基于TMS320F28069的電機(jī)控制器bootloader設(shè)計(jì)

本文采用德州儀器（TI）公司的TMS320F28069系列DSP芯片，闡述了基于CAN診斷通信的bootloader的原理，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。采用遠(yuǎn)程下發(fā)的方法，將電機(jī)控制器程序通過(guò)車(chē)載信息終端下發(fā)至電機(jī)控制器ECU中，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制器ECU控制策略與控制參數(shù)的實(shí)時(shí)更新，提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率，提升用戶體驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】bootloader ECU更新

1 前言

當(dāng)前更新軟件程序的主要方式是通過(guò)本地電腦，SD卡，USB，或者串行總線更新，這樣的更新方式效率較低，而且對(duì)于整車(chē)廠來(lái)說(shuō)成本較高，采用通過(guò)服務(wù)器的遠(yuǎn)程下發(fā)，然后由車(chē)載終端模塊實(shí)現(xiàn)為各個(gè)ECU的轉(zhuǎn)發(fā)更新。整個(gè)遠(yuǎn)程更新系統(tǒng)比較龐大也比較復(fù)雜，涉及的環(huán)節(jié)比較多，容易受到電磁干擾或者軟件故障的影響，因此Bootloader的穩(wěn)定性是整個(gè)更新過(guò)程中首要的因素。

本文采用基于CAN的通信方式完成了電機(jī)控制器的程序更新，采用基于ISO15765的國(guó)際通用CAN診斷協(xié)議完成數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于TMS320F28069系列DSP電機(jī)控制器的輕量化bootloader，并通過(guò)結(jié)合車(chē)載信息終端可實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的遠(yuǎn)程標(biāo)定與控制算法的實(shí)時(shí)更新。

2 總體方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)組成主要由儀表，車(chē)輛信息服務(wù)器，車(chē)載信息終端和電機(jī)控制系統(tǒng)四部分組成，如圖1所示。儀表主要是顯示部分，負(fù)責(zé)車(chē)機(jī)與駕駛員的信息交互，通過(guò)儀表將程序下載過(guò)程中的下載進(jìn)度或當(dāng)前條件是否滿足程序下載的提示顯示，引導(dǎo)用戶進(jìn)行升級(jí)操作。車(chē)輛信息服務(wù)器主要由可聯(lián)網(wǎng)的通訊計(jì)算機(jī)和4G移動(dòng)通訊基站組成，主要實(shí)現(xiàn)車(chē)載模塊數(shù)據(jù)參數(shù)的存儲(chǔ)、上傳、下發(fā)。車(chē)載信息終端主要由4G通訊模塊，主控模塊，存儲(chǔ)模塊三部分構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)通過(guò)車(chē)載CAN總線采集車(chē)內(nèi)各個(gè)ECU數(shù)據(jù)參數(shù)，并將采集的數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器中，方便服務(wù)器下發(fā)，或者將待更新ECU程序從服務(wù)器端下載，并將下載的程序燒寫(xiě)到各個(gè)ECU模塊。電機(jī)控制系統(tǒng)主要由電機(jī)控制器ECU和電機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制。

