陳 爽

（遼寧思凱科技股份有限公司，遼寧 丹東 118008）

0 引 言

隨著智慧城市概念的不斷深入，智慧生活理念不斷增強(qiáng)，互聯(lián)互通成為引領(lǐng)時(shí)代潮流的主題化代名詞，體現(xiàn)在燃?xì)庑袠I(yè)的技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展的歷程為：普通機(jī)械式膜式燃?xì)獗怼A(yù)付費(fèi)IC、CPU 卡智能膜式燃?xì)獗怼悄軣o(wú)線遠(yuǎn)傳燃?xì)獗怼悄艹暡o(wú)線遠(yuǎn)傳燃?xì)獗?。智能超聲波無(wú)線遠(yuǎn)傳燃?xì)獗硪?guī)避了膜式燃?xì)獗頇C(jī)械磨損的弊端，降低了燃?xì)饧瘓F(tuán)供銷差，更有效地保障安全計(jì)量、安全用氣。但超聲波燃?xì)獗韀1]在應(yīng)用過(guò)程中也存在諸如微小流量誤報(bào)、脈動(dòng)流等問(wèn)題，還可能存在其他潛在的、未知的風(fēng)險(xiǎn)。另外，隨著技術(shù)的進(jìn)步，需要通過(guò)云端[2]獲取燃?xì)獗砩蠄?bào)的用氣情況進(jìn)行用戶用氣習(xí)慣的大數(shù)據(jù)分析，以保障用戶加深用氣安全理念，同時(shí)掌握其他非硬件變動(dòng)情況下用戶需求的改變。燃?xì)獗淼倪h(yuǎn)程升級(jí)變成了解決上述問(wèn)題的一種必要的技術(shù)手段。

為解決超聲波燃?xì)獗淼拇a處理量過(guò)大、占用程序存儲(chǔ)空間過(guò)多，以及使用傳統(tǒng)的差分方式會(huì)導(dǎo)致極少的改動(dòng)和產(chǎn)生較多的差分升級(jí)包等問(wèn)題，選用或研發(fā)適宜的差分升級(jí)方式以及在不改變超聲波燃?xì)獗肀旧砉δ艿那疤嵯陆档痛a存儲(chǔ)空間顯得尤為重要。減少升級(jí)包，降低程序升級(jí)過(guò)程中的交互次數(shù)有如下優(yōu)勢(shì)：首先，市面上的超聲波燃?xì)獗泶蠖疾捎盟上碌姆桨高M(jìn)行數(shù)據(jù)采集，正常模式下松下?lián)Q能器2 s 發(fā)送一次數(shù)據(jù)到燃?xì)獗碇骺匕澹式档蜔o(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕换ゴ螖?shù)可有效地緩解甚至避免計(jì)量數(shù)據(jù)被打斷或丟失的問(wèn)題；其次，普通程序升級(jí)方式下，由于升級(jí)包數(shù)過(guò)多，長(zhǎng)時(shí)間占用信道，影響其他表具的附網(wǎng)成功率；再次，普通程序升級(jí)方式下，升級(jí)時(shí)間較長(zhǎng)，這對(duì)于電池電量的損耗是未知的，同時(shí)多包數(shù)據(jù)交互也大大降低了程序升級(jí)的一次成功率。因此，減少程序升級(jí)過(guò)程中的交互次數(shù)十分必要。

1 差分升級(jí)方案的制定

超聲波燃?xì)獗硗ǔ＞邆淙缦鹿δ埽河?jì)量數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)，拆表、倒流、反裝、脈動(dòng)流及安全功能檢測(cè)，無(wú)線通信配合紅外通信的遠(yuǎn)程控制等。其代碼空間的占用量大于等于60 KB，遠(yuǎn)大于無(wú)線遠(yuǎn)傳膜式燃?xì)獗硭褂玫拇a空間。

