陳洶，唐凱

（1.東南大學軟件學院，江蘇南京210096；2.國網(wǎng)電力科學研究院穩(wěn)定技術(shù)研究所，江蘇南京210003；3.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京210016）

電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制裝置的程序大部分都是根據(jù)各個客戶的不同要求而進行定制，這樣就存在程序要求不停更改的問題，那么程序更改的方便性就尤為重要。最老一代的穩(wěn)定控制裝置產(chǎn)品需要將只讀內(nèi)存（ROM）芯片取下來，利用專門的編程器來燒寫程序，那么現(xiàn)場人員要更改程序時必須攜帶一個專門的編程工具。隨著程序芯片的發(fā)展，原來的ROM芯片被Flash芯片所替代，同時程序的更改方法也發(fā)生了改變，此時大部分CPU都是利用國際標準測試協(xié)議（JTAG）口來燒寫程序，雖然不再需要將程序芯片取下，但是要專用的JTAG下載工具來下載程序。由于每一種CPU的JTAG下載工具不同，因此當裝置上采用不同的CPU時，現(xiàn)場服務人員需要攜帶不同的JTAG專用下載工具，而且如果工程人員沒有帶專用工具，更改程序就不可能進行。以上2種以前的程序改寫方案都存在著下載不方便，需要專用工具，以及專用工具價格不菲等問題?，F(xiàn)在很多的設備和儀器都采用系統(tǒng)可編程序（ISP）或在線可編程序（IAP）的程序更改方法，ISP和IAP方案都不需要將程序芯片脫離系統(tǒng)而且不需要專用的下載工具即可方便地下載程序到系統(tǒng)中。所以，在新一代的電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制裝置中,采用了支持IAP功能可以進行在線編程的ST公司的新一代ARM9系列中的STR912控制器和ATMEL公司ARM9系列中的AT91RM9200控制器。而且將單一CPU的IAP方案進行了改進，使整個裝置的所有不同型號不同廠家的CPU都通過一個標準以太網(wǎng)接口加載程序，如果現(xiàn)場需要的話，甚至可以遠程加載程序。這樣現(xiàn)場工程人員不需要任何的專業(yè)工具即可完成不同CPU的程序更改，不但降低了成本而且簡化了工作的復雜度。

1 ISP和IAP

1.1 ISP和IAP的工作原理

ISP的實現(xiàn)相對要簡單一些，一般通用做法是內(nèi)部的存儲器可以由上位機的軟件通過串口來進行改寫。對于單片機來講可以通過SPI或其他串行接口接收上位機傳來的數(shù)據(jù)并寫入存儲器中。所以，即使將芯片焊接在電路板上，只要留出和上位機接口的這個串口，就可以實現(xiàn)芯片內(nèi)部存儲器的改寫，而無須再取下芯片。

IAP的實現(xiàn)相對要復雜一些，在實現(xiàn)IAP功能時，單片機內(nèi)部一定要有2塊存儲區(qū)，一般一塊被稱為BOOT區(qū)，另外一塊被稱為存儲區(qū)。單片機上電運行在BOOT區(qū)，如果有外部改寫程序的條件滿足，則對存儲區(qū)的程序進行改寫操作。如果外部改寫程序的條件不滿足，程序指針跳到存儲區(qū)，開始執(zhí)行放在存儲區(qū)的程序，這樣便實現(xiàn)了IAP功能。

1.2 傳統(tǒng)編程方法的不足

在一般裝置的CPU更改程序時，編程器是必不可少的裝置。仿真、調(diào)試完的程序需要借助編程器燒到單片機內(nèi)部或外接的程序存儲器中。普通的編程器價格從幾百元到幾千元不等，對于一般的單片機用戶來說還是一筆不小的開支。另外，在開發(fā)過程中，程序每改動一次就要拔下電路板上的芯片編程后再插上，這樣不但麻煩也很容易對芯片和電路板造成損傷；在程序需要升級做改動時，必須將設備返廠或是技術(shù)人員到現(xiàn)場操作，既不方便也造成成本浪費，利用JAG接口除了不需要將程序芯片脫離電路板外，其他的問題全部存在。

1.3 ISP和IAP的優(yōu)點

ISP技術(shù)的優(yōu)勢是不需要編程器就可以進行程序更改，程序芯片可以直接焊接到電路板上，調(diào)試結(jié)束即成成品，免去了調(diào)試時由于頻繁地插入取出芯片對芯片和電路板帶來的不便。

