1　軟件無線升級(jí)系統(tǒng)方案

基于無線通信的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)(如遠(yuǎn)程電網(wǎng)質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)、水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)和城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)等)應(yīng)用越來越廣泛，而在實(shí)際使用過程中，由于需求的變化，經(jīng)常要對(duì)其終端設(shè)備軟件進(jìn)行修改或升級(jí)。一般情況下，無線監(jiān)控系統(tǒng)與終端距離較遠(yuǎn)，終端分散且工作環(huán)境較差。如果維護(hù)人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行軟件升級(jí)，不但維護(hù)費(fèi)用很高，而且還可能使終端設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間不能正常工作。

為解決這一難題，本文提出一種利用ST公司的STR710FZ2T6作為終端微控制器，融合IAP(In Application Programming，在應(yīng)用編程)技術(shù)和GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的軟件升級(jí)系統(tǒng)方案。軟件無線升級(jí)系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1　軟件無線升級(jí)系統(tǒng)整體框圖

2　系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)

2.1　硬件設(shè)計(jì)

本文選用的是ST公司的一款工業(yè)級(jí)微控制器STR710FZ2T6。它是基于arm7TDMI 的32位RISC CPU，擁有豐富的外設(shè)和增強(qiáng)的I/O功能，并提供高達(dá)33 MHz的直接存取速度以及50 MHz零等待狀態(tài)的序列閃存;具有(256 KB+16 KB) Flash 和64 KB SRAM，內(nèi)部Flash可重復(fù)擦寫10萬次，數(shù)據(jù)保持20年，支持自編程;外部存儲(chǔ)器接口(EMI)可支持4個(gè)SRAM、Flash、ROM等存儲(chǔ)類型;芯片有多種boot方式。另外，STR710FZ2T6能夠通過運(yùn)行在Flash中的程序來對(duì)自身的Flash進(jìn)行更新。這個(gè)功能使其能夠通過CAN、UART、USB、無線通信等接口將程序下載到自身的Flash中。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)微控制器STR710FZ2T6的特點(diǎn)以及無線監(jiān)控終端的功能要求，硬件設(shè)計(jì)包括由電源電路、復(fù)位電路、JTAG接口電路、晶振電路組成的芯片工作最小系統(tǒng)，以及在最小系統(tǒng)上擴(kuò)展的串行接口模塊、外存儲(chǔ)器模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和SIM300 GSM/GPRS通信模塊。其中,擴(kuò)展的外存儲(chǔ)器包括SST公司的具有16位數(shù)據(jù)寬度的Flash存儲(chǔ)器SST39VF1601和ISSI公司的SRAM 存儲(chǔ)器IS61LV25616AL。

圖2　軟件無線升級(jí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2　終端軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)終端軟件的設(shè)計(jì)包括終端引導(dǎo)程序設(shè)計(jì)和終端應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。引導(dǎo)程序和應(yīng)用程序在STR710FZ2T6中所存放的位置不同。將啟動(dòng)模式配置為從片內(nèi)Flash引導(dǎo)之后，系統(tǒng)終端微控制器將復(fù)位，啟動(dòng)之后先執(zhí)行引導(dǎo)程序。引導(dǎo)程序在執(zhí)行過程中決定是否啟動(dòng)IAP升級(jí)程序;應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)終端的各種功能，如命令和數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送，以及新版本應(yīng)用程序升級(jí)包的下載。

2.2.1　終端引導(dǎo)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，終端引導(dǎo)程序通過JTAG接口燒寫到STR710FZ2T6的Flash扇區(qū)起始位置(0x40000000)處。整個(gè)引導(dǎo)程序占用Flash的前兩個(gè)扇區(qū)，通過啟動(dòng)模式的選擇，將這塊Flash映射到0x00000000，保證系統(tǒng)上電后自動(dòng)運(yùn)行引導(dǎo)程序。終端重新啟動(dòng)時(shí)，STR710FZ2T6從0x40000000地址開始讀取指令并執(zhí)行。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明：將IAP升級(jí)程序存放在用戶引導(dǎo)部分是非常合理的，能夠避免由于應(yīng)用程序升級(jí)失敗而造成的系統(tǒng)崩潰。由于終端引導(dǎo)程序在產(chǎn)品出廠前固化，若Flash編程失敗，微控制器將重新啟動(dòng)，IAP程序利用存儲(chǔ)器SST39VF1601中保存的最新版本的應(yīng)用程序，重新對(duì)Flash進(jìn)行編程。由于引導(dǎo)程序有多次編程Flash扇區(qū)的能力，系統(tǒng)應(yīng)用程序代碼的完整性以及應(yīng)用程序升級(jí)的可靠性才得以保證。引導(dǎo)程序流程如圖3所示。

