馬維華 趙懷林 朱紀(jì)洪 華國琳 祝波

關(guān)鍵詞： 電推進(jìn)系統(tǒng); 在線升級(jí); TMS320F28377; 串口; Bootload; DSP程序

中圖分類號(hào)： TN409?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）06?0038?05

Abstract： During the engineering design study of the electric propulsion system， it was found that all the drives and control boards are sealed inside the electric propulsion system， except the commonly?used serial ports， which brings a lot of inconvenience to the optimization and upgradation of the entire electric propulsion system. Therefore， a system convenient for updating and upgradation is needed to be researched and designed. The hardware platform based on the TMS320F28377 is adopted for the electric propulsion system. The storage location of the DSP program is reasonably assigned by analyzing the program download process and FLASH_IAP library function of TIs TMS320F28377. The LabVIEW and Bootload programs are designed to upgrade and optimize the DSP program， so as to upgrade and optimize the entire electric propulsion system. The experimental results show that the online optimization and upgrading system is convenient， safe， and stable in operation.

Keywords： electric propulsion system; online upgradation; TMS320F28377; serial port; Bootload; DSP program

0 ?引 ?言

電推進(jìn)系統(tǒng)[1]結(jié)構(gòu)精密而且空間緊湊。為了保證電推進(jìn)系統(tǒng)的飛行平穩(wěn)，考慮到空氣動(dòng)力學(xué)因素，應(yīng)該讓飛機(jī)呈現(xiàn)流線型設(shè)計(jì)。而且為了保證系統(tǒng)的安全可靠，一般都會(huì)將一些硬件電路密封保存在電推進(jìn)系統(tǒng)的內(nèi)部，僅僅留出少量的接口在外部。但通信串口往往會(huì)留出來，用于進(jìn)行和外部設(shè)備的信息交流和數(shù)據(jù)的監(jiān)測，所以串口成了系統(tǒng)更新優(yōu)先考慮的方式。

在電機(jī)的控制系統(tǒng)中，為了滿足高能效和連通性設(shè)計(jì)的需求，開發(fā)出了DSP+FPGA架構(gòu)，該結(jié)構(gòu)已成為電路設(shè)計(jì)的主流。其中DSP（TMS320F28377）作為主控制芯片，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法以及外部端口信號(hào)的監(jiān)測;FPGA（EP3C25E144C7N）利用其大規(guī)模硬件資源，實(shí)現(xiàn)接口擴(kuò)展。在電推進(jìn)系統(tǒng)中，主要需要給主控制器DSP進(jìn)行在線優(yōu)化和升級(jí)。

通過對(duì)DSP的JTAG仿真器燒寫程序進(jìn)行分析，DSP內(nèi)部的代碼儲(chǔ)存在代碼段，而數(shù)據(jù)則是儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)段。程序通過下載器下載時(shí)，首先將程序下載到FLASH的一個(gè)片區(qū)中，當(dāng)片區(qū)的空間不夠時(shí)，才會(huì)使用下一個(gè)片區(qū)。這樣當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，就會(huì)將FLASH中的代碼轉(zhuǎn)移到RAM中運(yùn)行。當(dāng)運(yùn)行代碼需要調(diào)用到數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)回到FLASH中去讀取，這樣就實(shí)現(xiàn)了整個(gè)程序的下載和運(yùn)行流程。

TMS320F28377具有片內(nèi)的單口隨機(jī)儲(chǔ)存器SRAM、只讀儲(chǔ)存器ROM和FLASH儲(chǔ)存器[2]。在芯片出廠時(shí)，已經(jīng)在芯片的啟動(dòng)ROM區(qū)集成了Bootloader程序，用于對(duì)DSP的相關(guān)引腳進(jìn)行檢測，從而選擇不同的啟動(dòng)模式。在DSP中有很多種啟動(dòng)模式，在不同的模式下可以很方便地更新和升級(jí)程序，但是在一些特殊的場合，不可能手動(dòng)切換系統(tǒng)的啟動(dòng)模式。為了保障系統(tǒng)能夠穩(wěn)定安全的運(yùn)行，一般將DSP的GPIO72和GPIO84引腳用上拉電阻設(shè)為高電平，這樣TMS320F28377就從FLASH中啟動(dòng)。但是設(shè)置了啟動(dòng)模式之后，DSP的系統(tǒng)更新和升級(jí)就有了很多限制，本文是基于這些種種限制的情況下，開發(fā)出的一套系統(tǒng)升級(jí)和優(yōu)化的系統(tǒng)，方便在電推進(jìn)系統(tǒng)等特殊的場合下進(jìn)行的系統(tǒng)移植和優(yōu)化。

