馬喜強，劉維亞 ，鄭喜鳳

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，長春130033;2.中國科學(xué)院研究生院，北京100039)

現(xiàn)代商業(yè)及工業(yè)嵌入式電力電子產(chǎn)品出于美觀、安全和可維護性方面的考慮，對系統(tǒng)維護的時效性和便攜性要求越來越高?；贒SP 開發(fā)的野外及外場數(shù)字設(shè)備程序維護困難，已安裝的設(shè)備若用戶提出新需求，需要對內(nèi)部程序進行脫機更新［1］。

針對DSP 在線編程問題，張謙等提出的基于硬件標志位控制的方法，編寫了文件轉(zhuǎn)換工具，實現(xiàn)了DSP 在兩套程序之間的選擇加載，避免了對FLASH的反復(fù)燒寫［2］;王宏義等提出了基于PCI 總線使用單個FLASH 存儲器同時實現(xiàn)DSP 引導(dǎo)加載和FPGA 配置的方法［3］;劉鐵提出的基于CAN 總線程序在線升級的方法，使DSP 代碼的更新可以脫離仿真器，大大提高了DSP 系統(tǒng)程序升級的效率［4］;沈軍等提出了基于RS422 串行通信遠程更新DSP 程序的方法，在系統(tǒng)不掉電的情況下實現(xiàn)了DSP 程序的遠程更新與自啟動［5］;陶維青等提出了基于TMS320F2812 DSP的軟件更新方法［6］，但通過串口實現(xiàn)的4 kbyte/min的更新速度顯然不能滿足野外系統(tǒng)的要求。以上方法都具有一定的局限性:通信方式單一，不能滿足野外數(shù)字設(shè)備復(fù)雜性及多變性的要求。

針對上述問題，本文提出了一種基于多通信方式的DSP 程序更新方法，介紹了方案的實現(xiàn)要點，本方法已經(jīng)成功應(yīng)用于某型數(shù)字測風(fēng)經(jīng)緯儀系統(tǒng)中。

1 實現(xiàn)原理

系統(tǒng)的MCU 選用的是TI 公司的TMS320C6747(以下簡稱C6747)，C6747 是業(yè)界功耗最低的浮點DSP，C6747 自帶USB、串口、網(wǎng)絡(luò)和CAN 總線等接口，無需外擴芯片。第一次更新程序時，需要使用仿真器將目標程序更新至FLASH 分區(qū)1 中，此時系統(tǒng)即可運行。系統(tǒng)需要更新程序時，系統(tǒng)首先響應(yīng)中斷并讀取多通信模塊信息，然后等待用戶按鍵選擇需要更新的程序，接著從相應(yīng)通信設(shè)備中讀入目標程序及其大小數(shù)值，放到內(nèi)部RAM 緩存中，然后系統(tǒng)判斷當(dāng)前程序的入口地址，如為FLASH 分區(qū)1，則把目標程序更新至FLASH 分區(qū)2 中，并把程序的入口地址設(shè)置為FLASH 分區(qū)2;反之則對FALSH 分區(qū)1 采取相同操作。系統(tǒng)通信設(shè)備的信息讀取由多通信模塊完成。這樣就實現(xiàn)了程序更新并且保存了更新前的原程序。系統(tǒng)程序在線編程的軟件流程圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)程序在線編程的軟件流程圖

2 多通信方式模塊設(shè)計

目前工業(yè)界通信協(xié)議具有復(fù)雜性和多樣性的特點，傳統(tǒng)的多種通信功能的實現(xiàn)僅僅致力于通信方式接口的開發(fā)與實現(xiàn)［7－10］，可移植性差，并且遠遠不能滿足復(fù)雜環(huán)境下的需求。本文多通信模塊的設(shè)計思想:將數(shù)據(jù)收發(fā)的過程與數(shù)據(jù)內(nèi)部表示的信息分離。數(shù)據(jù)收發(fā)由抽象的收發(fā)器接口表示，在硬件中具體實現(xiàn)，比如基本TCP/IP、無線網(wǎng)絡(luò)接口、RS232，485 接口等。協(xié)議也具備可擴展性。協(xié)議的可擴展性由專門的協(xié)議管理層實現(xiàn)，管理層具有協(xié)議注冊和匹配功能。協(xié)議層由一組平等的協(xié)議集合構(gòu)成。當(dāng)需要添加新協(xié)議時，在協(xié)議層實現(xiàn)協(xié)議并向協(xié)議管理層注冊。