2.2 Bootloader工作原理

Bootloader又叫引導(dǎo)加載程序，是嵌入式系統(tǒng)上電復(fù)位首先加載的一部分程序，用于實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序或外設(shè)驅(qū)動(dòng)的加載或應(yīng)用程序的下載。Bootloader通?？梢苑譃閮煞N模式：加載模式與下載模式。嵌入式系統(tǒng)上電后，bootloader會(huì)進(jìn)入CAN通信循環(huán)檢測(cè)，通常會(huì)設(shè)置一部分等待時(shí)間，等待編程儀器（通常稱作上位機(jī)）發(fā)來(lái)的編程指令，在等待時(shí)間中如果接收到上位機(jī)發(fā)來(lái)的指令，ECU嘗試與上位機(jī)通過(guò)握手操作建立連接，建立連接以后，ECU向上位機(jī)發(fā)送下載確認(rèn)請(qǐng)求，并開(kāi)始等待上位機(jī)下發(fā)數(shù)據(jù)幀。上位機(jī)接收到ECU的下載確認(rèn)請(qǐng)求后，開(kāi)始執(zhí)行解析應(yīng)用程序代碼，一頁(yè)數(shù)據(jù)一頁(yè)數(shù)據(jù)的進(jìn)入CAN發(fā)送循環(huán)，為了讓ECU接收到完整的數(shù)據(jù)，上位機(jī)將頁(yè)首地址及頁(yè)數(shù)據(jù)循環(huán)發(fā)送至ECU。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性， ECU只有接收到一頁(yè)完整的數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)校驗(yàn)后，才會(huì)將所接收數(shù)據(jù)以頁(yè)的形式燒寫(xiě)進(jìn)FLASH存儲(chǔ)區(qū)，再向上位機(jī)發(fā)送下載確認(rèn)請(qǐng)求，讓上位機(jī)繼續(xù)發(fā)送下一頁(yè)數(shù)據(jù)。直到上位機(jī)收到ECU的解析完成確認(rèn)請(qǐng)求后，向ECU發(fā)送下載結(jié)束指令，ECU接收到上位機(jī)發(fā)送的下載結(jié)束的指令后，將下載到FLASH的應(yīng)用程序拷貝到ECU的RAM中，開(kāi)始加載應(yīng)用程序，完成嵌入式系統(tǒng)更新；當(dāng)超出等待時(shí)間或上位機(jī)發(fā)生加載指令后，bootloader進(jìn)入加載模式，將FLASH中的應(yīng)用程序拷貝到RAM中，加載應(yīng)用程序并退出。

3 具體方案設(shè)計(jì)

3.1 硬件部分

硬件部分主要實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示，其中電源部分主要完成電機(jī)控制器輸入電源到電機(jī)控制器的電平轉(zhuǎn)換，CAN通訊部分的設(shè)計(jì)主要需考慮整車(chē)的阻抗匹配，電機(jī)控制器部分的設(shè)計(jì)主要需考慮整車(chē)的EMC性能。

3.2 軟件部分

本方案軟件采用三層軟件架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示，其中物理層為設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信提供傳輸媒體，為數(shù)據(jù)傳輸提供可靠的環(huán)境。傳輸層作為物理層和應(yīng)用層之間的媒介，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，解包，解析，差錯(cuò)控制，打包等工作，將數(shù)據(jù)從應(yīng)用層傳到物理層。應(yīng)用層根據(jù)診斷協(xié)議中具體診斷服務(wù)的服務(wù)標(biāo)識(shí)符及后面所攜帶的參數(shù)格式及內(nèi)容，為根據(jù)解析出的服務(wù)做出相應(yīng)的處理策略。

3.2.1 啟動(dòng)方式選擇

TMS320F28069支持兩種工作模式，分別是emulator模式和standalone模式，其中emulator模式是芯片的仿真模式，該模式下可以支持使用TI對(duì)應(yīng)的X100DS仿真器對(duì)芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。Standalone模式是系統(tǒng)脫離仿真器后的工作模式，由于電機(jī)控制系統(tǒng)需要脫離仿真器工作，因此需要使用standalone模式。同時(shí)每個(gè)模式都支持4種啟動(dòng)方式，分別是RAM啟動(dòng)，SCI啟動(dòng)，USB啟動(dòng)和獲得模式（根據(jù)獲得KEY）。本設(shè)計(jì)使用獲得模式啟動(dòng)，并且使用內(nèi)部Flash啟動(dòng)方式，這種方式采用芯片自帶的內(nèi)部Flash存儲(chǔ)器，無(wú)需外掛存儲(chǔ)器，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單并可有效節(jié)約成本。