1 ?控制器程序在線升級(jí)方案

電推進(jìn)系統(tǒng)主要包含提供動(dòng)力的推進(jìn)系統(tǒng)和提供電能保障的供電系統(tǒng)，此外還需要儲(chǔ)能系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)等一系列輔助、支持系統(tǒng)等，整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。電推進(jìn)系統(tǒng)是為電動(dòng)飛機(jī)提供動(dòng)力，保障電動(dòng)飛機(jī)的正常運(yùn)行，其系統(tǒng)需要具備高可靠和便于維護(hù)的特點(diǎn)。而電推進(jìn)系統(tǒng)控制器的在線優(yōu)化升級(jí)是屬于上位機(jī)中的一部分，主要是對(duì)主控器DSP進(jìn)行程序的在線升級(jí)和優(yōu)化，為電動(dòng)飛機(jī)提供了一套安全方便的系統(tǒng)更新方案。

在FLASH啟動(dòng)模式下的在線優(yōu)化升級(jí)電推進(jìn)系統(tǒng)如圖2所示。首先需要將啟動(dòng)程序在升級(jí)CMD文件模式下編譯通過之后，通過JTAG仿真器下載到FLASH中;然后通過LabVIEW設(shè)計(jì)的升級(jí)服務(wù)軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的升級(jí)與優(yōu)化。

在DSP上電之后，DSP會(huì)調(diào)到FLASH啟動(dòng)的起始地址0x080000。這個(gè)地址存放著程序的codestart的起始地址。所以，只需修改0x080000存放的值，就能決定執(zhí)行那一段程序。當(dāng)然也可以通過匯編指令跳轉(zhuǎn)到程序的codestart執(zhí)行。Bootload程序的功能就是在每一次啟動(dòng)電推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)，程序指針會(huì)自動(dòng)指向固化在控制器FLASH中的Bootload程序。Bootload程序運(yùn)行后，首先把自己從FLASH H扇區(qū)中的程序搬移到DSP內(nèi)部的RAM程序區(qū)中運(yùn)行，提高運(yùn)行速度。然后進(jìn)行串口的配置和等待串口更新指令，并為在線優(yōu)化升級(jí)系統(tǒng)做準(zhǔn)備條件。如果沒有更新指令，會(huì)跳轉(zhuǎn)到FLASH E扇區(qū)，進(jìn)行原始程序的運(yùn)行。在原始程序運(yùn)行時(shí)，程序指針將重新跳轉(zhuǎn)到_c_int00中斷去執(zhí)行程序[3]，初始化C運(yùn)行環(huán)境。一旦運(yùn)行環(huán)境初始化完成，就可以執(zhí)行原始程序中main（）主函數(shù)。

如果接收到更新指令，則系統(tǒng)開始等待串口傳輸?shù)母鲁绦驍?shù)據(jù)，并對(duì)串口傳輸?shù)某绦驍?shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。然后通過FLASH_IAP庫函數(shù)將FLASH E扇區(qū)進(jìn)行擦除，并且將已經(jīng)處理之后的更新程序數(shù)據(jù)拷貝到FLASH E扇區(qū)中，就完成了更新程序?qū)υ汲绦虻母采w。在下一次上電重啟，系統(tǒng)在沒有更新響應(yīng)時(shí)，就會(huì)把燒寫在FLASH中的更新程序和有用信息全部復(fù)制到DSP內(nèi)存空間中去執(zhí)行。

在電推進(jìn)系統(tǒng)控制器在線優(yōu)化升級(jí)系統(tǒng)中，主要是對(duì)DSP內(nèi)部程序進(jìn)行升級(jí)和優(yōu)化。升級(jí)和優(yōu)化系統(tǒng)的關(guān)鍵是需要設(shè)計(jì)一個(gè)Bootload啟動(dòng)程序，用于對(duì)系統(tǒng)是否進(jìn)行更新程序的選擇。而Bootload啟動(dòng)程序應(yīng)該包括兩個(gè)部分：CMD文件的編寫和配置程序的編寫。CMD文件是用來指示存儲(chǔ)空間和分配段到存儲(chǔ)空間。在電推進(jìn)優(yōu)化系統(tǒng)中需要設(shè)計(jì)兩個(gè)CMD文件：升級(jí)CMD和用戶CMD文件，主要進(jìn)行不同程序的空間分配。升級(jí)CMD文件用于對(duì)Bootload程序分配固化儲(chǔ)存空間和分配裝載的FLASH_IAP庫函數(shù)空間，為更新程序準(zhǔn)備更新環(huán)境。而用戶CMD文件用于對(duì)當(dāng)前的用戶程序分配指定的FLASH扇區(qū)，而且不能占用Bootload程序的空間，保障用戶程序能夠獨(dú)立的運(yùn)行。

