孫曉楊伊僑朱浩

電動(dòng)叉車遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)的研究

孫曉1，楊伊僑1，2，朱浩2

（1.湖南工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2.湖南宏迅億安新能源科技有限公司，湖南 株洲 412007）

針對(duì)目前電動(dòng)叉車系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級(jí)困難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于飛思卡爾16位微控制器MC9S12XEP100的遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由傳統(tǒng)的BootLoader升級(jí)程序改進(jìn)而來(lái)，利用GPRS模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，解決了系統(tǒng)升級(jí)的距離問(wèn)題。深入研究了數(shù)據(jù)傳輸可靠性的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出基于BCH編碼的數(shù)據(jù)可靠性傳輸機(jī)制與代碼分區(qū)機(jī)制，制定了數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，解決了系統(tǒng)升級(jí)的安全與可靠性問(wèn)題。將遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)實(shí)施至電動(dòng)叉車上運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)證明，該遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)具有穩(wěn)定性、安全性、可靠性等優(yōu)點(diǎn)，能很好地完成遠(yuǎn)程升級(jí)任務(wù)。

電動(dòng)叉車；遠(yuǎn)程升級(jí)；數(shù)據(jù)通訊；升級(jí)流程

近年來(lái)，新能源工程機(jī)械以其節(jié)能環(huán)保、智慧互聯(lián)等特性得到了迅速的發(fā)展，新型電動(dòng)叉車的應(yīng)用也越來(lái)越廣[1]。如何實(shí)現(xiàn)數(shù)量龐大叉車的維護(hù)運(yùn)營(yíng)，滿足系統(tǒng)升級(jí)需求成為了一個(gè)難題。

一種比較傳統(tǒng)的方法是將CAN總線作為通信介質(zhì)，利用BootLoader下載應(yīng)用程序。但當(dāng)產(chǎn)品分布于全國(guó)各地時(shí)，如果繼續(xù)使用BootLoader，每次進(jìn)行應(yīng)用程序升級(jí)時(shí)都需廠家派遣技術(shù)人員去到現(xiàn)場(chǎng)，維護(hù)成本大大提高，因此使用基于GPRS傳輸?shù)倪h(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)就變得十分有意義。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于GPRS傳輸?shù)倪h(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在不用去到現(xiàn)場(chǎng)的情況下完成軟件自更新和引導(dǎo)用戶程序運(yùn)行的功能，有效解決了這個(gè)行業(yè)難題。

1 遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)概述

BootLoader程序是固化在微控制器里，復(fù)位后最先運(yùn)行的一段程序。它的主要功能是初始化嵌入式系統(tǒng)的軟、硬件，引導(dǎo)應(yīng)用程序的運(yùn)行[2]。嵌入式設(shè)備復(fù)位后首先進(jìn)入BootLoader程序，通過(guò)判斷關(guān)鍵字標(biāo)志位，選擇進(jìn)行程序升級(jí)或跳轉(zhuǎn)進(jìn)入應(yīng)用程序，這個(gè)關(guān)鍵字標(biāo)志位存放在Flash中的一個(gè)特定位置。如果進(jìn)入程序升級(jí)模式，則通過(guò)CAN總線從主機(jī)端將應(yīng)用程序的S19文件下載到Flash中；否則就將儲(chǔ)存在Flash中的應(yīng)用程序加載到RAM里面運(yùn)行。

遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)由改進(jìn)后的BootLoader程序、上位機(jī)軟件和Web端組成，上位機(jī)程序運(yùn)行在服務(wù)器上，主要負(fù)責(zé)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)保存信息到數(shù)據(jù)庫(kù)。Web端實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的顯示，嵌入式設(shè)備的BootLoader程序負(fù)責(zé)啟動(dòng)升級(jí)程序，接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，并對(duì)程序區(qū)域進(jìn)行擦除與寫入操作。

針對(duì)現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)升級(jí)故障率高、傳輸數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)據(jù)可靠性傳輸機(jī)制。

2 遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)方案

2.1 軟件整體設(shè)計(jì)

上位機(jī)包括數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、TCP/Socket通信模塊。數(shù)據(jù)庫(kù)支持Access及SQlServer連接，通信模塊支持多線程監(jiān)聽(tīng)，Web端支持HTML5的頁(yè)面顯示。

下位機(jī)設(shè)計(jì)可以分為硬件層和軟件層。硬件層主要完成一些接口函數(shù)的定義，設(shè)置硬件參數(shù)和讀取寄存器狀態(tài)。軟件層主要實(shí)現(xiàn)硬件層函數(shù)封裝與任務(wù)調(diào)度等一些系統(tǒng)功能。

2.2 代碼分區(qū)設(shè)計(jì)

