式(3)定义任务的响应比大小来确定任务的执行顺序。
本发明设计的汽车仪表系统中，根据任务的周期大小，将任务分为ASAP类和ALAP类。当有ASAP类任务就绪时，只计算ASAP类就绪任务的响应比，选择最高响应比的任务。没有ASAP类任务就绪时，再计算ALAP类就绪任务的响应比，选择最高响应比的任务。在选出最高响应比的任务为待执行任务后，系统会判断如果接下来执行上述待执行任务，在待执行任务执行期间是否有非待执行任务截止期错失。若有，则强制选择截止期错失的任务中响应比最高的任务执行；若没有，则执行上述选择的待执行任务。
系统在步骤201，点火初始化之后，进入步骤202，将IGN下所有任务按一定逻辑顺序执行一次，这样测得每个任务的第一次服务时间，作为系统第一次调度时计算各任务响应比的服务时间。任务在每次执行过程中，会有很多的判断语句，这些判断语句后的操作可能执行也可能不执行，因此，单个任务每次执行的时间并不相同。在各个任务每次执行时，均测量其服务时间，并实时记录服务时间最长的一次WCET(Worst Case Ecxute Time)。在判断是否有非待执行任务截止期错失时，将WCET作为任务的服务时间用。每次计算任务的响应比时，任务的服务时间用上一次测得的任务服务时间近似代替，这样可尽量减少因任务判断语句内的操作不同带来服务时间的误差。
在所有任务全部执行一次完毕之后，任务均处于Suspend状态。进入步骤203，用定时器开始给任务按各自周期计时，任务周期时间到了，表示任务已处于就绪等待执行，该任务状态由Suspend变为Ready状态。进行步骤204，开始等待时间计时。得到了任务的等待时间和服务时间，便可计算各个任务的响应比。调用算法选择CPU新执行的任务时，因任务属性上的优先性，需要先进行步骤205，判断是否有ASAP类任务就绪等待执行。若有，则进行步骤206，在处于等待执行的ASAP类任务中选择响应比最高的任务为待执行任务，此时，不用计算ALAP类任务的响应比；若没有，则进入步骤210，判断是否有ALAP类任务就绪等待执行，若有，则进行步骤207，在处于等待执行的ALAP类任务中选择响应比最高的任务为待执行任务；若无,则进入步骤209，执行空操作。选出待执行任务后，进入步骤211，系统判断如果接下来执行上述选择的待执行任务，在待执行任务执行期间是否有任务截止期错失，若有大于等于一个的任务截止期错失，则任务的优先级会发生一定的转换，即截止期错失任务的优先级会超过待执行任务。此时，进入步骤208，强制执行截止期错失任务中响应比最高的任务；否则，执行步骤206或者207中选出的待执行任务。若系统某时刻执行调度时，所有任务响应比均为0，即步骤205和步骤210的判断结果均为否，则接下来执行空操作209，即此次调度系统不执行任务，这也减小了系统的负载。任务执行时，其状态变为Running。执行结束后，任务状态变为Suspend。

Claims (4)

1.一种电动汽车仪表系统的调度方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，系统初始化，将所有任务按预定逻辑顺序执行一次，得到第一次服务时间；
步骤二，在所有任务全部执行一次完毕之后，任务均处于Suspend状态，用定时器开始给任务按各自周期计时，任务周期时间到了，表示任务已处于就绪等待执行，该任务状态由Suspend变为Ready状态，开始等待时间计时；
步骤三，使用任务的等待时间和服务时间计算各个任务的响应比，响应比的公式如下：
Figure FDA0002785184030000011
式中，RR为任务响应比；Twait为任务等待时间；Tservice为任务服务时间；
步骤四，先判断是否有ASAP类任务就绪等待执行，若有，则在处于等待执行的ASAP类任务中选择响应比最高的任务作为待执行任务；若没有，则在处于等待执行的ALAP类任务中选择响应比最高的任务作为待执行任务，当有ASAP类任务就绪时，只计算ASAP类就绪任务的响应比，选择最高响应比的任务，没有ASAP类任务就绪时，再计算ALAP类就绪任务的响应比；
步骤五，选出待执行任务后，系统会判断如果接下来执行上述待执行任务，在待执行任务执行期间是否有非待执行任务截止期错失，若有一个及以上任务截止期错失，则任务的优先级会发生转换，即截止期错失任务的优先级会超过待执行任务，接下来强制执行截止期错失任务中响应比最高的任务，否则执行步骤四选出的待执行任务。
2.如权利要求1所述的电动汽车仪表系统的调度方法，其特征在于：
在单个任务每次执行时，均测量任务的服务时间，并记录其服务时间最长的一次，在步骤五中，对每个非待执行任务判断是否错失截止期,在对某非待执行任务判断是否错失截止期的时候，将存储的该任务最长服务时间作为它的服务时间使用。
3.如权利要求1所述的电动汽车仪表系统的调度方法，其特征在于：
步骤四中，在处于等待执行的ASAP类任务中选择响应比最高的任务时，不用计算ALAP类任务的响应比。
4.如权利要求1所述的电动汽车仪表系统的调度方法，其特征在于：
若系统某时刻执行调度时，所有任务响应比均为0，即所有任务都处于未就绪状态，则接下来执行空操作。
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