1.1 ?FLASH_IAP庫函數(shù)

FLASH_IAP是TI公司提供的編程算法。該算法主要實(shí)現(xiàn)用戶自己的程序在運(yùn)行過程中對(duì)User FLASH的部分區(qū)域進(jìn)行擦除和編程，目的是在產(chǎn)品發(fā)布后可以方便地通過預(yù)留的通信口對(duì)產(chǎn)品中的固件程序進(jìn)行更新升級(jí)。FLASH_IAP定義了一系列的軟件外圍功能，可以完成對(duì)FLASH模塊的編寫和擦除。

使用FLASH_IAP完成FLASH編程[4]需要以下幾步：工程需要包含F(xiàn)LASH_IAP的頭文件和庫函數(shù); 匹配目標(biāo)FLASH;擦除目標(biāo)FLASH;編寫到目標(biāo)FLASH;校驗(yàn)?zāi)繕?biāo)FLASH。

TI公司提供的FLASH_IAP庫函數(shù)中以下三個(gè)函數(shù)[5]最為重要：

1） Flash_Erase（SectorMask，&FStatus）。其功能是在升級(jí)優(yōu)化系統(tǒng)之前，將控制器FLASH中指定扇區(qū)的程序或數(shù)據(jù)進(jìn)行擦除并返回是否擦除成功的狀態(tài)。

2） Flash_Program（&FlashAddr，&BuffAddr，Length，&FStatus）。其功能是只需填寫儲(chǔ)存更新程序的起始地址，就能將程序燒寫到指定空間，且判斷操作是否成功。

3） Flash_Verify（&FlashAddr，&BuffAddr，Length，&FStatus）是校驗(yàn)每條燒寫到指定儲(chǔ)存空間的主程序。

1.2 ?CMD文件的編寫

DSP控制器程序中的代碼和數(shù)據(jù)是以段的形式形成，不同的段存放不同類型的內(nèi)容。在使用時(shí)，需要通過編寫連接器命令文件（.cmd）將這些段正確地分配到DSP的地址空間。在生成Bootload程序時(shí)，需要加載CMD文件然后編譯通過。升級(jí)CMD文件在設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要加載FLASH28377_API_V210.lib庫，把這個(gè)庫加載到FLASH中的一個(gè)片區(qū)，之后主程序需要對(duì)FLASH28377_API_V210.lib搬移到RAM中，如果在FLASH中運(yùn)行要比在RAM中運(yùn)行速度慢70%～80%，顯然這樣的速度對(duì)于增強(qiáng)型的DSP不能滿足，于是需要將庫搬移到RAM中運(yùn)行。而Bootload程序也需要進(jìn)行同樣的操作搬移到RAM中，充分利用資源。加載完庫之后，還需要對(duì).out文件中的不同段進(jìn)行分配，對(duì)DSP中已初始化的段和未初始化的段進(jìn)行分配。通過串口傳輸?shù)挠脩舸a，也需要分配一個(gè)空間進(jìn)行存儲(chǔ)，可以在升級(jí)完成之后，讓程序能夠獨(dú)立運(yùn)行。如果空間不夠，可以通過修改扇區(qū)地址進(jìn)行擴(kuò)充到其他扇區(qū)。升級(jí)CMD文件編寫見圖3。

在每次通過Bootload程序燒寫用戶程序時(shí)，編寫的用戶程序也需要一個(gè)用戶CMD文件。用戶CMD文件是一個(gè)獨(dú)立于Bootload程序的鏈接命令文件。讓儲(chǔ)存在控制器FLASH中指定扇區(qū)（FLASH E片區(qū)）的用戶程序能夠獨(dú)立正常的運(yùn)行。也就需要將這個(gè)扇區(qū)進(jìn)行合理的分配，將所有的匯編指令和全局靜態(tài)變量都分配到這個(gè)扇區(qū)內(nèi)，重新分配代碼的開始段，所有的段也需要分配這個(gè)指定扇區(qū)中。若空間不夠，可以擴(kuò)充到其他扇區(qū)，但升級(jí)CMD文件也要做同樣的修改。用戶CMD文件編寫見圖4。