IAP技術(shù)是從結(jié)構(gòu)上將Flash存儲器映射為2個存儲體，當運行一個存儲體上的用戶程序時，可對另一個存儲體重新編程，之后將程序從一個存儲體轉(zhuǎn)向另一個。

ISP的實現(xiàn)一般需要很少的外部電路輔助實現(xiàn)，而IAP的實現(xiàn)更加靈活，通過專門設計的固件程序來編程內(nèi)部存儲器，可通過現(xiàn)有的Internet或其他通信方式很方便地實現(xiàn)遠程升級和維護。

2 新一代多CPU穩(wěn)定控制裝置IAP系統(tǒng)設計

老的穩(wěn)定控制裝置更改程序存在以下幾個缺點。（1）編程工具不統(tǒng)一。每一個種類的CPU都需要一個專用編程工具，而這就限制裝置開發(fā)的時候必須盡量地選擇統(tǒng)一的CPU，而不能根據(jù)裝置的功能選取最適合的CPU。（2）接口不統(tǒng)一。每一種CPU的JTAG的接口協(xié)議都不相同，因此每個CPU都需要一個獨立的下載程序接口，那么裝置的所有具有CPU的模件都需要給出一個獨立的接口為下載程序使用。（3）必須重新開關(guān)電。因為每個下載程序的接口需要接專用的編程工具，而有些甚至需要更改硬件環(huán)境才能使用，所以裝置必須重新開關(guān)電才可以，而這一點在電力系統(tǒng)的保護類裝置上尤為重要，裝置的開關(guān)電過程需要嚴格的手續(xù)才能進行。ISP和IAP在其他裝置上的應用也有一個問題就是一個CPU要預留一個專門的ISP或IAP接口，同時舊有的裝置在CPU與CPU的通信上采用的都是并行總線的結(jié)構(gòu)，這種接口需要很多的硬件走線配合，比如一個16位數(shù)據(jù)寬度的總線最少需要35條以上的走線連接才能完成。這些問題在新一代的穩(wěn)定控制裝置得到了很好地解決。裝置本身具有以太網(wǎng)接口，如果有需要甚至可以遠程更新程序。

新一代的穩(wěn)定控制裝置采用了意法半導體公司的ARM9系列芯片中的STR912和ATMEL公司ARM9系列中的AT91RM9200。STR912控制器內(nèi)部具有2塊大小分別為512 KB和32 KB的閃存（Flash），每一塊Flash都可以單獨編程配置為引導區(qū)。程序可以從其中的一塊Flash中讀取數(shù)據(jù)，同時寫數(shù)據(jù)到另外一塊Flash中去，這樣就為IAP的使用創(chuàng)造了條件。而AT91RM9200控制器同樣可以使用IAP下載程序。裝置由4個CPU協(xié)同工作，4個CPU之間互相配合，完成各自的IAP功能。工作原理示意如圖1所示。

裝置由CPU1經(jīng)過一個標準的以太網(wǎng)接口和PC機相連，通過在PC機上開發(fā)的軟件來對裝置的所有CPU進行程序更新。裝置中的CPU1到CPU4的IAP過程全部都是由此接口實現(xiàn)，那么裝置的對外接口即可以統(tǒng)一，而且裝置內(nèi)部也不需要為IAP留下專用的接口，從而也減少了裝置的硬件開支。

圖1 工作原理示意

CPU1和CPU2之間通過全雙工的LVDS接口相連，CPU2和CPU3、CPU4之間通過SPI串行接口相連。裝置CPU與CPU之間摒棄了原先的并行總線的連接方案，使它們之間的互聯(lián)接線變得簡單，如CPU1和CPU2之間的LVDS接口只有4條連接線，而CPU2和CPU3或CPU4之間的SPI接口也同樣只有4條連接線，而且SPI接口就是直接2個CPU相連，連物理芯片都可以不要。這樣就降低了內(nèi)部通信故障的概率。同時，每個CPU之間的通信回路全部是兩回，互為熱備用，當有一路出現(xiàn)問題時，另外一路的數(shù)據(jù)備用，因此其可靠性也是并行總線的2倍。

