王建斌，江冰

（河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州 213022）

基于CAN總線節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程在線升級系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王建斌，江冰

（河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州 213022）

針對特種纖維檢測控制系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)軟件升級困難的問題，設(shè)計(jì)了基于CAN總線應(yīng)用層協(xié)議的一種遠(yuǎn)程在線升級系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了單節(jié)點(diǎn)、多節(jié)點(diǎn)同時(shí)在線升級。通過實(shí)際運(yùn)行分析，該系統(tǒng)具有可靠性高、升級操作簡便、系統(tǒng)穩(wěn)定的特點(diǎn)，對一般工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)升級具有參考意義。

在線升級；CAN總線；應(yīng)用層協(xié)議；IAP；LPC4357；Cortex-M4

引 言

特種纖維檢測控制系統(tǒng)是對生產(chǎn)線上產(chǎn)出的纖維產(chǎn)品各種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和設(shè)備的控制裝置。系統(tǒng)由多個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)組成，通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)匯總到主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析后輸出相應(yīng)的控制信號，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)線設(shè)備的實(shí)時(shí)調(diào)整和控制。傳統(tǒng)情況下，如果需要針對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行軟件升級更新，就需要專業(yè)技術(shù)人員到生產(chǎn)現(xiàn)場，通過專用的下載設(shè)備進(jìn)行程序燒錄更新，使系統(tǒng)維護(hù)成本大幅提高，降低了生產(chǎn)效率。因此，結(jié)合特種纖維檢測控制系統(tǒng)現(xiàn)有的CAN總線網(wǎng)絡(luò)，并利用節(jié)點(diǎn)微控制器的IAP功能，設(shè)計(jì)一個(gè)節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程在線升級系統(tǒng)十分有必要。

本文在實(shí)現(xiàn)CAN總線報(bào)文數(shù)據(jù)收發(fā)的基礎(chǔ)上，參考TCP/IP協(xié)議中的TFTP協(xié)議規(guī)范，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單實(shí)用的系統(tǒng)在線升級應(yīng)用層協(xié)議，并結(jié)合微控制器的IAP功能，實(shí)現(xiàn)待升級節(jié)點(diǎn)軟件升級的目的。

1 lAP技術(shù)及升級系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 lAP技術(shù)及其編程實(shí)現(xiàn)

IAP（In Application Programming，在應(yīng)用中編程）是指用戶在運(yùn)行應(yīng)用程序過程中通過程序控制實(shí)現(xiàn)對片上Flash存儲器的擦除和讀/寫等操作。IAP技術(shù)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在線升級的必要前提，本系統(tǒng)中待升級節(jié)點(diǎn)采用NXP公司的基于Cortex-M4內(nèi)核的微控制器LPC4357。該芯片集成了功能強(qiáng)大的IAP技術(shù)，可以單次最多向目標(biāo)Flash中寫入4KB數(shù)據(jù)。

IAP的功能函數(shù)被固化在ROM的Boot中。以LPC4357為例，ROM的地址0x1040 0100作為指針指向IAP功能函數(shù)入口地址IAP＿entry，因此當(dāng)使用C語言編寫調(diào)用函數(shù)時(shí)，首先定義IAP入口地址。在進(jìn)行IAP函數(shù)調(diào)用時(shí)，通過寄存器R0作為指針來傳遞命令代碼和參數(shù)。IAP命令的返回結(jié)果通過寄存器R1作為指針來傳遞。

實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)軟件升級的關(guān)鍵一步就是將CAN總線接收的代碼數(shù)據(jù)通過IAP編程到指定的片上Flash的扇區(qū)。IAP通過以下幾個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)編程操作：IAP初始化、準(zhǔn)備扇區(qū)、擦除扇區(qū)、準(zhǔn)備扇區(qū)、編程扇區(qū)和數(shù)據(jù)校驗(yàn)。

1.2 在線升級系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由檢測節(jié)點(diǎn)、CAN總線網(wǎng)絡(luò)和升級服務(wù)器組成。其中檢測節(jié)點(diǎn)和CAN總線網(wǎng)絡(luò)是特種纖維檢測控制系統(tǒng)的組成部分，因此，只要將升級服務(wù)器接入CAN總線網(wǎng)絡(luò)，就可以搭建在線升級系統(tǒng)的硬件平臺。升級系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)在線升級系統(tǒng)框圖

升級系統(tǒng)的軟件由節(jié)點(diǎn)端軟件和服務(wù)器端軟件組成，節(jié)點(diǎn)端和服務(wù)器端通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)CAN應(yīng)用層協(xié)議。本文通過分析TCP/IP協(xié)議中的TFTP協(xié)議規(guī)范，設(shè)計(jì)了一款簡單實(shí)用而且適用于CAN總線網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)升級協(xié)議。升級系統(tǒng)協(xié)議分層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 升級系統(tǒng)協(xié)議分層結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)升級協(xié)議設(shè)計(jì)

