陳曉韋 楊開欣 董海博 郭謹瑋

摘要：智能車載檢測模塊是典型的嵌入式設(shè)備之一。嵌入式設(shè)備的主要特點是同一個硬件采用不同的固件便可以實現(xiàn)不同的功能。為了降低車載檢測模塊的維護成本，該文設(shè)計了一種基于CAN總線的車載檢測模塊固件升級系統(tǒng)。固件升級系統(tǒng)包括上位機和車載設(shè)備固件兩部分。車載設(shè)備固件將微控制器內(nèi)部flash區(qū)域劃分成Bootloader引導(dǎo)區(qū)和APP用戶程序區(qū)。升級采用被動模式，車載設(shè)備收到上位機發(fā)送的升級命令后，跳轉(zhuǎn)到Bootloader區(qū)域并執(zhí)行對應(yīng)的操作完成固件燒寫。實驗證明，此方法在很大程度上提高了車載設(shè)備的可維護性，方便穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：嵌入式設(shè)備;CAN總線;Bootloader;固件升級

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1009-3044（2018）35-0252-02

隨著科學技術(shù)的進步，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，汽車保有量的持續(xù)增加，各種各樣的車載設(shè)備需求量增加，新能源車輛的出現(xiàn)對智能車載設(shè)備需求量進一步增加。智能車載檢測模塊是典型的車載設(shè)備之一，主要用途是借用車輛的OBD診斷接口通過CAN總線實時獲取車輛的各種信息，如新能源汽車的電瓶電壓，電池溫度、電機轉(zhuǎn)速、剩余電池電量、行駛里程等。智能車載檢測模塊是典型的嵌入式設(shè)備之一，模塊可以實現(xiàn)的具體功能和模塊內(nèi)部使用的微控制器燒寫的固件有關(guān)，不同車型可以使用同一個車載檢測模塊硬件。車載檢測模塊一旦批量出廠到達客戶手中，客戶如果想更改模塊的功能或是更換使用車型，供應(yīng)商需要派出大量的技術(shù)支持人員前往支持，成本高，效率低。為了解決這一問題，充分利用車載檢測模塊的外部接口，本文設(shè)計了一款基于CAN總線的車載檢測模塊固件升級系統(tǒng)，車載檢測模塊通過CAN總線實現(xiàn)固件的升級方法，方便可靠，操作簡單，客戶只需要簡單幾步便能夠完成對固件的升級，對于模塊供應(yīng)商，在很大程度上節(jié)約了工程師差旅成本。對于客戶，提高了工作效率。

1 微控制器固件升級方法介紹

微控制器固件升級通常有兩種方法，方法一是在系統(tǒng)編程（In-system programming， ISP），利用JTAG等專用工具和特定的協(xié)議將固件燒寫到內(nèi)部flash中，通常在產(chǎn)品測試調(diào)試階段使用。由于此方法需要設(shè)備留有專用的外部接口和JTAG或ST-LINK下載器，通常成熟的設(shè)備部對外不會留有下載接口，所以此方法不適合已經(jīng)出廠設(shè)備的固件升級燒寫。另一種方法是在應(yīng)用編程（in-application programming，IAP），顧名思義就是在應(yīng)用程序的運行過程中實現(xiàn)對應(yīng)用程序的固件升級，此方法主要是借用微控制器支持的總線如：SPI，I2C，USART，CAN等實現(xiàn)對內(nèi)部固件的升級，實現(xiàn)相對靈活、不比用專用的下載器等。使用在應(yīng)用編程方法燒寫固件，工程師通常需要將微控制器的固件分成兩個部分，一是引導(dǎo)加載程序Bootloader，另一個是實現(xiàn)具體功能的用戶程序[1]。引導(dǎo)加載程序Bootloader通常包含啟動加載模式和下載模式兩種功能，啟動加載模式是引導(dǎo)用戶程序APP的正常執(zhí)行，下載模式可以實現(xiàn)對用戶程序APP的更新。初次使用微控制器時，Bootloader部分的固件要通過在系統(tǒng)編程ISP方式燒寫到微控制器內(nèi)，而APP固件部分既可以通過ISP也可以通過IAP方式燒寫到微控制器內(nèi)。基于CAN總線的固件升級方法連接圖如圖1。PC通過USB線纜連接CAN主機，CAN主機和要升級固件的微控制器之間通過CAN總線進行通訊，根據(jù)CAN總線的特點[2]可知CAN主機和微控制器之間要有一個120歐姆的終端電阻。

