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        基于CAN 總線的礦用傳感器遠程在線升級功能設計

        2020-08-21 08:02:12宋益東
        煤礦安全 2020年8期
        關鍵詞:標識符固件分站

        宋益東

        (1.煤科集團沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順113122;2.煤礦安全技術國家重點實驗室,遼寧 撫順113122)

        礦用傳感器是煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中最末端的感知設備,是監(jiān)控系統(tǒng)中所有的數據來源。目前煤礦在用模擬量傳感器均為數字化智能傳感器[1-2],隨著煤礦開采自動化程度的提高,不可避免的涉及到傳感器固件程序升級問題。傳統(tǒng)的方式是傳感器部分或全部從井下拿到地面,固件升級后再返到井下進行安裝。礦用傳感器使用量非常大,并且在井下分布比較分散且大部分在采掘工作面,距離地面中心站較遠,采用傳統(tǒng)的方式效率比較低,并且更換甲烷等傳感器需要切斷工作面的動力電,給煤礦的安全生產帶來影響,所以在線升級[3]固件程序是一個很好的解決方案,在煤礦機電設備檢修的間隙,通過井下工業(yè)環(huán)網將需要升級的固件程序下發(fā)到監(jiān)控分站,由監(jiān)控分站通過總線[4-6]發(fā)送到傳感器,從而實現煤礦井下傳感器的在線升級。

        1 礦用傳感器在線遠程升級組成結構

        1.1 系統(tǒng)組成

        系統(tǒng)主要由地面中心站服務器、環(huán)網交換機、礦用監(jiān)控分站、礦用傳感器及執(zhí)行器等組成。中心站服務器與礦用分站通過以太網光纖網絡連接,礦用分站和礦用傳感器之間通過CAN 總線連接,升級固件程序通過中心站通過以太網下載到礦用分站中,礦用分站通過CAN 總線傳輸給礦用傳感器,系統(tǒng)組成結構圖如圖1。

        圖1 系統(tǒng)組成結構圖Fig.1 System composition structure

        1.2 礦用傳感器

        礦用傳感器主要由STM32F103Rx[7]處理器、穩(wěn)壓電源電路、晶振電路、復位電路、CAN 總線通信電路、ADC 轉換外圍電路、紅外遙控電路及LEC 顯示電路組成。礦用傳感器結構如圖2,STM32F103 為Cortex-M3[8]內核,具有成本低、功耗低、高性能、實時性好等特點。片上資源比較豐富,包括1 路CAN 通信接口,5 個USART 接口、JTAG 調試口,4 個16 位定時器、3 路ADC 通道等;片內具有256KB 的Flash和48KB 的SRAM。

        圖2 傳感器組成結構圖Fig.2 Sensor structure diagram

        3 在線升級技術

        在線升級是指MCU 中運行的固件程序在運行過程中對實現對片內代碼存儲Flash 的擦除、編程,新的固件程序通過CAN 總線通訊接口下載到MCU的Flash 中,IAP[9-10]技術可以對存儲固件程序的Flash 區(qū)域進行重新燒寫然后利用IAP 功能實現在線更新礦用傳感器固件。因此,利用IAP 技術可以方便地通過CAN 總線通信口對礦用傳感器中的固件程序進行遠程更新升級。和傳統(tǒng)方式相比,基于IAP 技術的固件升級不需要到井下替換傳感器,不需要打開外殼,不需要使用下載器等。

        3.1 Flash 存儲器分區(qū)及在線升級過程

        STM32F103RCT6 的片內Flash 寫保護以扇區(qū)為單位,每扇區(qū)4 KB,根據Flash 容量不同,頁大小分為1 KB 和2 KB,本文用處理器頁大小為2 KB 。也就是對FLASH 的編程寫入以2 KB 為單位,本設計傳輸協(xié)議制定也以此為單位進行數據傳輸。處理器片內256 K 的Flash 劃分為3 個區(qū)域:第1 區(qū)域用來存儲Bootloader 程序,包括Flash 操作相關程序、中斷向量,硬件驅動、通信協(xié)議驅動等;第2 區(qū)域用來存儲正常運行的固件程序;第3 區(qū)域存儲固件升級程序,片上FLASH 存儲器分區(qū)如圖3。根據礦用傳感器固件大小進行容量劃分,礦用傳感器固件為28 KB,相對于256 K 的Flash 有很大的預留空間,每一區(qū)域中間可以預留一定的空白區(qū)域,防止區(qū)域程序重疊。通過修改STM32F103 的Bootloader 程序或工程的鏈接腳本可以修改程序存儲的起始地址。