2.1 TFTP協(xié)議及文件傳輸基本流程

TFTP（Trivial File Transfer Protocol，簡單文件傳輸協(xié)議）是TCP/IP協(xié)議族中的應(yīng)用層協(xié)議，基于UDP傳輸協(xié)議。最初用來引導(dǎo)無盤系統(tǒng)，主要用于傳輸小文件。TFTP協(xié)議報(bào)文分為：讀/寫請求報(bào)文、數(shù)據(jù)包報(bào)文、確認(rèn)信息報(bào)文以及差錯(cuò)報(bào)文。TFTP報(bào)文格式如圖3所示。

TFTP客戶端首先向服務(wù)器的端口69發(fā)送文件下載/上傳請求，請求的相應(yīng)報(bào)文格式如圖3（a）所示。服務(wù)器接收請求后打開一個(gè)新的端口與客戶端進(jìn)行通信，服務(wù)器端口69則繼續(xù)等待其他客戶端的請求，從而實(shí)現(xiàn)同時(shí)響應(yīng)多個(gè)客戶端的文件傳輸請求。當(dāng)客戶端發(fā)送的文件下載請求得到服務(wù)器ACK確認(rèn)后，開始發(fā)送編號為1的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的報(bào)文格式如圖3（b）所示。每個(gè)數(shù)據(jù)包的大小為固定的512字節(jié)，服務(wù)器每次發(fā)送數(shù)據(jù)包之前都必須得到客戶端的ACK確認(rèn)。當(dāng)客戶端接收到小于固定字節(jié)的數(shù)據(jù)包時(shí)，則認(rèn)為文件傳輸結(jié)束。

TFTP協(xié)議也提供了相應(yīng)的錯(cuò)誤處理機(jī)制。服務(wù)器端和客戶端都可實(shí)現(xiàn)超時(shí)重傳，只要有一端出現(xiàn)超時(shí)，就將重傳丟失的報(bào)文，從而有效的提高文件傳輸?shù)恼_率。在傳輸過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，服務(wù)器端向客戶端發(fā)送差錯(cuò)報(bào)文。

圖3 TFTP報(bào)文格式

2.2 系統(tǒng)升級協(xié)議的報(bào)文格式

CAN總線協(xié)議定義了5種類型的幀：數(shù)據(jù)幀、遙控幀、錯(cuò)誤幀、過載幀、間隔幀。其中，數(shù)據(jù)幀用于發(fā)送單元向接收單元傳送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)幀格式分為標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式，兩者區(qū)別在于標(biāo)識符分別占11位和29位，這里僅使用標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)幀作為節(jié)點(diǎn)和升級服務(wù)器通信的基本單位。

由于一個(gè)數(shù)據(jù)幀最多只能攜帶8字節(jié)數(shù)據(jù)，而在一般文件傳輸應(yīng)用中數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)塊的形式進(jìn)行傳輸，因此在文件傳輸時(shí)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)拆分、重組的操作。在應(yīng)用層的數(shù)據(jù)報(bào)文中對這一操作進(jìn)行屏蔽，具體操作通過底層協(xié)議實(shí)現(xiàn)，因此這里僅需關(guān)心數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)段。升級協(xié)議的報(bào)文分為：升級命令、數(shù)據(jù)包、確認(rèn)信息、錯(cuò)誤信息，相應(yīng)的報(bào)文格式如圖4所示。

升級命令由升級服務(wù)器發(fā)出，ID號用于確認(rèn)待升級節(jié)點(diǎn)，升級模式分為單節(jié)點(diǎn)升級模式和多節(jié)點(diǎn)同時(shí)升級模式。數(shù)據(jù)包用于服務(wù)器向節(jié)點(diǎn)傳輸升級所需的二進(jìn)制文件，每個(gè)數(shù)據(jù)包攜帶固定的1024字節(jié)數(shù)據(jù)，這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)利用IAP技術(shù)進(jìn)行軟件升級時(shí)，每次對片上Flash編程的字節(jié)數(shù)是固定的，可選512字節(jié)、1024字節(jié)、4096字節(jié)3個(gè)選項(xiàng)，這里選用1024字節(jié)。確認(rèn)信息和錯(cuò)誤信息參考TFTP協(xié)議的相應(yīng)報(bào)文格式。