考慮到針對(duì)指定硬件主板，其AD 采集、I2C、SPI、液晶驅(qū)動(dòng)等底層驅(qū)動(dòng)程序是固定不變的，故采用一種新思想：將固定不變的底層程序固化于BootLoader 程序中，應(yīng)用程序可通過(guò)指針?lè)绞?，調(diào)用引導(dǎo)程序中的底層驅(qū)動(dòng)程序，從而通過(guò)降低應(yīng)用程序的代碼空間，節(jié)省單片機(jī)硬件資源（程序存儲(chǔ)空間）的同時(shí)，間接降低差分程序的差分包數(shù)。在此前提下，可選取性價(jià)比較高且資源滿足當(dāng)前需求的國(guó)產(chǎn)單片機(jī)：FM33LG048。

采用新型的差分升級(jí)包的生成方式：借鑒效率較高且便于應(yīng)用的Diff and Patch 差分包生成方式，結(jié)合單片機(jī)輸出全部子函數(shù)入口地址，以供上位機(jī)精準(zhǔn)比對(duì)當(dāng)前APP 程序與待升級(jí)APP 程序的差異的方式，進(jìn)行差分包[3]的生成。在此基礎(chǔ)上，為滿足對(duì)差分包的進(jìn)一步壓縮，選用可調(diào)整壓縮等級(jí)的LZO、LZW、GZIP 等方法對(duì)差分包進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮。

保障數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾约胺乐雇獠繑?shù)據(jù)攻擊，也是值得考慮的技術(shù)亮點(diǎn)。綜合考慮代碼空間及數(shù)據(jù)加密的安全級(jí)別等問(wèn)題，選用FM33LG048 自帶的AES128 硬件加密模塊（加密模式選用CBC 模式[4]，該模式加密安全系數(shù)較高，不易被主動(dòng)攻擊）。配合使用場(chǎng)內(nèi)自定義的SM2[5]（橢圓曲線公鑰密碼算法）作為數(shù)字簽名方法，以保證數(shù)據(jù)完整性。

基于上述應(yīng)用情況，本文重點(diǎn)介紹了一種新型差分升級(jí)方式。該方法需將應(yīng)用程序中驅(qū)動(dòng)層程序固化于引導(dǎo)程序中，選用Diff and Patch 的文件差分方法對(duì)文件進(jìn)行差分，并配合可配置壓縮率的數(shù)據(jù)壓縮方法，通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞綄⒓用芎蟮腜atch 包傳遞到燃?xì)獗韮?nèi)，在應(yīng)用程序中進(jìn)行解壓縮、解Patch，后跳轉(zhuǎn)于引導(dǎo)程序中，將解碼包覆蓋原有應(yīng)用程序，最終實(shí)現(xiàn)程序升級(jí)。

2 程序空間分區(qū)及BootLoader 中底層驅(qū)動(dòng)程序固化的實(shí)現(xiàn)

2.1 程序存儲(chǔ)空間分區(qū)

程序存儲(chǔ)空間分為4 個(gè)區(qū)域，分別為：搭載底層驅(qū)動(dòng)的BootLoader 區(qū)、Patch 包存儲(chǔ)區(qū)、應(yīng)用程序運(yùn)行區(qū)、Patch 包解壓縮暫存及備份程序存儲(chǔ)區(qū)。搭載底層驅(qū)動(dòng)的BootLoader區(qū)的作用是：將應(yīng)用程序中固定不變的底層驅(qū)動(dòng)子程序全部生成到引導(dǎo)程序中，以便程序復(fù)位時(shí)代碼從BootLoader 程序跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序后，應(yīng)用程序能夠?qū)σ龑?dǎo)程序中的底層驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)用。Patch 包存儲(chǔ)區(qū)的作用是：將通過(guò)差分包生成組件生成的壓縮后的差分包，通過(guò)無(wú)線遠(yuǎn)傳或紅外近端無(wú)線通信等方式發(fā)送到指定的超聲波燃?xì)獗斫K端，經(jīng)判定接收數(shù)據(jù)無(wú)誤后，存儲(chǔ)于該區(qū)域備用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置。應(yīng)用程序運(yùn)行區(qū)的作用是：作為存儲(chǔ)程序正常執(zhí)行時(shí)的表端功能性程序的存儲(chǔ)位置。Patch 包解壓縮暫存區(qū)及備份程序存儲(chǔ)區(qū)的作用是：既可以將壓縮的Patch 包解壓縮后暫時(shí)存儲(chǔ)到該區(qū)域，然后整體搬運(yùn)到Patch 包存放區(qū)，又可將解Patch后所還原出的待升級(jí)應(yīng)用程序存放于此位置，以便待升級(jí)應(yīng)用程序校驗(yàn)成功后直接覆蓋原應(yīng)用程序存儲(chǔ)區(qū)。程序存儲(chǔ)空間分區(qū)示意圖如圖1 所示。

