張思聰+胡社教

摘 要：隨著嵌入式設(shè)備的廣泛應(yīng)用，對(duì)嵌入式設(shè)備程序升級(jí)的要求也越來(lái)越高。在探討應(yīng)用編程（IAP）原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種基于STM32的充電樁系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級(jí)方案。系統(tǒng)闡述了在應(yīng)用中編程的技術(shù)原理以及升級(jí)流程，并通過(guò)TFTP方案實(shí)現(xiàn)了充電樁固件遠(yuǎn)程升級(jí)。實(shí)際應(yīng)用表明，該方案具有較高的應(yīng)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：STM32；Flash；在應(yīng)用中編程（IAP）；遠(yuǎn)程升級(jí)；充電樁

DOIDOI：10.11907/rjdk.162697

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2017）007-0077-04

0 引言

隨著新能源電動(dòng)汽車(chē)的推廣與普及，電動(dòng)汽車(chē)配套設(shè)施充電樁正在蓬勃發(fā)展。當(dāng)前充電樁的布設(shè)往往采取建立充電站的形式，各充電站之間距離遠(yuǎn)，充電樁數(shù)量多。充電樁設(shè)備投入使用后，由于程序本身的漏洞或者用戶(hù)新的需求，需要對(duì)樁程序進(jìn)行升級(jí)。傳統(tǒng)的升級(jí)方法是相關(guān)技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)用代碼燒寫(xiě)工具對(duì)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)，工作量大，升級(jí)過(guò)程復(fù)雜。本文提出的基于STM32的充電樁遠(yuǎn)程升級(jí)方案，可以讓用戶(hù)通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)充電樁系統(tǒng)程序的實(shí)時(shí)更新，提高充電樁系統(tǒng)的可拓展性和可維護(hù)性。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 STM32存儲(chǔ)原理

STM32是一種32位微處理器[1]，共有4GB線(xiàn)性地址空間，分為8個(gè)存儲(chǔ)塊，每個(gè)存儲(chǔ)塊512MB。第一塊為代碼區(qū)，用來(lái)存儲(chǔ)程序的代碼文件以及常量，主要分為嵌入式閃存、系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)、選項(xiàng)字節(jié)等。第二塊內(nèi)部包含嵌入式SRAM區(qū)等，程序的變量以及堆棧存儲(chǔ)在這一塊。不同型號(hào)的STM32芯片，閃存存儲(chǔ)器（Flash）容量也不同[2]，最小的只有16K字節(jié)，最多的能達(dá)到1 024K字節(jié)[3]。本方案采用的STM32F207微控制器具有1 024K的Flash，起始地址為0x80000000，終止地址為0x080FFFFF，總共分為12個(gè)扇區(qū)，其中0～3號(hào)扇區(qū)大小為16K，4號(hào)扇區(qū)大小為64K，5～11號(hào)扇區(qū)大小為128K，F(xiàn)lash模塊組織如表1所示。

1.2 IAP原理

IAP（In-Application Programming）是指在用戶(hù)程序運(yùn)行過(guò)程中對(duì)其Flash區(qū)域進(jìn)行程序燒寫(xiě)[4]，燒寫(xiě)完成后，運(yùn)行新的程序，完成升級(jí)。要實(shí)現(xiàn)IAP功能，需要將項(xiàng)目代碼分成兩部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。第一部分稱(chēng)為裝載區(qū)，即Bootload區(qū)，這一區(qū)域程序主要用來(lái)判斷設(shè)備是否需要進(jìn)行用戶(hù)程序升級(jí)并進(jìn)行相應(yīng)的跳轉(zhuǎn)，裝載區(qū)代碼必須從Flash首地址開(kāi)始燒寫(xiě)。第二部分稱(chēng)為用戶(hù)區(qū)，即App區(qū)，這一區(qū)域用來(lái)存放真正的功能代碼。兩部分代碼分別存儲(chǔ)在Flash的不同地址上，設(shè)備上電以后系統(tǒng)首先執(zhí)行裝載區(qū)程序，并根據(jù)是否需要升級(jí)跳轉(zhuǎn)執(zhí)行升級(jí)代碼或者用戶(hù)代碼。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以設(shè)計(jì)多個(gè)App區(qū)，以防止在升級(jí)失敗時(shí)系統(tǒng)可以運(yùn)行之前的程序。