基于模塊化設(shè)計方法，提出了可擴展多通信方式模塊如圖2 所示。本模塊主要由五個部分組成，協(xié)議層、協(xié)議管理層、數(shù)據(jù)收發(fā)層、傳輸層和接口層，同時具備有線、無線多種通信能力，可以根據(jù)具體環(huán)境靈活選擇。使用可擴展通信協(xié)議棧，支持對通信接口和通信協(xié)議的擴展。下面分別對各個層進行介紹。

圖2 可擴展多通信方式模塊圖

接口層和傳輸層主要對應(yīng)于硬件設(shè)備，每種接口對應(yīng)于某類傳輸層，如RS232、RS422、RS485 均屬于串口傳輸層。數(shù)據(jù)收發(fā)層主要負責(zé)底層設(shè)備的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，采用數(shù)據(jù)統(tǒng)一收發(fā)的協(xié)議方式，可以有效地實現(xiàn)應(yīng)用程序與底層接口驅(qū)動的隔離。協(xié)議管理層主要負責(zé)協(xié)議的匹配，并對已收到和待發(fā)送的指令幀的指令類型、目的地址和包數(shù)據(jù)幀數(shù)進行解析。協(xié)議層主要負責(zé)數(shù)據(jù)幀和應(yīng)答幀的分類處理和編制。軟件流程圖如圖3 所示。

圖3 通信模塊軟件流程圖

3 基于DSP/BIOS 實現(xiàn)DSP 程序更新

DSP/BIOS 是一個用戶可剪裁的實時操作系統(tǒng)，主要由三部分組成:多線程實時內(nèi)核、實時分析工具、芯片支持庫。利用DSP/BIOS，可以方便快速的開發(fā)復(fù)雜的DSP 程序［11］。多線程實時內(nèi)核調(diào)度多線程的運行，將定制的系統(tǒng)算法作為一個嵌入系統(tǒng)線程。DSP/BIOS 以模塊化方式提供給用戶對線程、中斷、定時器、內(nèi)存資源、所有外設(shè)資源的管理能力都可以根據(jù)需要剪裁［12］。實際應(yīng)用時把相應(yīng)的算法作為一個線程插入DSP/BIOS 的調(diào)度隊列，由DSP/BIOS 進行調(diào)度。本設(shè)計是基于DSP/BIOS RTFS(The DSP/BIOS Real－Time File System)開發(fā)實現(xiàn)的。

3.1 編譯環(huán)境的搭建

為了能夠使用RTFS API 函數(shù)，應(yīng)首先向目標工程中加入環(huán)境變量，主要需要修改兩部分內(nèi)容:Project－Build 和Options－Compiler。修 改 方 法 參 見RTFS 相關(guān)文檔。然后需要編寫DSP/BIOS 配置文件，配置文件的關(guān)鍵配置程序為:bios.ECM.ENABLE=1;bios.GBL.C64PLUSMAR128to159=0x0000ffff。

3.2 AIS 文件及解析

CCS 編譯生成的* .Out 需要通過AISgen 軟件轉(zhuǎn)化為* . AIS 文件才能為DSP 所識別，AISgen for D800K003 軟件在產(chǎn)生AIS 文件時需要根據(jù)需要對時鐘管理器、EMIFB 管理器、系統(tǒng)上電管理器以及引腳復(fù)用管理器進行配置，具體配置方法如圖4 所示。