為了保證升級(jí)程序能夠順利執(zhí)行，防止程序升級(jí)中途因數(shù)據(jù)鏈路中斷、線路板突然停止供電等意外情況導(dǎo)致原程序也無(wú)法使用，需要將單片機(jī)的Flash內(nèi)存區(qū)域進(jìn)行劃分，主要分為BootLoader區(qū)域、應(yīng)用程序1區(qū)域、應(yīng)用程序2區(qū)域和控制參數(shù)區(qū)域。應(yīng)用程序存儲(chǔ)區(qū)域分為2個(gè)區(qū)域，分別為1區(qū)和2區(qū)。引導(dǎo)程序儲(chǔ)存在Bootloader區(qū)域，其作用是選擇執(zhí)行1區(qū)或2區(qū)的應(yīng)用程序。為了避免核心數(shù)據(jù)的丟失，控制參數(shù)區(qū)域不會(huì)在升級(jí)過(guò)程中被擦除[3]，所以用來(lái)存儲(chǔ)例如跳轉(zhuǎn)標(biāo)志、應(yīng)用程序配置參數(shù)等內(nèi)容[4]。

代碼分區(qū)控制流程如下：①燒寫程序時(shí)，將應(yīng)用程序1區(qū)域代碼與BootLoader合并共同燒寫到單片機(jī)中。②程序需要升級(jí)時(shí)，1區(qū)域與2區(qū)域交替升級(jí)。在1區(qū)域代碼執(zhí)行期間，收到遠(yuǎn)程升級(jí)指令，在代碼2區(qū)域進(jìn)行升級(jí)。同樣在2區(qū)域代碼執(zhí)行期間，收到遠(yuǎn)程升級(jí)指令，在代碼1區(qū)域進(jìn)行升級(jí)。③當(dāng)上位機(jī)發(fā)送啟動(dòng)命令后，復(fù)位系統(tǒng)。系統(tǒng)復(fù)位后，進(jìn)入引導(dǎo)程序，然后通過(guò)引導(dǎo)程序中的關(guān)鍵字判斷進(jìn)入1區(qū)應(yīng)用程序還是2區(qū)應(yīng)用程序。確認(rèn)進(jìn)入相應(yīng)的應(yīng)用程序區(qū)域后，再擦除另一個(gè)區(qū)域內(nèi)的代碼。

2.3 整體升級(jí)流程

每當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，會(huì)通過(guò)標(biāo)志位選擇執(zhí)行BootLoader程序或應(yīng)用程序。如果不需要升級(jí)，則不進(jìn)入BootLoader程序，再檢查地址區(qū)間標(biāo)志位，如果是0x0A，則進(jìn)入應(yīng)用程序1區(qū)間；如果是0x0B，進(jìn)入應(yīng)用程序2區(qū)間。當(dāng)進(jìn)入應(yīng)用程序后，系統(tǒng)給遠(yuǎn)程升級(jí)分配一個(gè)任務(wù)，之后系統(tǒng)會(huì)周期性地去查詢?cè)撊蝿?wù)，當(dāng)檢查收到升級(jí)命令，確認(rèn)無(wú)誤后擦除指定FALSH區(qū)域并回應(yīng)上位機(jī)。之后等待接收代碼，當(dāng)在接收代碼過(guò)程中檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)，會(huì)回應(yīng)NG來(lái)請(qǐng)求重新開(kāi)始升級(jí)，否則每接收一行代碼回應(yīng)OK，直至接收所有代碼。代碼接收完畢，不會(huì)立即啟動(dòng)，會(huì)輪詢啟動(dòng)命令，當(dāng)檢測(cè)到啟動(dòng)命令，系統(tǒng)會(huì)立即復(fù)位，進(jìn)入新的應(yīng)用程序。升級(jí)流程如圖1所示。

圖1 升級(jí)流程圖

2.4 數(shù)據(jù)傳輸可靠性設(shè)計(jì)

加強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制的糾錯(cuò)能力可有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院瓦h(yuǎn)程升級(jí)的效率。之前版本的遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中使用CRC校驗(yàn)碼，在升級(jí)過(guò)程中下位機(jī)對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，如果出錯(cuò)則重傳，無(wú)法糾錯(cuò)，導(dǎo)致升級(jí)過(guò)程偶發(fā)性中斷。因此本文進(jìn)行了算法改進(jìn)，采用了改良的BCH糾錯(cuò)碼來(lái)代替CRC校驗(yàn)碼，有效提高了傳輸效率。其設(shè)計(jì)內(nèi)容包括數(shù)據(jù)協(xié)議制訂、BCH編碼和無(wú)線傳輸后校驗(yàn)等。

數(shù)據(jù)協(xié)議制訂。數(shù)據(jù)協(xié)議包括起始ID（用“*”作為幀頭起始符）、總包數(shù)、包序號(hào)、S19文件、結(jié)束ID（用“#”作為幀頭起始符）等。其中，除了S19文件是64位外，其他都是16位。

