基于CAN通信的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器主芯片固件升級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉寶巖　李軍偉　許金鵬　汪志瑩　李連強(qiáng)

摘要：為解決電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器主控芯片TMS320F28377S應(yīng)用程序升級(jí)維護(hù)操作困難的問題，設(shè)計(jì)開發(fā)一種基于控制器局域網(wǎng)絡(luò)（controller area network，CAN）通信技術(shù)的固件升級(jí)系統(tǒng)。通過配置CAN模塊及Flash模塊，解析HEX文件，結(jié)合漢明碼校驗(yàn)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)引導(dǎo)程序及應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)；選用PyQt應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì)上位機(jī)操作界面，制定通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)；在新能源汽車電機(jī)測試臺(tái)架上，將開發(fā)的固件升級(jí)系統(tǒng)應(yīng)用到電機(jī)控制器，進(jìn)行電機(jī)電流加載閉環(huán)控制試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：基于CAN通信的TMS320F28377S芯片固件升級(jí)系統(tǒng)能完成上位機(jī)和電機(jī)控制器的數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)快捷方便、穩(wěn)定性高，可廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制器應(yīng)用程序的升級(jí)。

關(guān)鍵詞：電機(jī)控制器；TMS320F28377S芯片；固件升級(jí)；CAN通信

中圖分類號(hào)：U463.67文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-6397（2023）04-0101-06

引用格式：劉寶巖，李軍偉，許金鵬，等.基于CAN通信的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器主芯片固件升級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2023，40（4）：101-106.

LIU Baoyan， LI Junwei， XU Jinpeng，et al.Design of the firmware upgrade system for the main chip of the electric vehicle motor controller based on CAN communication［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（4）：101-106.

0 引言

電機(jī)控制器是電動(dòng)汽車電控系統(tǒng)的重要組成部件[1-2]，電機(jī)控制器通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)（controller area network，CAN）技術(shù)實(shí)現(xiàn)與整車之間的通信[3]。CAN通信具有可靠性高、實(shí)時(shí)性和靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[4]。主控芯片為TMS320F28377S的電機(jī)控制器傳統(tǒng)的程序更新方式是利用聯(lián)合測試工作組（joint test action group，JTAG）調(diào)試接口，連接仿真器進(jìn)行程序下載更新[5]。但是電機(jī)控制器外部JTAG調(diào)試接口較少，應(yīng)用程序維護(hù)更新時(shí)，需拆開電機(jī)控制器外殼才能進(jìn)行，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且影響控制器防塵防水效果，增加使用風(fēng)險(xiǎn)[6]。

本文中設(shè)計(jì)開發(fā)了一套

基于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器TMS320F28377S主芯片（以下簡稱為“主芯片”）的固件升級(jí)系統(tǒng)，通過CAN通信將應(yīng)用程序的HEX文件燒寫到主芯片，結(jié)合漢明碼的校驗(yàn)和糾錯(cuò)功能實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與電機(jī)控制器的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制器程序更新。相比傳統(tǒng)更新方式，該固件升級(jí)系統(tǒng)可簡化上位機(jī)開發(fā)過程，降低上位機(jī)語言開發(fā)難度，方便迅速，提高升級(jí)效率，可廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制器程序更新[7-9]。

1 總體方案

基于CAN通信的固件升級(jí)系統(tǒng)以上位機(jī)軟件為人機(jī)接口，CAN卡為通信媒介，通過引導(dǎo)程序?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用程序更新。固件升級(jí)系統(tǒng)總體方案如圖1所示，分為軟硬件調(diào)試階段及升級(jí)應(yīng)用程序階段。在軟硬件調(diào)試階段，通過JTAG仿真器，利用代碼調(diào)試器（code composer studio，CCS）向控制器主芯片存放引導(dǎo)程序的Flash扇區(qū)燒寫引導(dǎo)程序；在升級(jí)應(yīng)用程序階段，由于主芯片的編譯環(huán)境支持HEX文件生成，基于CAN通信，使用上位機(jī)軟件將待燒寫應(yīng)用程序的HEX文件發(fā)送給主芯片的引導(dǎo)程序，引導(dǎo)程序接收解析HEX文件，并將解析后的數(shù)據(jù)寫入存放應(yīng)用程序的Flash扇區(qū)后，主芯片運(yùn)行新的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)控制器程序升級(jí)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于CAN通信的固件升級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括3個(gè)部分：引導(dǎo)程序、應(yīng)用程序和上位機(jī)。