圖4 AIS 文件生成配置圖

AIS 文件生成后需要對其進行解析和修改以確定上電boot 后對加載程序分區(qū)定位，AIS 文件是一個二進制文件，其基本架構(gòu)為:4 字節(jié)命令頭+命令+……+結(jié)束跳轉(zhuǎn)指令。對AIS 文件的修改主要包含對段連接命令地址內(nèi)容和跳轉(zhuǎn)結(jié)束命令地址內(nèi)容的修改。段連接命令的作用是段入口點的指定，其形式為:0x58535901+段連接地址+段大小+段數(shù)據(jù)。在AIS 文件中找到0x58535901，修改其后面的段連接地址為程序在FLASH 中的存放地址。跳轉(zhuǎn)結(jié)束命令的作用是AIS 文件結(jié)束的標志并跳轉(zhuǎn)到用戶應(yīng)用程序(此處為已更新程序的地址)，其形式為:0x58535906+跳轉(zhuǎn)地址。修改其跳轉(zhuǎn)地址為已更新程序的存放地址。至此AIS 文件修改完畢。

3.3 EDMA 方式實現(xiàn)程序更新

本設(shè)計程序更新方式在程序更新過程中采用雙緩沖方式處理數(shù)據(jù)，在對程序數(shù)據(jù)進行搬移時，由EDMA方式控制時序，不占用CPU 資源，實現(xiàn)無開銷地交換內(nèi)外存數(shù)據(jù)，從而減輕了CPU 的運行負擔(dān)，增加了程序的并行性，從而實現(xiàn)程序數(shù)據(jù)傳輸和FLASH 寫入處理的同步進行，提高效率并且使系統(tǒng)可以處理流水式輸入的目標程序數(shù)據(jù)。其具體實現(xiàn)流程如下:

(1)在內(nèi)存中設(shè)置雙緩沖區(qū)，分別為A 和B;

(2)將一幀目標程序數(shù)據(jù)(大小為1 kbyte)從通信模塊中搬到緩沖區(qū)A;

(3)對緩沖區(qū)A 中的數(shù)據(jù)進行FLASH 寫入的同時，將后續(xù)的一幀數(shù)據(jù)從通信模塊中搬到緩沖區(qū)B;

(4)將緩沖區(qū)B 中的數(shù)據(jù)寫入FLASH 的同時，將后續(xù)的一幀數(shù)據(jù)從通信模塊中搬到緩沖區(qū)A。

如此循環(huán)進行，可以使數(shù)據(jù)的搬移與處理實現(xiàn)并行，極大地提高程序更新的執(zhí)行效率。

4 應(yīng)用實例

數(shù)字測風(fēng)經(jīng)緯儀系統(tǒng)主要由3 部分組成:數(shù)字測風(fēng)經(jīng)緯儀、計算機計算平臺和手持計算器。在使用時，氣象員通過經(jīng)緯儀的光學(xué)望遠鏡跟蹤測風(fēng)氣球，測風(fēng)經(jīng)緯儀使用光電碼盤自動記錄時間、仰角、方位角信息，然后把測風(fēng)數(shù)據(jù)傳送給計算機平臺或手持計算器，計算機或手持計算器便計算出各種氣象通報。測風(fēng)經(jīng)緯儀的某些參數(shù)會隨時間而改變，高空風(fēng)計算模型種類繁多，每種模型計算非常復(fù)雜，需要定時標定和驗證，及時修改某些參數(shù)。升級程序時，用戶借助計算機終端通過CAN 總線、485 總線或者網(wǎng)絡(luò)遠程向經(jīng)緯儀發(fā)送代碼數(shù)據(jù)(需要編寫上位機在線升級模塊)，也可以現(xiàn)場直接使用U 盤更新程序，即可完成測風(fēng)經(jīng)緯儀的程序升級工作。該程序功能穩(wěn)定可靠，對幾種高空風(fēng)計算模型的程序更新測試結(jié)果如表1 所示。

表1 3 種方法程序更新效率比較

5 結(jié)論

本文針對現(xiàn)有單通信方式程序更新的不足，提出了基于可擴展多通信方式的DSP 程序在線編程方法，該方法將數(shù)據(jù)收發(fā)的過程與數(shù)據(jù)內(nèi)部表示的信息分離，同時具備有線、無線多種通信能力，可以根據(jù)具體環(huán)境靈活選擇，并支持對通信接口和通信協(xié)議的擴展。本文還對DSP6747 可執(zhí)行AIS 文件進行了深入的分析，提出了EDMA 方式實現(xiàn)程更新。實踐表明，本方法具有更好的可擴展性和可維護性，使DSP 在線編程脫離仿真器，能夠適用于更廣泛的應(yīng)用場合。

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