1.3 ?Bootload程序的設(shè)計(jì)

在電推進(jìn)系統(tǒng)控制器的在線優(yōu)化升級(jí)中，CMD文件是分配儲(chǔ)存空間，而Bootload程序是配置SCI串口和編寫升級(jí)代碼到指定的FLASH扇區(qū)。二者只有一起編譯才能生成固化到FLASH中的啟動(dòng)程序。在主函數(shù)中，程序首先初始化PIE和串口，通過TI提供的CsmUnlock函數(shù)解鎖DSP，然后初始化FLASH和將FLASH_IAP庫函數(shù)加載到FLASH并初始化。這時(shí)只要上位機(jī)發(fā)送來數(shù)據(jù)，串口接收到數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)幀的分析，按照HEX文件的格式，分析每一幀數(shù)據(jù)，然后將每一幀數(shù)據(jù)按照地址寫入到內(nèi)存中。最后通過FLASH_Program函數(shù)將代碼寫入FLASH，就完成程序代碼的固化。流程圖見圖5。

2 ?系統(tǒng)在線優(yōu)化升級(jí)文件

電推進(jìn)系統(tǒng)控制器的在線優(yōu)化升級(jí)是通過通信串口給控制器進(jìn)行升級(jí)的。為了讓DSP能夠用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，需要將數(shù)據(jù)文件進(jìn)行格式的轉(zhuǎn)換。TI公司提供DSP集成開發(fā)環(huán)境[6]。CCS對(duì)整個(gè)工程文件進(jìn)行編譯、鏈接后生成的是模塊化文件：COFF格式，即.out文件[7]。它有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，不僅包含了以段的形式組織的代碼和數(shù)據(jù)，而且還包含了文件頭、符號(hào)表、段地址、初始化段入口等信息，但是該文件格式的模塊化結(jié)構(gòu)不能用來進(jìn)行串口數(shù)據(jù)的傳輸。于是需要轉(zhuǎn)換成串口能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)類型。于是將需要將.out文件轉(zhuǎn)換成HEX文件。串口通信是串口數(shù)據(jù)按位發(fā)送和接收字節(jié)，在DSP中，數(shù)據(jù)都是以二進(jìn)制的形式存儲(chǔ)，在串口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)首先將待發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的ASCII碼，然后將這些ASCII碼按照二進(jìn)制方式一位一位的發(fā)送。

2.1 ?COFF文件格式轉(zhuǎn)換

TI公司提供的開發(fā)環(huán)境CCS中也能實(shí)現(xiàn)HEX文件的轉(zhuǎn)換。只需要在Properties中，將Enable C2000 Hex Utility勾選，然后將Output Format Options中的Output format選擇為?intel，?i，同時(shí)還要設(shè)置輸入文件的格式，一般來說只要生成的輸入格式和Bootload程序中HEX文件的解析格式一致就可以被串口讀取和處理。這里設(shè)置為16 bit，而輸出格式的ROM的寬度為16，設(shè)置好之后，下次在運(yùn)行CCS時(shí)，就可以生成HEX文件。

2.2 ?HEX文件格式

HEX文件[8]格式如圖6所示，以冒號(hào)開頭，第1字節(jié)是數(shù)據(jù)長度，第2，3字節(jié)是本行數(shù)據(jù)的起始地址。HEX文件中的第一幀數(shù)據(jù)是記錄基地址，而之后每一幀的數(shù)據(jù)是相對(duì)于基地址的偏移地址。若要計(jì)算出該幀數(shù)據(jù)的起始地址，只需要將第一幀的基地址左移16位，然后加上該幀的偏移地址。第4字節(jié)是數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)類型有：0x00?數(shù)據(jù)、0x01?文件結(jié)束、0x02?段地址標(biāo)志、0x03?段地址開始、0x04?線性地址標(biāo)志、0x05?線性地址開始。之后是數(shù)據(jù)，最后一個(gè)字節(jié)是校驗(yàn)和，是將本行記錄中除了冒號(hào)和最后一個(gè)字節(jié)之外的所有字節(jié)的累加和，校驗(yàn)和等于0x100減去累加和。

3 ?系統(tǒng)升級(jí)服務(wù)程序設(shè)計(jì)