2.1 引導(dǎo)程序

2.1.1 劃分Flash存儲(chǔ)空間

主芯片的Flash存儲(chǔ)空間為512 Kibyte，劃分為FlashA～FlashAB共28個(gè)扇區(qū)，存儲(chǔ)地址為0x080000～0x0FFFFF。

為了實(shí)現(xiàn)固件升級(jí)，將TMS32F28377S芯片的Flash空間分成2部分：一部分地址為0x080000～0x083FFF，占用FlashA和FlashB 2個(gè)扇區(qū)，用于存放引導(dǎo)程序；另一部分地址為0x084000～0x0FFFF，占用扇區(qū)FlashC～FlashAB，用于存放應(yīng)用程序。存放不同類型的程序時(shí)，需將芯片定義好的段（如存放所有可執(zhí)行代碼和常數(shù)的段.text、存放初始化的全局變量和靜態(tài)變量的段.cinit、存放全局構(gòu)造器列表的段.pinit等）映射到對(duì)應(yīng)扇區(qū)，以便程序調(diào)用。

2.1.2 配置CAN模塊

主芯片有2路CAN通信（CANA、CANB），每路CAN通信有32個(gè)郵箱，通過配置CANA模塊實(shí)現(xiàn)控制器與上位機(jī)的通信。CANA模塊的波特率為250 Kibit/s，傳輸數(shù)據(jù)的幀格式為標(biāo)準(zhǔn)幀，定義1、2、3號(hào)郵箱標(biāo)識(shí)符（identification，ID）分別為0x123、0x124、0x125，使1號(hào)郵箱向上位機(jī)發(fā)送ID為0x123的報(bào)文，2號(hào)郵箱接收上位機(jī)下發(fā)ID為0x124的報(bào)文，3號(hào)郵箱接收上位機(jī)下發(fā)ID為0x125的報(bào)文，此時(shí)CAN通信中斷，處理接收到的報(bào)文。

為確保CAN通信傳輸HEX文件的準(zhǔn)確性，選用漢明碼進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)與單比特?cái)?shù)據(jù)糾錯(cuò)，漢明碼能準(zhǔn)確校驗(yàn)傳輸數(shù)據(jù)，并可糾正單比特錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。

上位機(jī)每發(fā)送1行HEX文件前生成1次漢明碼，假設(shè)上位機(jī)（發(fā)送節(jié)點(diǎn)）原始數(shù)據(jù)為m位的二進(jìn)制碼序列，需添加k位校驗(yàn)位，由2k≥m+k+1計(jì)算得出k后，將原始數(shù)據(jù)分成k組，每組數(shù)據(jù)按配偶原則做異或運(yùn)算得出一個(gè)校驗(yàn)位（共k個(gè)校驗(yàn)位），將校驗(yàn)位依次附在原始數(shù)據(jù)后面，即m+k位數(shù)據(jù)從左到右依次編號(hào)為1，2，3，…，m+k，并進(jìn)行傳輸；控制器（接收節(jié)點(diǎn)）以行為單位接收解析文件，并按同樣的方法分組、計(jì)算校驗(yàn)，判斷解碼結(jié)果，如果發(fā)現(xiàn)某幾個(gè)校驗(yàn)位不對(duì)，則根據(jù)分組的特性找出對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)組，確定錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的地址后，取反糾正相應(yīng)的錯(cuò)誤[10]。

