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(南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102)

引 言

電力系統(tǒng)二次設(shè)備繼電保護(hù)、測(cè)控設(shè)備面對(duì)用戶越來(lái)越多的新需求、軟件自身錯(cuò)誤等問(wèn)題，需要及時(shí)對(duì)設(shè)備程序進(jìn)行升級(jí)和維護(hù)，改善設(shè)備性能，延長(zhǎng)設(shè)備生命周期。傳統(tǒng)的方法需要拆卸設(shè)備，通過(guò)仿真器或者編程器燒寫(xiě)程序，這種方式在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、設(shè)備數(shù)量龐大時(shí)，維護(hù)非常困難。在線升級(jí)是被廣泛采用的一種方式，這種升級(jí)方式可以不受環(huán)境的限制，充分提高了系統(tǒng)升級(jí)的便利性和可維護(hù)性[1]。參考文獻(xiàn)[2]～[4]介紹了利用串口、RS422、網(wǎng)絡(luò)等方法實(shí)現(xiàn)將程序升級(jí)到處理器片內(nèi)、片外Flash中。一般是先燒寫(xiě)一段BOOT程序，通過(guò)解析應(yīng)用程序文件完成程序升級(jí)。這些方法往往存在BOOT程序無(wú)法升級(jí)自身、程序燒寫(xiě)無(wú)法脫離仿真器或編程器、應(yīng)用程序運(yùn)行無(wú)法實(shí)時(shí)升級(jí)等問(wèn)題，影響了工程應(yīng)用的可靠性和便捷性。

本文設(shè)計(jì)了一種基于CAN通信實(shí)現(xiàn)的通用程序在線升級(jí)方法，支持BOOT程序、應(yīng)用程序兩種模式下的升級(jí)。BOOT程序不僅支持升級(jí)應(yīng)用程序，還支持升級(jí)BOOT程序自身。通過(guò)在上位機(jī)、下位機(jī)間設(shè)計(jì)一套升級(jí)服務(wù)協(xié)議，保證了程序升級(jí)過(guò)程的可靠性。針對(duì)程序升級(jí)的異常情況，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的恢復(fù)措施，保證了系統(tǒng)異常時(shí)能夠及時(shí)恢復(fù)。此外，結(jié)合ZYNQ芯片多種啟動(dòng)模式，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)SD卡啟動(dòng)程序完成BOOT程序燒寫(xiě)，不需要借助仿真器或編程器，提高了生產(chǎn)調(diào)試、工程維護(hù)的便捷性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

程序在線升級(jí)系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)通信將程序下發(fā)給下位機(jī)管理插件，下位機(jī)管理插件通過(guò)CAN總線透?jìng)鹘o目標(biāo)插件，目標(biāo)插件接收數(shù)據(jù)后寫(xiě)入片外Flash中。下位機(jī)可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求配置多個(gè)目標(biāo)插件，所有目標(biāo)插件的程序均可以由上位機(jī)下發(fā)，管理插件根據(jù)每個(gè)目標(biāo)插件的槽號(hào)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)完成程序升級(jí)。

目標(biāo)插件硬件系統(tǒng)主要由ZYNQ-7000 片上系統(tǒng)、DDR3內(nèi)存、片外Flash存儲(chǔ)、SD卡存儲(chǔ)、CAN接口電路、UART接口電路等組成，硬件框圖如圖2所示。ZYNQ-7000 SoC包含處理器系統(tǒng)(Processing System,PS)和可編程邏輯器件(Programmable Logic,PL)兩部分，處理器系統(tǒng)集成了雙核ARM Cortex-A9、存儲(chǔ)器接口和豐富的外設(shè)接口，可編程邏輯器件包含大量FPGA的邏輯單元[7]。片外QSPI Flash作為非易失性存儲(chǔ)，用于存儲(chǔ)BOOT程序、雙核應(yīng)用程序、FPGA程序，程序運(yùn)行在DDR3內(nèi)存中。CAN接口用于與管理插件通信交互。UART負(fù)責(zé)串口調(diào)試信息展示，SD卡存儲(chǔ)設(shè)備日志信息、生產(chǎn)調(diào)試燒寫(xiě)B(tài)OOT程序。