2 基于CAN總線固件升級系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

基于CAN總線的固件升級系統(tǒng)包括上位機軟件和硬件兩個部分。軟件是實現(xiàn)發(fā)送升級命令和固件文件的上位機，硬件是智能車載檢測模塊。

2.1 智能車載檢測模塊

智能車載檢測模塊使用的微控制器是ST公司的STM32F105RC，此芯片有兩路CAN 接口，兩路ADC，256KB的Flash。車載模塊一路CAN通過OBD診斷接口和車輛通訊，獲取車輛的實時信息，第二路CAN將獲取的車輛實時信息傳到PC端或是用于接收固件實現(xiàn)對固件的更新。CAN遵循ISO/OSI參考模型，分數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。根據(jù)ISO88002-2和ISO8802-3，數(shù)據(jù)鏈路層進一步細分為邏輯鏈路控制（LLC）和介質(zhì)訪問控制（MAC）;物理層進一步細分為物理信令（PLS，位編碼、定時、同步），物理介質(zhì)附件（PMA，驅(qū)動器/接收器特性）和介質(zhì)附屬接口（MDI，連接器）[2]。數(shù)據(jù)鏈路層和物理信令層之間的鏈接是通過CAN 控制器實現(xiàn)的。物理介質(zhì)附件是協(xié)議控制器和物理線路之間的接口。在車載檢測模塊中，CAN 收發(fā)器選擇的是車規(guī)級別的恩智浦公司生產(chǎn)的TJA1043，車載檢測模塊硬件架構(gòu)如圖2所示。主要包括維持MCU 運行的最小外圍系統(tǒng)，兩路CAN電路，電源轉(zhuǎn)換等其他電路。

2.2 MCU固件升級內(nèi)部Flash區(qū)間劃分

STM32F105是基于Cortex-M3內(nèi)核的互聯(lián)型微控制器，完成STM32固件升級首先要分析STM32的啟動流程，STM32的啟動流程封裝在啟動文件中。Cortex-M3內(nèi)核[3]通過設(shè)置BOOT[1：0]兩個管腳的電平定位啟動模式[4]，啟動模式有三種，分別是Main Flash、System memory、內(nèi)嵌的SRAM。表1顯示了BOOT[1：0]管腳和啟動模式之間的關(guān)系。不同的啟動模式有不同的功能，通常我們的用戶固件程序是燒寫在Main Flash中的。System memory內(nèi)部存放了內(nèi)嵌的Bootloader[5]程序，這部分程序在芯片出廠時由ST廠商已經(jīng)固化在芯片內(nèi)部，工程師沒法修改只能使用。通過芯片廠商提供的此部分Bootloader可以更新芯片固件，可以選擇幾種外圍總線分別是兩個通用串行接口USART1、USART2，一個CAN總線接口CAN2和一個USB 接口DFU[6]。由于固件是燒寫在Main Flash中的，由表1可知選擇System memory啟動需要更換BOOT[1：0]管腳的電平，因此選擇芯片自帶的Bootloader的方法不適合對批量出廠設(shè)備的固件更新。因此本文參考芯片自帶的Bootloader啟動邏輯，通過CAN總線接口，編寫自己的Bootloader程序?qū)崿F(xiàn)對固件的更新。主要方法是在Main Flash區(qū)域中劃分出一段區(qū)域存放自己編寫的Bootloader程序引導(dǎo)固件加載和固件升級，而不需要重新設(shè)定BOOT[1：0]管腳電平，簡單方便實用。