2.1.3 配置Flash模塊

主芯片F(xiàn)lash驅(qū)動(dòng)包括擦除和寫入Flash程序，先擦除Flash對(duì)應(yīng)扇區(qū)后，再執(zhí)行寫入Flash程序命令，擦除或?qū)懭隖lash時(shí)需將相關(guān)程序復(fù)制到隨機(jī)存取寄存器（random access memory，RAM）中，并分別調(diào)用Flash API函數(shù)庫的擦除函數(shù)Fapi_issue Async Comm and With Address、寫入函數(shù)Fapi_issue Programming Comm and Flash以及部分校驗(yàn)函數(shù)完成相應(yīng)操作[11-12]。

擦除命令、寫入命令執(zhí)行流程如圖2所示。由圖2a）可知：根據(jù)擦除程序的類型（引導(dǎo)程序或應(yīng)用程序）擦除相應(yīng)扇區(qū)，設(shè)置PUMPREQUEST寄存器，完成Flash控制權(quán)分配；調(diào)用Flash API初始化函數(shù)，以芯片頻率完成Flash API中的操作；初始化后，調(diào)用Flash庫激活函數(shù)，調(diào)用Flash擦除函數(shù)擦除相關(guān)扇區(qū)；待Flash空閑時(shí)，檢驗(yàn)扇區(qū)是否被擦除；檢驗(yàn)通過則退出擦除命令執(zhí)行流程，檢驗(yàn)不通過則報(bào)錯(cuò)退出。由圖2b）可知：擦除命令執(zhí)行流程與寫入命令執(zhí)行流程大致相同，但寫入命令調(diào)用Flash寫入函數(shù)應(yīng)將數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的地址，且等待Flash空閑時(shí)檢驗(yàn)寫入的數(shù)據(jù)是否正確，其余流程與擦除命令執(zhí)行流程相同。

2.1.4 解析HEX文件

HEX文件以十六進(jìn)制表示ASCII信息，以行為單位，每行以“：”開頭，可以直接燒錄到主芯片中。HEX文件每行包含5個(gè)域：數(shù)據(jù)長度域、數(shù)據(jù)地址域、數(shù)據(jù)記錄類型域、數(shù)據(jù)域及校驗(yàn)和域[13-14]。數(shù)據(jù)長度域占用1個(gè)字節(jié)，表示該行包含數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；數(shù)據(jù)地址域占用2個(gè)字節(jié)，表示該行首個(gè)數(shù)據(jù)的偏移地址；數(shù)據(jù)記錄類型域占用1個(gè)字節(jié)，有00、01、02、03、04、05等6種記錄類型，其中00為記錄數(shù)據(jù)，01為文件結(jié)束，02為記錄擴(kuò)展段地址，03為記錄開始段地址，04為記錄擴(kuò)展段線性地址，05為記錄開始線性地址[15-16]。由于05類型不用于嵌入式程序，本系統(tǒng)無需解析05類型；數(shù)據(jù)域占用n個(gè)字節(jié)（1≤n≤32），表示具體數(shù)據(jù)；校驗(yàn)和域占用1個(gè)字節(jié)，用于校驗(yàn)數(shù)據(jù)。

HEX文件解析與校驗(yàn)流程如圖3所示。如圖3可知：解析HEX文件時(shí)先判斷數(shù)據(jù)的首字符是否為“：”，若是，則繼續(xù)解析后面的數(shù)據(jù)；若不是，則報(bào)錯(cuò)；依次解析數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)偏移地址、數(shù)據(jù)記錄類型，判斷數(shù)據(jù)記錄類型，若為00，則繼續(xù)解析數(shù)據(jù)；若為01，則結(jié)束指令；若為02或04，則解析HEX文件基礎(chǔ)地址；若為03，則解析開始段地址。00解析數(shù)據(jù)完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，若數(shù)據(jù)校驗(yàn)通過，則寫入主芯片相應(yīng)的Flash地址中；校驗(yàn)不通過，則報(bào)錯(cuò)，并結(jié)束流程。

2.1.5 運(yùn)行流程

1）主芯片上電后，執(zhí)行RESET指令，該指令對(duì)應(yīng)的Flash地址是0x3FFFC0，執(zhí)行啟動(dòng)系統(tǒng)程序，完成底層寄存器及堆棧等的環(huán)境配置。