2.2 BootLoader 中進(jìn)行底層驅(qū)動(dòng)程序固化的實(shí)現(xiàn)

將底層驅(qū)動(dòng)程序固化到BootLoader中的操作方式主要是采用了幾個(gè)關(guān)鍵的C 語(yǔ)言語(yǔ)法，以及在Keil 中實(shí)現(xiàn)將變量或常量存于FLASH 的指定位置。具體實(shí)現(xiàn)方式如下：

（1）將自定義的底層驅(qū)動(dòng)程序的子函數(shù)庫(kù)文件夾添加到BootLoader 程序所在的工程下，這時(shí)如果該底層驅(qū)動(dòng)程序不被BootLoader 程序調(diào)用，在該工程中是不會(huì)被編譯的。故我們可新建一個(gè)const unsigned int 類型的不定長(zhǎng)數(shù)組，將每一個(gè)底層驅(qū)動(dòng)子函數(shù)的地址取出存放于指定位置。例如：

const uint32_t func_table[]__attribute__((section(“.ARM.__at_0x00001000”))) ={(uint32_t)&API_ADC};

該語(yǔ)法的意義是，將API_ADC 子函數(shù)的地址取出，存放于0x00001000 地址所指向的FLASH 空間。

（2）要實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用程序中調(diào)用固化于BootLoader 的底層驅(qū)動(dòng)程序，需在引導(dǎo)程序中開(kāi)辟的存放驅(qū)動(dòng)程序的首地址位置進(jìn)行調(diào)用。接上例，已知底層驅(qū)動(dòng)程序的全部子程序執(zhí)行位置首地址均依次存放于以0x00001000 為首地址的數(shù)組func_table[]中，進(jìn)行如下操作即可調(diào)用API_ADC 函數(shù)：

值得注意的是，此例中僅為如何在應(yīng)用程序中調(diào)用引導(dǎo)程序的一個(gè)函數(shù)，如有多個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，依次排列即可。

2.3 BootLoader 中進(jìn)行底層驅(qū)動(dòng)程序固化的優(yōu)勢(shì)

由于底層驅(qū)動(dòng)程序是無(wú)須進(jìn)行更改的單片機(jī)硬件配置應(yīng)用程序，諸如串口驅(qū)動(dòng)程序、定時(shí)器驅(qū)動(dòng)程序及液晶顯示驅(qū)動(dòng)程序等，均為可被BootLoader、當(dāng)前執(zhí)行的應(yīng)用程序、待升級(jí)的應(yīng)用程序重復(fù)利用的代碼。該底層驅(qū)動(dòng)程序固化的實(shí)現(xiàn)方式，避免了在BootLoader、當(dāng)前執(zhí)行的應(yīng)用程序、待升級(jí)的應(yīng)用程序中重復(fù)定義3 次，節(jié)省了2 倍的代碼空間，可將節(jié)省下來(lái)的代碼空間分配給Patch 包存儲(chǔ)區(qū)，這樣就避免了因程序存儲(chǔ)空間的不足而需引入外掛FLASH，從而造成成本增加等方面的困擾。