2 IAP的實(shí)現(xiàn)

2.1 裝載程序

裝載程序是IAP實(shí)現(xiàn)過(guò)程中最重要的一步，在進(jìn)行裝載程序設(shè)計(jì)時(shí)，需要保證邏輯清晰、代碼簡(jiǎn)明。當(dāng)設(shè)備上電開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)從Flash的首地址即0x8000000開(kāi)始執(zhí)行裝載程序。首先完成的是STM32的初始化工作，包括堆棧和內(nèi)核的初始化。接著讀取存儲(chǔ)器中的用戶(hù)升級(jí)標(biāo)志位[5]，若標(biāo)志位為0x55，則說(shuō)明沒(méi)有升級(jí)請(qǐng)求，程序跳轉(zhuǎn)執(zhí)行用戶(hù)區(qū)代碼；若標(biāo)志位為0xAA，說(shuō)明有升級(jí)請(qǐng)求，需要對(duì)用戶(hù)程序進(jìn)行更新，接下來(lái)要對(duì)時(shí)鐘和外設(shè)進(jìn)行相應(yīng)的初始化，并在主循環(huán)中等待用戶(hù)程序文件寫(xiě)入FLash的用戶(hù)程序區(qū)，接受完成后將用戶(hù)升級(jí)標(biāo)志位置為0x55，同時(shí)執(zhí)行軟件復(fù)位。整個(gè)裝載程序的流程如圖1所示。

要保證裝載程序能夠正常運(yùn)行，需注意兩個(gè)方面：一是在跳轉(zhuǎn)執(zhí)行用戶(hù)程序時(shí)，要將程序指針重定向并指向程序用戶(hù)程序起始地址，堆棧指針指向用戶(hù)堆棧的起始地址；二是在將用戶(hù)程序文件寫(xiě)入Flash之前需要對(duì)Flash進(jìn)行解鎖并擦除當(dāng)前Flash區(qū)域中的代碼。

2.1.1 跳轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)

STM32內(nèi)部通過(guò)中斷向量表來(lái)響應(yīng)中斷，程序正常啟動(dòng)時(shí)，將首先從中斷向量表中取出復(fù)位中斷向量執(zhí)行復(fù)位中斷程序完成啟動(dòng)。中斷向量表的起始地址是0x80000004[6]，當(dāng)有中斷來(lái)臨時(shí)，STM32內(nèi)部硬件機(jī)制會(huì)將PC指針強(qiáng)制指向中斷向量表處，并根據(jù)中斷源取出對(duì)應(yīng)中斷向量執(zhí)行中斷服務(wù)程序。加入IAP以后，如果沒(méi)有升級(jí)請(qǐng)求，程序需跳轉(zhuǎn)執(zhí)行用戶(hù)代碼，啟動(dòng)流程如圖2所示。

（1）STM32復(fù)位后，從0x80000004取出復(fù)位中斷向量的地址，并跳轉(zhuǎn)到復(fù)位中斷服務(wù)程序，在執(zhí)行完中斷復(fù)位程序之后跳轉(zhuǎn)到IAP的main函數(shù)當(dāng)中。

（2）在執(zhí)行完IAP以后（如果需要新的用戶(hù)代碼寫(xiě)入Flash或者沒(méi)有更新直接跳轉(zhuǎn)，用戶(hù)代碼的復(fù)位中斷向量起始地址應(yīng)為0x80000004+N+M）跳轉(zhuǎn)至用戶(hù)程序的復(fù)位中斷向量表。

（3）取出用戶(hù)程序的復(fù)位中斷向量地址，并跳轉(zhuǎn)執(zhí)行新程序的復(fù)位中斷服務(wù)程序，隨后跳轉(zhuǎn)至新程序的main函數(shù)。

（4）在main函數(shù)死循環(huán)（while（1））中，如果有中斷請(qǐng)求，應(yīng)注意在Flash上有兩個(gè)中斷向量表，PC指針被強(qiáng)制跳轉(zhuǎn)到地址0x80000004中斷向量地址處，而不是用戶(hù)程序的中斷向量表。