2）執(zhí)行引導(dǎo)加載程序的main函數(shù)，對(duì)必要模塊（如時(shí)鐘模塊、CAN模塊、Flash模塊等）初始化，在主循環(huán)里設(shè)置等待時(shí)間為5 s，如果5 s內(nèi)收到來自上位機(jī)的升級(jí)指令，則進(jìn)入用戶升級(jí)程序；如果未收到來自上位機(jī)的升級(jí)指令，則跳出升級(jí)程序，執(zhí)行原應(yīng)用程序。

3）控制器收到來自上位機(jī)的升級(jí)指令執(zhí)行用戶升級(jí)程序后，擦除舊的應(yīng)用程序，等待上位機(jī)發(fā)送新應(yīng)用程序的HEX文件。

4）上位機(jī)以行為單位發(fā)送HEX文件數(shù)據(jù)，控制器接收數(shù)據(jù)并保存到自定義的數(shù)組中，同時(shí)向上位機(jī)應(yīng)答。

5）控制器接收完1行數(shù)據(jù)后，對(duì)自定義數(shù)組中整行的數(shù)據(jù)，按照HEX的格式，解析出該行的數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)地址、數(shù)據(jù)內(nèi)容及校驗(yàn)碼，并寫入到對(duì)應(yīng)的Flash地址。

6）重復(fù)上一步，直至整個(gè)HEX文件數(shù)據(jù)寫入對(duì)應(yīng)的Flash地址中。

7）跳轉(zhuǎn)至新用戶程序的開始地址執(zhí)行程序。

2.2 應(yīng)用程序存儲(chǔ)

由于FlashA和FlashB已劃分給引導(dǎo)程序，應(yīng)用程序只能占用扇區(qū)FlashC～FlashAB，文中應(yīng)用程序主要占用扇區(qū)FlashC～FlashJ。

2.3 上位機(jī)軟件

通過調(diào)用CAN卡，上位機(jī)實(shí)現(xiàn)與控制器之間的信息交互，結(jié)合漢明碼校驗(yàn)和糾錯(cuò)功能實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與電機(jī)控制器的數(shù)據(jù)傳輸。上位機(jī)主要包括操作界面設(shè)計(jì)、通信協(xié)議制定。

2.3.1 操作界面設(shè)計(jì)

PyQt是Python和Qt的結(jié)合，能夠高效地編寫各類圖形用戶界面應(yīng)用程序[17]，利用PyQt的設(shè)計(jì)工具Qt Designer搭建圖形化操作界面，操作界面主要包含CAN卡配置操作、升級(jí)過程操作和窗口顯示。CAN卡配置操作可實(shí)現(xiàn)波特率的選擇功能，CAN卡打開、關(guān)閉及復(fù)位功能；升級(jí)過程操作包括準(zhǔn)備升級(jí)操作、加載文件操作和開始升級(jí)操作；窗口顯示分為2部分，一個(gè)用于顯示運(yùn)行狀態(tài)，另一個(gè)用于顯示HEX文件傳輸數(shù)據(jù)流。

2.3.2 通信協(xié)議制定

為了實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與控制器之間的CAN通信，通過不同ID和不同報(bào)文數(shù)據(jù)交互不同的程序指令實(shí)現(xiàn)自定義通信協(xié)議，直到HEX文件傳輸結(jié)束。HEX數(shù)據(jù)幀與命令幀的的數(shù)據(jù)長度不同，命令幀數(shù)據(jù)長度固定為1，具體通信協(xié)議如表1所示。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在新能源汽車電機(jī)測試臺(tái)架上，基于CAN通信的固件升級(jí)系統(tǒng)，進(jìn)行電機(jī)電流加載閉環(huán)控制試驗(yàn)，試驗(yàn)流程示意如圖4所示。試驗(yàn)過程如下。