圖2 目標(biāo)插件硬件框圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的程序在線升級(jí)方法可以在BOOT程序、應(yīng)用程序運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)進(jìn)行。系統(tǒng)軟件采用雙裸核(Standalone)的非對(duì)稱多處理(Asymmetric MultiProcessing,AMP)模式總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，CPU0核完成程序在線升級(jí)功能，CPU1程序通過(guò)CPU0代理完成升級(jí)。通過(guò)代理模式可以避免在線升級(jí)過(guò)程中雙核訪問(wèn)CAN、Flash、DDR等硬件資源競(jìng)爭(zhēng)。軟件上通過(guò)模塊化方式設(shè)計(jì)，BOOT程序和應(yīng)用程序可以快速?gòu)?fù)用CAN模塊驅(qū)動(dòng)、Flash模塊驅(qū)動(dòng)及程序升級(jí)模塊等完成在線升級(jí)功能集成。

2.1 CAN模塊驅(qū)動(dòng)

ZYNQ-7000處理器系統(tǒng)內(nèi)部集成兩個(gè)CAN控制器，最大支持1 Mbps傳輸速率，可以滿足系統(tǒng)要求。CAN驅(qū)動(dòng)主要包括CAN模塊硬件初始化、報(bào)文發(fā)送、接收處理。初始化配置硬件引腳、通信波特率、工作模式等。報(bào)文發(fā)送、接收采用中斷方式處理，既可以節(jié)省CPU的資源，也能夠保證及時(shí)響應(yīng)CAN報(bào)文。CAN報(bào)文采用29位擴(kuò)展幀格式，管理插件通過(guò)擴(kuò)展幀中的應(yīng)用報(bào)文類型、源地址、目的地址來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)槽位的目標(biāo)插件升級(jí)程序。通過(guò)在CAN驅(qū)動(dòng)中增加報(bào)文重發(fā)機(jī)制、總線異常自恢復(fù)等措施，提高了程序在線升級(jí)過(guò)程的可靠性。

2.2 Flash模塊驅(qū)動(dòng)

Flash采用的是Micron公司MT25QL256芯片，該存儲(chǔ)器一共有512個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)大小為64 KB，共32 MB存儲(chǔ)空間。Flash驅(qū)動(dòng)主要包含硬件初始化、擦除扇區(qū)、寫(xiě)數(shù)據(jù)、讀數(shù)據(jù)接口。通過(guò)識(shí)別文件名中關(guān)鍵字來(lái)確定不同程序?qū)懭氲腇lash位置，F(xiàn)lash的空間劃分如表1所列。

表1 Flash空間分配

2.3 程序升級(jí)模塊

在上位機(jī)、下位機(jī)間設(shè)計(jì)一套升級(jí)服務(wù)協(xié)議，可以提高程序升級(jí)過(guò)程的可靠性。上位機(jī)、下位機(jī)交互的報(bào)文數(shù)據(jù)幀格式如下：

幀頭1幀頭2類型長(zhǎng)度內(nèi)容校驗(yàn)碼字節(jié)0字節(jié)1字節(jié)2字節(jié)3字節(jié)4～NN字節(jié)累加和

升級(jí)服務(wù)的應(yīng)用層協(xié)議內(nèi)容如表2所列。

表2 應(yīng)用層協(xié)議內(nèi)容

2.4 啟動(dòng)流程

通過(guò)BOOT程序、應(yīng)用程序兩種模式，實(shí)現(xiàn)在線升級(jí)功能。BOOT程序完成應(yīng)用程序加載、升級(jí)及自身程序升級(jí)，應(yīng)用程序完成自身程序升級(jí)和應(yīng)用功能，兩者通過(guò)集成CAN模塊驅(qū)動(dòng)、Flash模塊驅(qū)動(dòng)及程序升級(jí)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。ZYNQ-7000上電運(yùn)行的啟動(dòng)流程如圖3所示。

圖3 啟動(dòng)流程

啟動(dòng)流程如下：

① 首先執(zhí)行片內(nèi)BootROM程序，完成對(duì)QSPI、SD等外設(shè)控制器初始化。

② 然后加載FSBL(First Stage Boot Loader)程序到OCM(On Chip Memory)上運(yùn)行，F(xiàn)SBL完成GPIO、時(shí)鐘、DDR3內(nèi)存初始化后，加載BOOT程序到DDR3中運(yùn)行。