圖3　終端引導(dǎo)程序流程

終端引導(dǎo)程序的主要函數(shù)說明：

① main()主函數(shù)。用于初始化UART接口，PLL設(shè)定等，根據(jù)升級(jí)標(biāo)志和新版本號(hào)判斷是否繼續(xù)執(zhí)行IAP。若升級(jí)標(biāo)志置位，且新版本號(hào)大于當(dāng)前的版本號(hào)，則啟動(dòng)IAP升級(jí)程序，否則運(yùn)行終端應(yīng)用程序。

int __main(void)

② 對(duì)片內(nèi)Flash進(jìn)行初始化操作。

void FLASH_Init(void)

③ 從第二扇區(qū)算起，計(jì)算代碼需要的扇區(qū)數(shù)。

u32 FLASH_SectorMask(vu32 Size)

④ 將新代碼需要的扇區(qū)去掉寫保護(hù)，為扇區(qū)擦除做準(zhǔn)備。

void FLASH_WritePrConfig(u32 Xsectors，F(xiàn)unctionalState NewState)

⑤ 將新代碼需要的扇區(qū)進(jìn)行擦除，為寫做準(zhǔn)備。

void FLASH_SectorErase(u32 Xsectors)

⑥ 將新代碼寫入Flash扇區(qū)中。

void FLASH_WordWrite(u32 XtargetAdd，u32 Xdata)

2.2.2　終端應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

終端應(yīng)用程序設(shè)定的起始地址是STR710Z2T6的0x40004000處，并可占用之后的整個(gè)Flash空間。終端應(yīng)用程序不但完成日常各項(xiàng)工作任務(wù)，而且還負(fù)責(zé)接收監(jiān)控中心服務(wù)器發(fā)送的應(yīng)用程序升級(jí)命令。當(dāng)收到升級(jí)命令后，終端回應(yīng)服務(wù)器此時(shí)若接收升級(jí)代碼，則應(yīng)用程序?qū)⑸?jí)包按照幀的方式通過GPRS模塊從服務(wù)器下載到終端，通過校驗(yàn)后保存到終端外部Flash存儲(chǔ)器SST39VF1601中，下載成功后置位升級(jí)標(biāo)志和記錄升級(jí)包版本號(hào)以備引導(dǎo)程序升級(jí)。由于升級(jí)包的下載過程可看成是數(shù)據(jù)傳輸過程，應(yīng)用程序可在下載升級(jí)包的同時(shí)進(jìn)行其他任務(wù)，且不影響終端的正常工作。當(dāng)終端應(yīng)用程序下載完升級(jí)包之后，應(yīng)用程序?qū)Ρ匾默F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行保存然后主動(dòng)復(fù)位，微控制器啟動(dòng)之后直接執(zhí)行引導(dǎo)程序，并進(jìn)行Flash編程。由于很多系統(tǒng)終端日常任務(wù)繁多，可通過程序中相應(yīng)的設(shè)置，使新代碼下載和Flash編程盡量選擇在終端可能空閑的時(shí)間段，從而盡可能地減少升級(jí)應(yīng)用程序?qū)K端正常工作的影響。

3　通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

參照通信規(guī)約和已存在的無線配電監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)議，本文定義了3種類型的協(xié)議幀：服務(wù)器請(qǐng)求升級(jí)幀、升級(jí)代碼數(shù)據(jù)幀和終端回應(yīng)幀。

協(xié)議幀公共數(shù)據(jù)段：

服務(wù)器請(qǐng)求升級(jí)幀幀格式如下：

升級(jí)代碼數(shù)據(jù)幀幀格式如下：

終端回應(yīng)幀幀格式如下：

通信幀部分?jǐn)?shù)據(jù)段說明：

① 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。表示數(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)(由2字節(jié)構(gòu)成)，為0時(shí)表示無數(shù)據(jù)，其值為此數(shù)據(jù)段到校驗(yàn)和之前的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)之和。

② 升級(jí)軟件版本號(hào)。無線監(jiān)控系統(tǒng)終端收到升級(jí)請(qǐng)求幀之后，將此數(shù)據(jù)段和其本身的軟件版本進(jìn)行比較。如果版本號(hào)小于將要升級(jí)的軟件版本，終端將回應(yīng)服務(wù)器同意升級(jí)，否則放棄升級(jí)。

③ 升級(jí)文件長(zhǎng)度。用來判斷存儲(chǔ)空間夠不夠存放將要升級(jí)的文件，以及升級(jí)代碼是否傳輸完畢[4]。

4　終端編程注意事項(xiàng)