3.2.2 存儲(chǔ)器分配

根據(jù)TMS320F28069的存儲(chǔ)器映射，將本系統(tǒng)的存儲(chǔ)器分配如圖4所示，其中內(nèi)部FLASH的A段地址，其余部分由應(yīng)用程序占用。由于上電過(guò)程中當(dāng)采用Flash啟動(dòng)方式芯片自帶的BROM會(huì)讀取0x3F7FF6地址的內(nèi)容，因此需要在該地址中加入一個(gè)跳轉(zhuǎn)到主函數(shù)的指令。

由于bootloader在運(yùn)行擦除/寫(xiě)入Flash時(shí)暫時(shí)無(wú)法讀取內(nèi)部flash指令，每個(gè)因此需要將對(duì)應(yīng)的Flash擦除/寫(xiě)入的代碼存放到一部分RAM中，所以圖2中一部分RAM空間會(huì)被臨時(shí)占用用于放置Flash擦除/寫(xiě)入的代碼。

3.2.3 軟件流程

（1）Bootloader編碼流程。Bootloader在不同的芯片中，程序代碼有所不同，是因?yàn)锽ootloaser啟動(dòng)過(guò)程中與硬件的關(guān)聯(lián)性比較大，因此將Bootloader的程序分為兩個(gè)部分，使平臺(tái)性的功能方便移植。其中第一部分程序與主要由芯片的硬件決定，可移植性相對(duì)比較差，這部分程序主要由匯編語(yǔ)言完成，主要實(shí)現(xiàn)的功能是：設(shè)置中斷向量表、關(guān)閉看門(mén)狗、設(shè)置堆棧、初始化系統(tǒng)時(shí)鐘、內(nèi)存初始化等。第一部分完成初始化并且設(shè)置好相應(yīng)的環(huán)境，就跳轉(zhuǎn)到第二部分的入口，在第二部分，主要由C語(yǔ)言編寫(xiě)，主要實(shí)現(xiàn)通用性和平臺(tái)性的功能，這樣的代碼也具有較好的可讀性與可移植性。第二部分主要實(shí)現(xiàn)的功能包括：MMU初始化、中斷初始化、串口初始化、網(wǎng)卡初始化、LCD初始化等。這部分代號(hào)主要是初始化本階段所需要使用的硬件設(shè)備，檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)存映射，將操作系統(tǒng)內(nèi)核映像文件和根文件的系統(tǒng)映像從FLASH加載到RAM空間，為內(nèi)核設(shè)置啟動(dòng)參數(shù)，跳轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)入口地址處執(zhí)行。如圖5所示。

（2）系統(tǒng)軟件流程。軟件系統(tǒng)的執(zhí)行流程如圖6所示，當(dāng)系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)首先判斷是否有編程請(qǐng)求，如沒(méi)有編程請(qǐng)求，則等待200ms，期間如果發(fā)生了編程請(qǐng)求，則進(jìn)入編程狀態(tài)，根據(jù)收到對(duì)應(yīng)的診斷服務(wù)，對(duì)相應(yīng)的存儲(chǔ)空間進(jìn)行擦除/寫(xiě)入，當(dāng)完成擦除/寫(xiě)入后，bootloader會(huì)重新掃描用戶入口是否有效，如有效則進(jìn)入用戶程序，否則系統(tǒng)會(huì)重新啟動(dòng)等待上位機(jī)的編程命令。

4 總結(jié)與展望

本文闡述了基于TMS320F28069的電機(jī)控制器bootloader的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，通過(guò)遠(yuǎn)程服務(wù)器將診斷數(shù)據(jù)下發(fā)的方式可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制器ECU控制策略的實(shí)時(shí)診斷與更新，極大的方便了主機(jī)廠對(duì)于模塊的更新，整個(gè)過(guò)程使用方便、快捷，無(wú)需專(zhuān)業(yè)人員參與，節(jié)約了人力與物力成本，提升用戶體驗(yàn)。

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作者簡(jiǎn)介

吳麗華（1983-），男，江西省鷹潭市人。大學(xué)本科學(xué)歷。主任規(guī)劃工程師。研究方向?yàn)殡娮有畔ⅰ?/p>

作者單位

比亞迪汽車(chē)工業(yè)有限公司 廣東省深圳市 518118