3 可變壓縮率新型Patch 差分包生成方式

3.1 Diff and Patch 思想的原理

新型Patch 差分包生成方式參考了Diff and Patch 思想，Diff 和Patch 是一對(duì)相互配合使用的算法工具。從數(shù)學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，Diff 算法是對(duì)兩個(gè)有交集的集合的差運(yùn)算，而Patch算法則是對(duì)兩個(gè)有交集的集合的和運(yùn)算（值得注意的是，對(duì)兩個(gè)無(wú)交集的集合進(jìn)行運(yùn)算毫無(wú)意義）。Diff 的作用是比較兩個(gè)相關(guān)聯(lián)的文件的差異，并將差異記錄下來(lái)，生成一個(gè)差分文件，即Patch 文件（又可稱為補(bǔ)丁文件）。舉例說(shuō)明：現(xiàn)有文件A 和文件B，經(jīng)過(guò)Diff 算法運(yùn)算后生成文件C，該過(guò)程相當(dāng)于A-B=C，而Patch 運(yùn)算的過(guò)程為B+C=A 或A-C=B。故可知，對(duì)于A、B、C 文件，已知其中兩個(gè)就能用Diff and Patch 算法還原出第三個(gè)文件。

3.2 新型Patch 差分包的生成原理

新型Patch 差分包的生成原理為：同時(shí)獲取當(dāng)前應(yīng)用程序文件中各函數(shù)首地址，及待升級(jí)程序文件中各函數(shù)首地址，并將地址順序由大到小排序。通過(guò)對(duì)比兩文件中均存在的各函數(shù)對(duì)應(yīng)存放位置偏移情況，及函數(shù)占用空間長(zhǎng)度的差異，精準(zhǔn)定位差異區(qū)。對(duì)于刪減或者新增的代碼，須做額外標(biāo)記，以便在應(yīng)用程序中進(jìn)行填充。最后利用Diff and Patch 開(kāi)源代碼進(jìn)行改造，從而生成新型Patch 差分包，該差分包的字節(jié)數(shù)必小于等于直接封裝好的利用Diff and Patch開(kāi)源代碼所生成的字節(jié)數(shù)。

值得注意的是，對(duì)于使用類似Keil 開(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā)的代碼可借助于.map 文件進(jìn)行調(diào)用；否則，新型Patch 差分包的生成方案必須借助于嵌入式程序配套處理。需要在嵌入式程序中進(jìn)行如下操作：首先，定義const unsigned int 類型的不定長(zhǎng)數(shù)組，在數(shù)組中存放全部使用的main 函數(shù)及子函數(shù)的入口地址；然后，將print 打印函數(shù)映射到指定可輸出數(shù)據(jù)的串口；最后，將存放程序入口地址的數(shù)組中的成員依次進(jìn)行打印輸出，全部傳遞給差分包生成組件。.map 文件導(dǎo)出程序地址的格式如圖2 所示。

圖2 .map 文件導(dǎo)出程序地址格式

3.3 差分包生成組件生成差分包的配置流程

差分包生成組件包括：升級(jí)包選擇區(qū)，用以導(dǎo)入原程序文件及待升級(jí)程序文件的可拖拽式接口；串口設(shè)置區(qū)，用以配置與表端相匹配的串口波特率、校驗(yàn)位、停止位及數(shù)據(jù)位，實(shí)現(xiàn)與超聲波燃?xì)獗碇靼暹M(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信；差分升級(jí)區(qū)，可配置壓縮率，可點(diǎn)擊“導(dǎo)入文件”按鈕，導(dǎo)入差分包到顯示窗口，可選擇進(jìn)行本地升級(jí)或無(wú)線升級(jí)的功能。差分包生成組件的界面如圖3 所示。