BCH編碼。BCH碼是一種有限域中的線性分組碼，糾錯(cuò)能力強(qiáng)、易實(shí)現(xiàn)，通常用于通信和存儲(chǔ)領(lǐng)域中[5]。由于本系統(tǒng)所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長(zhǎng)度不大，所以設(shè)定二進(jìn)制BCH（15，7）編譯糾錯(cuò)碼，碼長(zhǎng)= 15，0~6位為有效數(shù)據(jù)位，7~14位為BCH校驗(yàn)碼，糾錯(cuò)能力= 2。BCH生成多項(xiàng)式為（）=LCM[1（），2（），…，（2t-1）（）]，其中，LCM為最小公倍式，為糾錯(cuò)個(gè)數(shù)，i（）為最小多項(xiàng)式。 BCH編碼方法如下：①查不可約多項(xiàng)式表可得（）=1（）·3（）=8+7+6+4+1，系數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼為111010001，且由（）可得出生成矩陣；②將7~14位的BCH校驗(yàn)碼位補(bǔ)8位0，與生成多項(xiàng)式的二進(jìn)制碼進(jìn)行邏輯與，得到的結(jié)果邏輯異或，即得到BCH（15，7）的校驗(yàn)碼。

無(wú)線傳輸后校驗(yàn)。本系統(tǒng)利用GPRS模塊進(jìn)行無(wú)線傳輸，下位機(jī)與上位機(jī)之間的傳輸模式為主從模式，下位機(jī)利用中斷來(lái)控制GPRS模塊的接收與發(fā)送。因一般叉車工作環(huán)境惡劣，所以通訊干擾大，采用接收端檢驗(yàn)糾錯(cuò)后，通訊效率有明顯提高。

3 功能測(cè)試

為了測(cè)試新版遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使用10臺(tái)下位機(jī)進(jìn)行新老版本的對(duì)比實(shí)驗(yàn)：分別使新老程序輪流下載到下位機(jī)內(nèi)，記錄在升級(jí)過(guò)程中的升級(jí)成功臺(tái)數(shù)、代碼重傳次數(shù)、升級(jí)時(shí)間，對(duì)升級(jí)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表 1 對(duì)比測(cè)試結(jié)果

升級(jí)種類成功數(shù)代碼重傳次數(shù) 升級(jí)時(shí)長(zhǎng)/min 新版程序100.5 10.2 老版程序81.7 11.1

從成功數(shù)來(lái)看，新版遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)在成功率上優(yōu)于老版遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)，新版遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)的代碼重傳次數(shù)也要低于老版，說(shuō)明在可靠性上，新版程序要高于老版程序，新版升級(jí)時(shí)長(zhǎng)會(huì)相較于老版會(huì)略短。原因是雖然新版遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)在代碼重傳次數(shù)上要低于老版系統(tǒng)，但新版遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)中加入了具有糾錯(cuò)功能的BCH碼，相較于老版的CRC校驗(yàn)碼，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性上提升不少，但BCH碼編碼與譯碼過(guò)程復(fù)雜，耗時(shí)會(huì)有所增加。綜合來(lái)說(shuō)，新版程序的升級(jí)速度還是要略快于老版程序。

4 結(jié)論

本文實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)叉車的遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，通過(guò)制訂自定義傳輸協(xié)議、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可靠性傳輸機(jī)制與代碼分區(qū)機(jī)制，能夠有效、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)S19文件的傳輸、Flash模塊的擦寫、遠(yuǎn)距離地進(jìn)行應(yīng)用程序的升級(jí)。測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)有很高的穩(wěn)定性、安全性、可靠性，極大地提高了遠(yuǎn)程升級(jí)的成功率。此外，不同信號(hào)芯片只需要經(jīng)過(guò)微小更改就能直接使用本系統(tǒng)，可移植性強(qiáng)。

［1］孫慧，王春利，高耀南.鉛酸蓄電池電動(dòng)叉車電池改造技術(shù)的研究［J］.科技通報(bào)，2017，33（12）：96-98.

［2］張艷，鮑可進(jìn).整車控制器BootLoader的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2011，37（12）：233-235.

［3］朱偉斌，張濤，顧海濤，等.基于CDMA網(wǎng)絡(luò)的嵌入式設(shè)備遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2014（2）：135-138.

［4］MENG H，PAN L.Realization of remote update technology for embedded equipment based on μC/OS-II［J］.Journal of Measurement Science and Instrumentation，2014（3）：69-72.

［5］李璐，周海燕.一種含BCH編解碼器的SLC/MLC NAND FLASH控制器的VLSI設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（7）：167-170.

TP273

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.15.034

2095－6835（2019）15－0087－02

孫曉，男，教授。楊伊僑（1995—），男，湖南岳陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事電動(dòng)汽車電池管理系的研究。

〔編輯：王霞〕