速度方面以太網(wǎng)通信速度為10/100 Mbps，裝置中CPU1和CPU2之間的LVDS接口收發(fā)可以同時進行，單向速率最快可達32 Mbps；而CPU2和CPU3、CPU4之間SPI串行接口速率最大可以達到4 Mbps。裝置的速度瓶頸是4 Mbps，以此速度計算，每秒可以傳輸400 KB的程序代碼，一般情況下程序量不會超過256 KB，即正常的加載程序時間在1s內(nèi)即可完成，速度大大滿足使用要求。

IAP在電力系統(tǒng)的其他設備中早已得到了很多應用，但一直在保護類設備中沒有大范圍使用，原因就是擔心IAP方案的可靠性。在程序正常運行的情況下非法進入IAP程序會導致裝置的程序被非法更新，以至引起裝置的誤動或拒動，從而引發(fā)大事故。新一代的穩(wěn)定控制裝置為了防止這個問題的發(fā)生，對IAP程序的執(zhí)行除了軟件上的嚴格協(xié)議外，在硬件上還進行了特殊狀態(tài)的處理，如圖2所示，在每個CPU的外圍都有一個可編程的邏輯器件復雜可編程邏輯器件（CPLD）或現(xiàn)場可編程門列陣（FPGA），這個芯片上的2個管腳和CPU的2個IO接口相連，當要執(zhí)行IAP程序時，這2個管腳必須滿足一定的狀態(tài)，否則IAP過程無法進行，而這2個管腳不受CPU的控制，只有CPLD/FPGA接收到指定的通信命令后才會改變這2個管腳的狀態(tài)。因此，即使程序因為某種原因進入了非法狀態(tài)而進入了IAP程序的執(zhí)行過程，但因為外部的2個不受CPU控制的管腳狀態(tài)不滿足，所以不會執(zhí)行IAP程序。

圖2 裝置的特殊處理

3 穩(wěn)定控制裝置IAP軟件設計

裝置的IAP軟件根據(jù)不同的CPU，設計也相應不同，這里可區(qū)分為2類：CPU1和CPU2的IAP程序相同，它們除了自己的程序IAP外同時還要根據(jù)通信協(xié)議的內(nèi)容來相應地給它們下一級的CPU下發(fā)程序，配合下一級的IAP過程；CPU3和CPU4的IAP過程相同，只需要處理進入IAP狀態(tài)，執(zhí)行IAP程序即可。

IAP程序本身又可以分為2個部分，第一部分為IAP下載程序（如圖3所示），程序存在于BOOT Flash中。CPU上電或復位后進入BOOT區(qū)的Flash，如果不滿足IAP條件（程序和硬件），那么執(zhí)行重新映射Flash的指令然后跳轉(zhuǎn)進入工程程序區(qū)的Flash執(zhí)行；若CPU在上電或復位后監(jiān)測到了通信口有IAP下載指令同時2個指定的IO口狀態(tài)為IAP使能，那么就會進入IAP下載程序過程，當程序下載結(jié)束后CPLD/FPGA也會根據(jù)通信指令改變2個IO管腳狀態(tài)為IAP禁止，而CPU也會執(zhí)行重映射Flash的指令然后跳轉(zhuǎn)進入工程程序區(qū)執(zhí)行新的工程程序。第二部分為IAP引導程序（如圖4所示），這段程序在工程程序代碼中執(zhí)行，也就是在工程程序Flash區(qū)執(zhí)行。當正常的工程程序執(zhí)行時，IAP引導程序監(jiān)測通信口是否有IAP下載指令，如果有IAP下載指令，就直接向CPLD/FPGA發(fā)送復位指令，使CPU重新復位進入BOOT區(qū)Flash中執(zhí)行IAP下載程序。如果是CPU1和CPU2，因為可能不是自己需要IAP而是下一級需要IAP，所以對于CPU1和CPU2還可能是執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)指令而不是執(zhí)行IAP過程。

圖3 IAP下載程序

圖4 IAP引導程序

4 結(jié)束語

IAP加載程序的方法不需要專用工具，甚至可以通過網(wǎng)絡遠程更新程序，它將是以后設備、儀表等裝置更新程序的最常用方法，文中把此方法利用到了新一代多CPU的電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制裝置中，同時解決了多CPU統(tǒng)一IAP和IAP方案加載不可靠的問題。

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