        圖3 片上Flash 存儲器分區(qū)Fig.3 Flash memory partition on a chip

        礦用傳感器在出廠時是將Bootloader 配置程序燒寫到Flash 的第1 部分,并對該區(qū)域進行讀寫保護,防止升級過程中的誤操作把Bootloader 程序擦除。第1 區(qū)域引導程序只能通過下載器編程;第2 區(qū)域的固件應用程序通過在線方式編程或下載器編程;第3 區(qū)域升級更新程序通過IAP 在線方式編程。當礦用傳感器需要進行固件升級時,用戶固件程序跳轉到Bootloader 程序,Bootloader 程序不需要對舊版本的用戶固件程序進行擦除,直接將新版本的用戶固件程序通過CAN 總線接口下載到第3 區(qū)域的Flash 中,通過將中斷向量表從新映射,使Bootloader程序跳轉到第3 區(qū)域進行運行,從而完成固件程序的更新。

        3.2 CAN 總線傳輸協(xié)議及效驗機制

        CAN 總線協(xié)議[5]分為遠程幀和數據幀,遠程幀多用于命令傳遞,數據幀用于數據傳輸,數據幀格式分為標準幀格式和擴展幀格式,標準幀為11 位標識符,擴展幀為29 位標識符,設計礦用傳感器CAN總線通信協(xié)議以CAN2.0A 標準幀為主,對CAN2.0A幀結構進行了從新劃分,對仲裁段的標識符和數據段中的數據場進行了從新劃分。CAN2.0A 鏈路層標準幀數據結構包括幀起始、仲裁段、控制端、數據段、CRC 校驗段、ACK 應答段和幀結束。

        CAN 總線在線升級的關鍵是要設計CAN 總線應用層協(xié)議,通信協(xié)議設計的重點是CAN 標識符的分配與設計,所設計的應用層協(xié)議將CAN 協(xié)議中的11bit 標識符區(qū)域劃分為3 個部分, 標識符區(qū)域劃分表見表1。

        表1 標識符區(qū)域劃分表Table 1 Identifier area division table

        在礦用傳感器升級協(xié)議中,ID10-ID6 這8 位填充接收數據傳感器地址;ID3-ID1 這3 位為命令類型碼;ID0 為幀類型占用1 位,單幀數據用0 表示,多幀數據用1 表示。單幀數據主要應用于升級命令類,包括:數據包、升級申請,信息應答,錯誤應答等;多幀數據每幀數據的第1 個字節(jié)為幀序,第2 個字節(jié)以后為升級固件數據,構固件程序升級數據格式見表2。每個數據包為固定的1 024 字節(jié)數據,當接收完2 包數據后進行FLASH 寫入操作,這是因為利用IAP 技術進行擦除或者寫入時,每次對片上FLASH 編程的字節(jié)數為固定的2 048 字節(jié)。

        4 在線升級程序流程

        礦用傳感器在線升級流程如圖4。

        在正常執(zhí)行應用程序的過程中,當接收到礦用分站固件升級指令后,程序跳轉到Bootloader 執(zhí)行IAP 程序,當礦用分站接收到返回指令后,逐幀發(fā)送有效數據到礦用傳感器,傳感器每接收1 幀升級數據都會檢驗其目標地址合法性、數據完整性等信息,對于有效的升級固件數據,系統(tǒng)將按照目標地址寫入SRAM 的待寫入區(qū)。當接收2 包固件數據為2 048 字節(jié)后,為了節(jié)省SRAM 資源占用,將1 頁2 KB 數據寫入FLASH,待寫入成功后,返回寫入成功信息給礦用分站,分站繼續(xù)發(fā)送固件數據,一直到所以固件程序發(fā)送完成。待更新代碼全部寫入備份區(qū)后,通過更新中斷向量表從新映射,實現程序指針跳轉到新的固件main 函數執(zhí)行,實現程序的平穩(wěn)過度。在接收數據的過程中如果有錯誤指令信息,分站則重新發(fā)送出現錯誤的數據幀。

        表2 固件程序升級數據格式Table 2 Firmware program upgrade data format

        圖4 在線升級流程圖Fig.4 Online upgrade flow chart

        如果在升級過程中傳感器掉電、通信中斷或者通信超時等造成在線升級失敗時,礦用傳感器會繼續(xù)執(zhí)行第2 區(qū)域固件程序,仍然能按照原有用戶程序繼續(xù)正常運行。

        5 結 語

        結合全數字化監(jiān)控系統(tǒng)現有網絡結構,工業(yè)以太網+總線的方式,設計了基于CAN 總線的礦用傳感器遠程在線升級功能,制定了CAN 總線應用層通信協(xié)議。利用以太網網絡節(jié)點上的礦用分站,使得礦用傳感器的固件更新更加高效方便,降低設備維護成本,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過將處理器片上FLASH 合理分區(qū)及固件程序數據分塊傳輸等方式,實現了即使升級出現錯誤時也能保證傳感器的穩(wěn)定運行。實驗測試證明,該技術方案具有較好的可行性、穩(wěn)定性和可靠性,可以廣泛地應用于CAN 總線式嵌入式固件程序升級。

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