(1) 編程代碼大小。IAP編程是用戶的IAP代碼對(duì)片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行擦除/編程的過程。由于片內(nèi)Flash存儲(chǔ)空間的限制以及代碼存儲(chǔ)空間的限定，編程時(shí)不但需要控制IAP自身代碼量的大小，而且還要控制終端應(yīng)用程序代碼的大小，絕對(duì)不能夠超出所指定的存儲(chǔ)范圍。

(2) 提高遠(yuǎn)程升級(jí)速度的措施。為了提高系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級(jí)的速度，在代碼傳輸過程本文采取3種措施：

① 數(shù)據(jù)壓縮。數(shù)據(jù)壓縮是解決由于數(shù)據(jù)大而導(dǎo)致整個(gè)下載過程時(shí)間長(zhǎng)問題的最有效的辦法，本系統(tǒng)中服務(wù)器將升級(jí)代碼進(jìn)行壓縮，終端設(shè)備接收到之后進(jìn)行解壓、存儲(chǔ)。由于應(yīng)用程序的代碼滿足arm指令集的特征，所以壓縮效率較高。

② 應(yīng)用程序分塊加載。在日常系統(tǒng)維護(hù)中，無論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)或是修改程序中的“bug”,其實(shí)修改的只是程序中的一小部分，而大部分程序還保持原樣。因此，合理的方法是只把修改的代碼，而不是把整個(gè)二進(jìn)制文件下載到遠(yuǎn)程終端。具體的實(shí)現(xiàn)辦法是，建立分散文件，在其中按功能將應(yīng)用程序劃分為多個(gè)裝載區(qū)，并為每個(gè)裝載區(qū)留有足夠大的空間，為以后的升級(jí)、修改做準(zhǔn)備。這種做法大大減小了數(shù)據(jù)傳輸量，提高了軟件升級(jí)速度。

③ 小數(shù)據(jù)塊傳輸。由于系統(tǒng)采用錯(cuò)誤重傳機(jī)制，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，數(shù)據(jù)塊越大出現(xiàn)錯(cuò)誤的機(jī)率就越大;同時(shí)，由于數(shù)據(jù)塊大，傳輸一幀的速率較低，雖然接收到的數(shù)據(jù)幀較大，但由于錯(cuò)誤的機(jī)率和傳輸?shù)乃俾?，反而造成效率低下。采用小?shù)據(jù)塊傳輸，雖然一幀數(shù)據(jù)塊小，但彌補(bǔ)了上述不足。

(3) 遠(yuǎn)程通信的誤碼處理。程序代碼傳輸過程中，終端校驗(yàn)數(shù)據(jù)正確后存入SST39VF1601，檢驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)向服務(wù)器返回錯(cuò)誤的編碼和幀序號(hào)并請(qǐng)求重發(fā)，直到檢測(cè)到結(jié)束幀為止。服務(wù)器發(fā)送最后一幀時(shí)，如果該幀的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不夠，用00填充直到滿足協(xié)議中規(guī)定的長(zhǎng)度。對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸過程中產(chǎn)生的誤碼，系統(tǒng)采用最有效的解決辦法是CRC循環(huán)冗余效驗(yàn)和重傳機(jī)制。

(4) 相同的存儲(chǔ)區(qū)，不同的運(yùn)行區(qū)域。由于需要對(duì)Flash進(jìn)行編程，但是對(duì)Flash操作的代碼不能在Flash本身運(yùn)行，因此這部分代碼必須在內(nèi)部RAM中運(yùn)行?？梢酝ㄟ^分散加載文件設(shè)置函數(shù)的運(yùn)行空間。

(5) 用戶中斷。在系統(tǒng)中IAP程序燒寫在從0x00000000開始的兩個(gè)Flash扇區(qū)內(nèi)，而用戶程序則是存儲(chǔ)在從0x40004000開始的Flash空間中。如果用戶程序產(chǎn)生中斷，那么內(nèi)核會(huì)讀取到IAP的向量表，導(dǎo)致程序跑飛。解決辦法是，在跳轉(zhuǎn)到用戶程序之前，IAP程序把用戶程序的向量表拷貝到片內(nèi)RAM中，然后將RAM重映射到0x00000000地址，最后進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，這樣就可以保證0x00000000地址有用戶程序的向量表。

由于RAM的起始地址用來存放用戶程序的中斷向表，往其中寫入數(shù)據(jù)時(shí)，需保證這些向量表不被覆蓋，故IAP程序、用戶程序的RW base使用的是0x20000100[5]。

結(jié)語

本文利用arm微控制器和GPRS模塊，提出了一種解決無線監(jiān)控系統(tǒng)終端軟件升級(jí)和維護(hù)困難問題的方案。相信在未來通信方式更加先進(jìn)、微控制器性能更加優(yōu)越的基礎(chǔ)上，軟件無線升級(jí)技術(shù)的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。