1）基于CCS集成開發(fā)環(huán)境，配置生成電機(jī)電流閉環(huán)控制的HEX文件，作為升級(jí)文件。

2）將引導(dǎo)程序燒寫到控制器主板后，打開上位機(jī)，使用CAN卡連接控制器主板和上位機(jī)。

3）配置上位機(jī)CAN卡波特率為250 Kibit/s，打開CAN卡進(jìn)行通信；點(diǎn)擊“準(zhǔn)備升級(jí)”按鍵，上位機(jī)與控制器主板實(shí)現(xiàn)通信握手。

4）上位機(jī)操作界面顯示“請加載程序”后，點(diǎn)擊“加載文件”按鍵，選擇要升級(jí)的HEX文件，點(diǎn)擊“開始更新”按鍵，程序開始更新；HEX文件以行為單位傳輸，每傳輸完一行數(shù)據(jù)，運(yùn)行狀態(tài)顯示框顯示“寫入一行Flash”，數(shù)據(jù)流顯示框顯示實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。

5）當(dāng)整個(gè)HEX文件順利傳送完成后，上位機(jī)操作界面顯示“更新完成”，應(yīng)用程序升級(jí)完成。

6）將升級(jí)后的電機(jī)控制器安裝到新能源汽車電機(jī)測試臺(tái)架上，檢查直流側(cè)高壓線、三相高壓線、旋變信號(hào)線、散熱水路等是否正確連接，進(jìn)行電機(jī)電流閉環(huán)控制試驗(yàn)，驗(yàn)證電機(jī)控制器的工作狀態(tài)。

通過臺(tái)架配套測試軟件中的電流閉環(huán)控制指令，驗(yàn)證電機(jī)正常工作，升級(jí)程序各項(xiàng)功能正常。

4 結(jié)論

1）基于CAN通信的TMS320F28377S固件升級(jí)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制器應(yīng)用程序升級(jí)，提高了后期軟件維護(hù)工作的便利性。

2）固件升級(jí)系統(tǒng)完成對(duì)引導(dǎo)程序、應(yīng)用程序及上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)，其中，引導(dǎo)程序設(shè)計(jì)包括CAN模塊、Flash模塊的配置及HEX文件解析，并采用漢明碼進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)與單比特?cái)?shù)據(jù)糾錯(cuò)，確保CAN通信傳輸HEX文件的準(zhǔn)確性。

3）自定義通信協(xié)議通過不同ID和不同報(bào)文數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與控制器之間的CAN通信，電機(jī)電流加載閉環(huán)控制試驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)對(duì)固件升級(jí)系統(tǒng)的有效驗(yàn)證。

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Design of the firmware upgrade system for the main chip of

the electric vehicle motor controller based on

CAN communication

LIU Baoyan1， LI Junwei1*， XU Jinpeng1， WANG Zhiying1， LI Lianqiang2

Abstract：In order to solve the problem of the application program upgrade and maintenance of the main motor controller chip TMS320F28377S of the electric vehicle driver， a firmware upgrade system based on controller area network CAN communication technology is developed. Through configuring CAN module and Flash module， parsing HEX file and combining Hamming code checking algorithm， the design of boot program and application program is realized， the firmware upgrade system is applied to the new energy vehicle motor test bench， and the motor controller current loading closed-loop control experiment is carried out. The test results show that the TMS320F28377S firmware upgrade system based on CAN communication can complete the data transmission between PC and motor controller， and the system is fast， convenient and stable， widely used for motor controller application upgrades.

Keywords：motor controllor;TMS320F28377S chip;firmware upgrade;CAN communication

（責(zé)任編輯：臧發(fā)業(yè)）

收稿日期：2023-03-05

基金項(xiàng)目：青島市關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及產(chǎn)業(yè)化示范類項(xiàng)目（22-3-2-qljh-7-gx）

第一作者簡介：劉寶巖（1995—），男，山東滕州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車控制技術(shù)，E-mail： 792225723@qq.com。

通信作者簡介：李軍偉（1964—），男，河南平頂山人，工學(xué)博士，教授，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車關(guān)鍵控制技術(shù)，E-mail：ljwhitt@163.com。