圖4 升級協(xié)議報(bào)文格式

2.3 系統(tǒng)升級協(xié)議及文件傳輸流程

系統(tǒng)升級命令由升級服務(wù)器發(fā)出，節(jié)點(diǎn)在接收到升級命令后通過校驗(yàn)ID號判斷升級模式，進(jìn)入相應(yīng)的升級狀態(tài)，并向服務(wù)器發(fā)送確認(rèn)信息ACK。升級服務(wù)器接收到ACK確認(rèn)后，開始發(fā)送編號為1的數(shù)據(jù)包，節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包就立即將1024字節(jié)數(shù)據(jù)編程到片內(nèi)Flash中，編程成功后返回ACK 1，以此類推。如果最后一個(gè)數(shù)據(jù)包N的數(shù)據(jù)長度小于1024字節(jié)，則自動向數(shù)據(jù)包添加0，使數(shù)據(jù)包長度正好為1024字節(jié)。

升級服務(wù)器接收到節(jié)點(diǎn)確認(rèn)信息ACK N，表明節(jié)點(diǎn)升級完成。這里，節(jié)點(diǎn)端采用邊接收邊升級的方案。如果將升級文件全部接收后再進(jìn)行升級，則需要大量的RAM空間，一旦升級文件過大，節(jié)點(diǎn)升級就會失敗。系統(tǒng)升級流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)升級流程

2.4 系統(tǒng)升級中的錯(cuò)誤處理

在系統(tǒng)升級過程中，可能會出現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)包丟失、連接中斷的情況。當(dāng)服務(wù)器端發(fā)送的數(shù)據(jù)包丟失或節(jié)點(diǎn)端接收該數(shù)據(jù)包失敗時(shí)，節(jié)點(diǎn)端向服務(wù)器端發(fā)送錯(cuò)誤信息。服務(wù)器端接收錯(cuò)誤信息，根據(jù)錯(cuò)誤內(nèi)容判斷是否需要重新發(fā)送數(shù)據(jù)包。如果服務(wù)器端在一定時(shí)間內(nèi)沒有接收到節(jié)點(diǎn)端的確認(rèn)信息或錯(cuò)誤信息，則認(rèn)為系統(tǒng)升級失敗，服務(wù)器端會向節(jié)點(diǎn)端發(fā)送升級失敗的錯(cuò)誤信息ERROR，節(jié)點(diǎn)端接收該信息后進(jìn)入升級失敗狀態(tài)。

3 節(jié)點(diǎn)端軟件升級協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

檢測節(jié)點(diǎn)采用NXP公司的基于Cortex-M4內(nèi)核的微控制器LPC4357作為數(shù)據(jù)采集和控制核心，片上集成了1MB的Flash，分為Bank A和Bank B兩個(gè)存儲體，每個(gè)存儲體各占512KB。

節(jié)點(diǎn)程序分為兩部分：Bootloader升級程序和APP應(yīng)用程序。APP應(yīng)用程序分為兩個(gè)區(qū)：默認(rèn)應(yīng)用程序區(qū)和升級應(yīng)用程序區(qū)。片上Flash功能分區(qū)如圖6所示。

圖6 片上Flash功能分區(qū)

Bootloader升級程序燒錄在片上Flash的Bank A扇區(qū)0處，占用8KB空間。系統(tǒng)啟動時(shí)，最先執(zhí)行該處程序，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作，包括CAN總線接口初始化、IAP初始化、讀器件ID號等。初始化完成后，進(jìn)入等待升級狀態(tài)。在該狀態(tài)下，如果接收到升級服務(wù)器發(fā)送的升級命令，則進(jìn)入升級狀態(tài)。系統(tǒng)升級成功后進(jìn)入待跳轉(zhuǎn)狀態(tài)，最后系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)到升級后的應(yīng)用程序區(qū)。節(jié)點(diǎn)升級狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖7所示。

當(dāng)Bootloader初始化完成且等待升級命令超時(shí)后，系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)到APP應(yīng)用程序的默認(rèn)應(yīng)用程序區(qū)，開始執(zhí)行節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序。應(yīng)用程序除了完成數(shù)據(jù)采集和CAN總線數(shù)據(jù)傳輸功能，還能在接收到升級服務(wù)器的升級命令時(shí)，中止系統(tǒng)運(yùn)行并跳至Bootloader區(qū)，進(jìn)入系統(tǒng)升級狀態(tài)。

圖7 節(jié)點(diǎn)升級狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

由于系統(tǒng)啟動時(shí)不是直接開始執(zhí)行APP應(yīng)用程序，而是從Bootloader程序跳轉(zhuǎn)進(jìn)入該處程序，因此，在APP應(yīng)用程序初始化之前必須將中斷向量表重映射，防止APP應(yīng)用程序發(fā)生中斷時(shí)進(jìn)入Bootloader程序的中斷函數(shù)。