③ BOOT程序判斷當(dāng)前模式和校驗(yàn)Flash內(nèi)容，如果是BOOT模式或者Flash應(yīng)用程序校驗(yàn)出錯(cuò)，則初始化CAN及中斷，等待升級(jí)應(yīng)用程序。如果是應(yīng)用程序模式，則加載雙核CPU0、CPU1應(yīng)用程序，F(xiàn)PGA程序，跳轉(zhuǎn)執(zhí)行應(yīng)用程序。

2.5 在線升級(jí)流程

BOOT和應(yīng)用程序的在線升級(jí)過(guò)程基本一致，如圖4所示，主要是升級(jí)服務(wù)應(yīng)用層的交互過(guò)程。

圖4 在線升級(jí)流程

① 上位機(jī)主動(dòng)發(fā)起程序升級(jí)檢查命令，下位機(jī)進(jìn)入在線升級(jí)模式，解析命令中的文件類型、名稱、長(zhǎng)度計(jì)算總的Flash擦除時(shí)間，應(yīng)答上位機(jī)擦除時(shí)間、報(bào)文校驗(yàn)結(jié)果。

② 上位機(jī)發(fā)送下載擦除命令，等待下位機(jī)返回Flash擦除操作結(jié)果。

③ 上位機(jī)發(fā)送下載請(qǐng)求命令，下位機(jī)應(yīng)答文件類型校驗(yàn)結(jié)果。

④ 上位機(jī)發(fā)送下載地址段命令，通知下位機(jī)數(shù)據(jù)升級(jí)的Flash起始地址，下位機(jī)應(yīng)答地址范圍校驗(yàn)結(jié)果。

⑤ 上位機(jī)發(fā)送下載數(shù)據(jù)命令，逐個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送程序內(nèi)容，下位機(jī)接收后將數(shù)據(jù)寫(xiě)入Flash中。重復(fù)此過(guò)程，直到程序數(shù)據(jù)下載完成。

⑥ 上位機(jī)發(fā)送下載結(jié)束命令，通知下位機(jī)數(shù)據(jù)校驗(yàn)和，下位機(jī)回讀Flash內(nèi)容計(jì)算校驗(yàn)和，應(yīng)答校驗(yàn)和比較結(jié)果。

⑦ 若步驟①～⑥上位機(jī)收到下位機(jī)否定應(yīng)答，則上位機(jī)發(fā)送下載取消命令，取消本次升級(jí)。下位機(jī)中應(yīng)用程序可能被擦寫(xiě)，重啟后程序在BOOT中運(yùn)行，等待下一次程序升級(jí)。

⑧ 上位機(jī)發(fā)送復(fù)位命令通知下位機(jī)啟動(dòng)看門(mén)狗復(fù)位，完成程序在線升級(jí)，執(zhí)行新程序。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

通過(guò)上位機(jī)給下位機(jī)下載CPU0、CPU1以及FPGA程序，借助串口工具查看程序升級(jí)信息，分別進(jìn)行正常升級(jí)、異常升級(jí)過(guò)程測(cè)試。通過(guò)上千次程序升級(jí)測(cè)試，驗(yàn)證升級(jí)功能正常。

3.1 正常升級(jí)測(cè)試

測(cè)試BOOT程序、應(yīng)用程序模式下的升級(jí)功能，應(yīng)用程序模式下的升級(jí)信息如圖5所示。

圖5 正常升級(jí)測(cè)試

圖6 異常升級(jí)測(cè)試

3.2 異常升級(jí)測(cè)試

模擬升級(jí)過(guò)程異常斷電、CPU0程序文件校驗(yàn)碼出錯(cuò)。CPU0程序文件校驗(yàn)碼出錯(cuò)升級(jí)信息如圖6所示。此時(shí)新程序還沒(méi)有寫(xiě)入Flash中，而Flash中的舊程序已經(jīng)被擦除。設(shè)備重新上電后在BOOT程序中運(yùn)行，可以重新升級(jí)應(yīng)用程序恢復(fù)運(yùn)行。

結(jié) 語(yǔ)