（5）程序再根據(jù)設(shè)置的中斷向量偏移量，跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)中斷源的用戶(hù)中斷服務(wù)程序中。

（6）執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后，程序返回main函數(shù)繼續(xù)執(zhí)行。跳轉(zhuǎn)部分的代碼如下：

//定義pFunction為函數(shù)指針數(shù)據(jù)類(lèi)型

typedef void （*pFunction）（void）；

//定義Jump_To_Application為函數(shù)指針

pFunction Jump_To_Application；

//定義一個(gè)32位的跳轉(zhuǎn)地址

uint32_t JumpAddress；

//取出存儲(chǔ)器中的升級(jí)標(biāo)志位

Flag=Rx1_Buffer[0]；

//判斷是否需要升級(jí)

If（Flag==0x55）

{

//判斷用戶(hù)的棧定地址值是否在，0x20000000～0x20002000之間

if（（（*（__IOuint32_t*）USER_FLASH_FIRST_PAGE_ADDRESS） & 0x2FFE0000 ） == 0x20000000）

{

//取復(fù)位地址

JumpAddres = *（__IO uint32_t*） （USER_FLASH_FIRST_PAGE_ADDRESS + 4）；

//強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為函數(shù)指針

Jump_To_Application = （pFunction）JumpAddress；

//將用戶(hù)代碼的棧頂?shù)刂吩O(shè)為棧頂指針

_set_MSP（*（_IO uint32_t*） USER_FLASH_FIRST_PAGE_ADDRESS）；

//設(shè)置程序指針為復(fù)位地址

Jump_To_Application（）；

}

}

2.1.2 Flash編程

在進(jìn)行IAP過(guò)程中，接收到的數(shù)據(jù)必須寫(xiě)入STM32的Flash中。在對(duì)STM32的Flash進(jìn)行擦除或者寫(xiě)操作時(shí)，必須先打開(kāi)內(nèi)部的RC振蕩器（HSI），然后對(duì)Flash編程控制器進(jìn)行解鎖，再對(duì)需要寫(xiě)入數(shù)據(jù)的Flash扇區(qū)進(jìn)行擦除操作，最后進(jìn)行寫(xiě)操作。需要注意的是，在寫(xiě)操作完成后必須對(duì)Flash編程控制器進(jìn)行鎖定[7-8]。具體實(shí)現(xiàn)Flash編程代碼如下：

//初始化Flash，包括打開(kāi)RC振蕩器和解鎖Flash編程控制器

FLASH_If_Init（）；

//擦除從USER_FLASH_FIRST_PAGE_ADDRESS開(kāi)始的指定扇區(qū)

FLASH_If_Erase（USER_FLASH_FIRST_PAGE_ADDRESS）；

//從Flash_Write_Address地址開(kāi)始將數(shù)據(jù)寫(xiě)入扇區(qū)，數(shù)據(jù)為data_buffer，寫(xiě)入的長(zhǎng)度為count

FLASH_If_Write（&Flash_Write_Address， data_buffer ，count）

2.2 用戶(hù)程序

用戶(hù)程序是一套完整的可以獨(dú)立運(yùn)行的程序，它除了實(shí)現(xiàn)特定的目標(biāo)功能外，還要求能夠接受升級(jí)指令并且跳轉(zhuǎn)至裝載程序[9]。從圖2可以看出，在IAP過(guò)程結(jié)束后，F(xiàn)lash上存儲(chǔ)了包括裝載程序和用戶(hù)程序在內(nèi)的兩張“中斷向量表”，即有兩個(gè)中斷向量起始地址。在用戶(hù)程序正常運(yùn)行過(guò)程中，如果有中斷請(qǐng)求，PC指針被強(qiáng)制跳轉(zhuǎn)到地址0x80000004中斷向量地址處，而不是用戶(hù)程序的中斷向量表，這就造成了中斷向量表的起始地址和用戶(hù)程序的中斷處理程序之間出現(xiàn)了偏移量。因此，需要對(duì)用戶(hù)程序的中斷向量偏移量進(jìn)行重定向，即配置向量表偏移量寄存器[10]。用戶(hù)程序中可以通過(guò)以下代碼對(duì)中斷向量偏移量進(jìn)行設(shè)置：