STM32F105內(nèi)部有256KB的Main Flash ，起始地址是0x0800 0000， 結(jié)束地址是0x0803 FFFF，分成了128頁，每頁2KB。在此升級系統(tǒng)中將整個Flash劃分成三個區(qū)域，分別是bootloader區(qū)域，升級標志flag存放區(qū)域，和用戶應(yīng)用程序APP區(qū)域。Bootloader區(qū)域的起始地址是0x0800 0000， 結(jié)束地址是0x0800 FFFF，共64KB，在這64KB中劃分出2KB用于存放升級標志，起始地址是0x0800 F800，結(jié)束地址是0x0800 FFFF。用戶應(yīng)用程序APP區(qū)域的起始地址是0x0801 0000， 結(jié)束地址是0x0803 FFFF，共192KB。Main Flash區(qū)域劃分如圖3所示。

2.3 Bootloader程序設(shè)計

Bootloader部分的程序沒有實際的用戶功能，只是引導(dǎo)用戶程序APP的啟動和固件的更新。MCU上電后首先執(zhí)行Bootloader部分的代碼，先判斷升級標志位是不是有效，在此程序中如果升級標志位的值為0xEEEE，則表示需要升級用戶程序固件，否則直接運行用戶應(yīng)用程序。當需要升級用戶程序固件時，Bootloader接收到上位機發(fā)送的固件二進制文件后寫入到APP區(qū)域，升級過程中開啟錯誤檢查機制，一旦檢測到錯誤就重新啟動，整個固件程序成功寫入后才擦除升級標志位，MCU重啟，這樣防止將MCU刷成板磚。

2.4 APP用戶程序設(shè)計

APP用戶應(yīng)用程序主要有三個功能，功能一是實現(xiàn)車輛實時信息的獲取和上傳，功能二是接收上位機發(fā)送的升級固件命令，將升級標志區(qū)域置位，功能三是接收上位機其他命令完成固件版本檢查，Bootloader程序和APP用戶應(yīng)用程序跳轉(zhuǎn)，CAN總線波特率設(shè)置等。APP用戶應(yīng)用程序在運行過程中，如果接收到上位機發(fā)送的升級固件命令，則直接將升級標志區(qū)域?qū)懭?xEEEE，然后重啟整個系統(tǒng)。MCU 重啟后FLASH內(nèi)數(shù)據(jù)不會被擦除，所以重啟后進如Bootloader區(qū)域后便可以接收固件程序進行升級。

2.5 固件升級系統(tǒng)上位機設(shè)計

上位機用MFC編寫，運行上位機后首先掃描CAN設(shè)備節(jié)點，檢查是否有CAN 設(shè)備節(jié)點存在，如果設(shè)備節(jié)點存在則發(fā)送查詢設(shè)備運行固件類型（Bootloader還是APP）和固件版本的命令，將節(jié)點的當前運行固件類型和版本顯示出來，之后便可以發(fā)送各種命令對車載設(shè)備進行控制，如設(shè)置CAN總線波特率、運行APP固件、運行Bootloader固件、擦除APPflash區(qū)域的數(shù)據(jù)、對APP固件升級等。上位機發(fā)送的命令，見表2。固件升級步驟見圖4。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款基于CAN總線的車載檢測模塊固件升級系統(tǒng)，包括上位機和固件兩個部分，固件分成引導(dǎo)加載程序Bootloader部分和用戶應(yīng)用程序APP部分，避免了由于使用芯片自帶的Bootloader對固件進行升級時改變BOOT[1：0]管腳電平的操作，操作簡單、方便。此系統(tǒng)可以用于STM32任何一款支持CAN總線接口的微控制器的固件升級，對采用STM32做微控制器的嵌入式產(chǎn)品有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻：

[1] 陳程杰.基于CAN總線的ECU在線刷新和遠程服務(wù)系統(tǒng)的開發(fā)[D].天津大學，2017.

[2] 羅峰，孫澤昌.汽車CAN總線系統(tǒng)原理、設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.

[3] Yiu J. ARM Cortex-M3權(quán)威指南[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[通聯(lián)編輯：朱寶貴]