當(dāng)升級失敗時(shí)跳轉(zhuǎn)到默認(rèn)應(yīng)用程序區(qū)，使系統(tǒng)在升級出錯(cuò)時(shí)依然能夠正常運(yùn)行。系統(tǒng)升級時(shí)，對升級應(yīng)用程序區(qū)進(jìn)行擦除、編程操作，升級成功后進(jìn)入該程序區(qū)執(zhí)行升級后的應(yīng)用程序。Bootloader程序的待跳轉(zhuǎn)狀態(tài)根據(jù)等待超時(shí)、升級狀態(tài)分別進(jìn)入默認(rèn)應(yīng)用程序區(qū)或升級應(yīng)用程序區(qū)。

4 升級服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)

升級服務(wù)器是普通PC機(jī)，通過USB-CAN接口卡實(shí)現(xiàn)與CAN總線的連接。因此，升級服務(wù)器首先初始化并配置USB-CAN接口卡，通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：

①打開USB-CAN接口卡對應(yīng)的COM口。

②配置相應(yīng)COM口波特率、校驗(yàn)位等參數(shù)。

③通過向COM口發(fā)送配置信息，對USB-CAN接口卡進(jìn)行參數(shù)配置。

其中，應(yīng)設(shè)置USB-CAN接口卡波特率與外部CAN總線網(wǎng)絡(luò)的波特率相匹配；接著，升級服務(wù)器將對升級程序的二進(jìn)制文件進(jìn)行操作，該二進(jìn)制文件在編譯器對節(jié)點(diǎn)升級程序進(jìn)行編譯時(shí)生成，也可通過對生成的HEX文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到。首先，升級服務(wù)器獲取文件大小N KB，將該數(shù)值N傳遞給升級命令，節(jié)點(diǎn)端接收升級命令的同時(shí)可獲取文件大小，從而確定IAP編程次數(shù)；然后，升級服務(wù)器將該二進(jìn)制文件讀入內(nèi)存中，在升級開始后，根據(jù)升級協(xié)議的相關(guān)格式將數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝并發(fā)送到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)端。

升級服務(wù)器也可根據(jù)需要選擇不同的升級模式?？晒┻x擇的升級模式有：單節(jié)點(diǎn)升級模式和多節(jié)點(diǎn)同時(shí)升級模式。單節(jié)點(diǎn)和多節(jié)點(diǎn)同時(shí)升級的區(qū)別在于，多節(jié)點(diǎn)升級利用了CAN總線節(jié)點(diǎn)可接收廣播數(shù)據(jù)的特性，通過配置USB-CAN接口卡的ID過濾器，升級服務(wù)器可接收相應(yīng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的確認(rèn)信息，實(shí)現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)升級的操作。升級服務(wù)器的軟件界面如圖8所示。

圖8 CAN總線節(jié)點(diǎn)升級服務(wù)器軟件界面

結(jié) 語

本文結(jié)合特種纖維檢測控制系統(tǒng)現(xiàn)有的CAN總線網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)的IAP功能，設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)在線升級系統(tǒng)。參考TFTP協(xié)議，設(shè)計(jì)了一種適用于CAN總線網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)升級協(xié)議。通過將節(jié)點(diǎn)端的片上Flash進(jìn)行功能分區(qū)，實(shí)現(xiàn)了在升級出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)維持節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，服務(wù)器端選擇相應(yīng)升級模式，提高了升級效率。系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，升級操作簡單高效，節(jié)點(diǎn)在升級后運(yùn)行穩(wěn)定，系統(tǒng)性能良好。CAN總線網(wǎng)絡(luò)和智能節(jié)點(diǎn)廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制等領(lǐng)域，該系統(tǒng)為節(jié)點(diǎn)升級的實(shí)際需求提供了一種可行的解決方案。

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王建斌（碩士研究生），研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)應(yīng)用；江冰（教授），研究領(lǐng)域?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)。

Remote Online Upgrade System Based on CAN Bus Node

Wang Jianbin，Jiang Bing
（College of Internet of Things Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China）

Aiming at the nodes software upgrading difficulty of special fiber detection and control system，a remote online upgrade system based on CAN bus application layer protocol is designed.The single node upgrade mode and multi-nodes upgrade mode are achieved.Experimental results indicate that the system is high reliable，convenient to operate and stable，and the system has

ignificance for the node upgrading in general industrial network.

online upgrade；CAN bus；application layer protocol；IAP；LPC4357；Cortex-M4

TP399

A

??薛士然

2015-02-06）