電推進(jìn)系統(tǒng)的上位機(jī)為了監(jiān)測電推進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，將電推進(jìn)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電流和電壓，以及電機(jī)的轉(zhuǎn)速等參數(shù)通過串口反饋給上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)測，然后在將一些轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩指令通過串口反饋給電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，讓系統(tǒng)能夠平穩(wěn)的運(yùn)行。而電推進(jìn)系統(tǒng)升級(jí)服務(wù)程序是上位機(jī)中的一部分，主要是利用上位機(jī)的通信串口給控制器進(jìn)行升級(jí)和優(yōu)化，該設(shè)計(jì)簡單方便，不需要添加其他的硬件接口，充分利用串口資源。

為了輔助電推進(jìn)系統(tǒng)控制器的在線優(yōu)化升級(jí)，需要在PC端設(shè)計(jì)一個(gè)上位機(jī)軟件，用于對(duì)串口的識(shí)別，數(shù)據(jù)的交流和燒寫程序的指示。LabVIEW是NI公司開發(fā)的一款可視化、跨平臺(tái)的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，采用圖形化編輯語言G編程，產(chǎn)生的程序是框圖的形式[9]。LabVIEW提供了功能強(qiáng)大的VISA庫[10]，VISA是一個(gè)I/O接口軟件庫及其規(guī)范的總稱。電推進(jìn)系統(tǒng)升級(jí)服務(wù)程序如圖7所示。LabVIEW設(shè)計(jì)中首先通過調(diào)用VISA Configure Serial Port完成對(duì)端口號(hào)、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位和流控制的設(shè)定。完成了串口屬性接口的設(shè)置，就可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與FLASH板子之間的數(shù)據(jù)傳輸，在接收數(shù)據(jù)之前需要通過VISA Set I/O Buffer Size設(shè)置串口接收/發(fā)送緩沖區(qū)的大小，然后在使用VISA Bytes at Serial Port查詢當(dāng)前串口接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。如果VISA Read讀取到的字節(jié)大于串口接收緩沖區(qū)中的字節(jié)數(shù)，那么VISA就會(huì)一直等待，直至Timeout或者緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)達(dá)到要求的字節(jié)數(shù)，才能接收到數(shù)據(jù)。

4 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先使用設(shè)計(jì)的上位機(jī)，配置好串口并打開，使LabVIEW上位機(jī)和電推進(jìn)系統(tǒng)控制器進(jìn)行連接，由于考慮到系統(tǒng)的安全性，在啟動(dòng)系統(tǒng)之前需要設(shè)置解鎖密碼，而后每次升級(jí)優(yōu)化程序時(shí)，需要先輸入密碼進(jìn)行確認(rèn)。通信模塊中的串口發(fā)送模塊需要完成單次發(fā)送指令、單次文件發(fā)送指令。實(shí)現(xiàn)方法是將其放到不同線程中，在需要發(fā)送指令時(shí)開啟相關(guān)任務(wù)并關(guān)閉其他發(fā)送任務(wù)：

1） 打開串口按鈕按下之后，在輸入框中輸入系統(tǒng)密碼，并按下發(fā)送鍵，輸入的密碼由VISA寫入到串口下載到板子中。

2） 對(duì)于程序文件的下載，先讀取所需打開的文件，將其轉(zhuǎn)換為文本文件后再寫入VISA由串口發(fā)送，并在發(fā)送完成后彈出對(duì)話框“文件發(fā)送完成”。

通信模塊中的串口接收模塊的方案是將從串口接收緩沖區(qū)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，并對(duì)其是否為空指令進(jìn)行判斷后予以顯示。圖8是電推進(jìn)系統(tǒng)控制器在線優(yōu)化升級(jí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)中，只需要匹配好串口和波特率，將上位機(jī)和控制器進(jìn)行握手，然后通過發(fā)送指令和程序完成對(duì)控制器的升級(jí)和優(yōu)化，可以通過顯示界面反饋的彈窗和示波器檢測到串口波形。該系統(tǒng)成功地將新程序通過串口燒寫到了控制器的FLASH中。

5 ?結(jié) ?論

本文提出一種借助于通信串口來實(shí)現(xiàn)內(nèi)部程序下載更新的方法。該系統(tǒng)通過和LabVIEW升級(jí)服務(wù)程序連接配合之后，使用DSP內(nèi)部固化好的Bootload程序，協(xié)助DSP完成串口下載，將串口傳輸?shù)男聰?shù)據(jù)進(jìn)行處理和翻譯，覆蓋原始程序代碼區(qū)，進(jìn)而完成了程序的下載。從實(shí)驗(yàn)測試的示波器波形和電推進(jìn)系統(tǒng)的工作情況，證明了該方法可行性而且安全可靠，為一些特殊場合提供了可行的方法，提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性。

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