//VectTab 起始地址，Offset 偏移量

Void NVIC_SetVectorTable（u32_t VectTab， u32_t Offset）

用戶(hù)程序在初始化過(guò)程中完成中斷向量偏移量的重定向，然后執(zhí)行相應(yīng)的功能。在主函數(shù)運(yùn)行過(guò)程中利用中斷或者輪詢(xún)接收遠(yuǎn)程升級(jí)指令，在接收到遠(yuǎn)程升級(jí)指令后，用戶(hù)程序會(huì)根據(jù)自身工作狀態(tài)選擇是否進(jìn)行升級(jí)，若狀態(tài)允許，則改變升級(jí)標(biāo)志位并寫(xiě)入存儲(chǔ)器，同時(shí)進(jìn)行軟件復(fù)位，使系統(tǒng)開(kāi)始執(zhí)行裝載程序。整個(gè)用戶(hù)程序流程圖如圖3所示。

3 實(shí)際應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用中，采用一種基于TFTP（簡(jiǎn)單文件傳輸協(xié)議）的IAP方案，它廣泛應(yīng)用于嵌入式應(yīng)用當(dāng)中并且通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)充電樁的遠(yuǎn)程升級(jí)。這種升級(jí)方案運(yùn)行在Lwip協(xié)議棧上，Lwip協(xié)議棧是瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)院開(kāi)發(fā)的TCP/IP協(xié)議套件的一種輕量級(jí)實(shí)現(xiàn)，減少了內(nèi)存使用率和代碼大小，適合資源有限的嵌入式系統(tǒng)。

簡(jiǎn)單文件傳輸協(xié)議（TFTP）是工作在UDP傳輸層上的一種簡(jiǎn)單的文件傳輸協(xié)議。它基于客戶(hù)端/服務(wù)器架構(gòu)體系，文件傳輸是從TFTP客戶(hù)端發(fā)起的，TFTP客戶(hù)端向TFTP服務(wù)器發(fā)送讀或?qū)懻?qǐng)求。當(dāng)服務(wù)器確認(rèn)請(qǐng)求以后，文件數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始，數(shù)據(jù)按照固定大小的數(shù)據(jù)塊發(fā)送，一般是512字節(jié)的數(shù)據(jù)塊。必須在每個(gè)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊被接收端響應(yīng)以后，發(fā)送端才能發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)塊，這種回應(yīng)機(jī)制是通過(guò)隨每個(gè)數(shù)據(jù)塊一起發(fā)送的數(shù)據(jù)塊編號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)檢測(cè)到接收的數(shù)據(jù)塊大小小于固定數(shù)據(jù)塊大小時(shí)，表示文件傳輸結(jié)束。TFTP包格式如圖4所示。

TFTP操作碼如表2所示。

在對(duì)充電樁的遠(yuǎn)程升級(jí)過(guò)程中，充電樁作為T(mén)FTP服務(wù)器，接受PC客戶(hù)端發(fā)來(lái)的寫(xiě)請(qǐng)求。服務(wù)器將接收到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入STM32的用戶(hù)Flash區(qū)，當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)塊小于512個(gè)字節(jié)時(shí)，可以判斷文件傳輸結(jié)束，此時(shí)修改升級(jí)標(biāo)志位并重啟MCU完成升級(jí)過(guò)程。使用TFTP實(shí)現(xiàn)IAP操作的流程圖如圖5所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于STM32控制器的充電樁遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)，介紹了STM32的存儲(chǔ)原理、應(yīng)用編程（IAP）原理以及IAP實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的重要技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于TFTP協(xié)議的遠(yuǎn)程升級(jí)。通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)與傳統(tǒng)嵌入式設(shè)備的程序升級(jí)方式相比具有較大的優(yōu)勢(shì)，能有效節(jié)約時(shí)間，降低人員成本，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性，具有較高的推廣價(jià)值。

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