圖3 差分包生成組件界面

差分包生成組件配置流程為：第一步，將原程序文件拖入舊文件存放區(qū)，將待升級(jí)程序文件拖入新文件存放區(qū)備用；第二步，配置串口參數(shù)（須根據(jù)超聲波燃?xì)獗矶说拇趨?shù)進(jìn)行相應(yīng)的配置）；第三步，超聲波燃?xì)獗砀鶕?jù)與差分包生成組件間的私有協(xié)議，發(fā)送原程序文件及待升級(jí)程序文件的全部main 函數(shù)及子函數(shù)的入口地址（若存在.map 文件，則點(diǎn)擊“解析.map”，利用該文件生成差分包）；第四步，選擇壓縮率（本組件采用LZO 數(shù)據(jù)壓縮方式）；第五步，點(diǎn)擊“導(dǎo)入文件”按鈕，生成差分包。由圖3 可知，導(dǎo)入的OLD2.bin、NEW2.bin 文件大小分別為75 264 B、75 260 B，生成的差分文件大小為5 547 B。由此可知用于程序升級(jí)的數(shù)據(jù)量大大減少了。

差分包生成組件支持本地差分升級(jí)功能（差分包已經(jīng)按照私有協(xié)議進(jìn)行分段，可直接用于對(duì)超聲波燃?xì)獗淼拇诓罘稚?jí)）。選用NB 模組作為超聲波燃?xì)獗淼臒o(wú)線通信模組[6]時(shí)，無(wú)線差分升級(jí)須基于SOTA升級(jí)技術(shù)[7]，將組件生成的.bin格式的差分包文件導(dǎo)入AEP 平臺(tái)的SOTA 升級(jí)組件中，并下發(fā)升級(jí)任務(wù)。等待表具主動(dòng)上報(bào)后，執(zhí)行SOTA 升級(jí)流程。

4 差分?jǐn)?shù)據(jù)包的加密、驗(yàn)簽?zāi)Ｊ降倪x取及應(yīng)用

4.1 AES 加密算法的特點(diǎn)

AES 加密算法是一種使用密鑰加密的標(biāo)準(zhǔn)區(qū)塊加密算法，可彌補(bǔ)DES 算法的缺點(diǎn)，并且可以取代它。AES 加密算法是一種對(duì)稱加密算法，在國(guó)際上是通用的，其CBC 模式極大地增加了破解難度， 且FM33LG048 單片機(jī)中自帶硬件AES 加密機(jī)制，故選取該算法對(duì)超聲波燃?xì)獗淼牟罘职M(jìn)行加密。AES 加密算法的CBC 模式的數(shù)據(jù)加密流程如圖4 所示。

圖4 CBC 模式的數(shù)據(jù)加密流程

4.2 SM2 驗(yàn)簽算法的特點(diǎn)

SM2 算法是國(guó)家保密標(biāo)準(zhǔn)非對(duì)稱算法[8]，該算法雖然不具備國(guó)際通用性，且私有性很強(qiáng)，但其運(yùn)用的橢圓曲線公鑰密碼算法的安全性是超乎想象的，即便使用極短的密鑰也能提供相當(dāng)大的安全性。故選用該算法作為超聲波燃?xì)獗聿罘职用芎蟮尿?yàn)簽算法的性價(jià)比是極高的。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著燃?xì)庑袠I(yè)各項(xiàng)技術(shù)和通信技術(shù)的進(jìn)步，燃?xì)庑袠I(yè)不斷與時(shí)俱進(jìn)、突破發(fā)展成為了必然趨勢(shì)。將無(wú)線通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到極致，使廣大燃?xì)庥脩羰斋@更多方便的體驗(yàn)，也是新型超聲波燃?xì)獗硇枰?、迭代的根本原因。本文中所描述的基于FM33LG048 的超聲波燃?xì)獗硇滦筒罘稚?jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念正是服務(wù)于提升燃?xì)庥脩羰褂皿w驗(yàn)、提升燃?xì)庑袠I(yè)技術(shù)水平這一思想。這一新型差分升級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，借助于LoRa[9]、4G、NB（采用SOTA 升級(jí)方式最佳）、5G 等無(wú)線通信方式[10]得以實(shí)現(xiàn)。該新型差分升級(jí)方案大大減少了差分升級(jí)的交互報(bào)文包數(shù)，降低了干擾計(jì)量精確度的風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省了表具升級(jí)時(shí)進(jìn)行無(wú)線通信交互的功耗，減少了因占用信道時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而阻礙其他表具聯(lián)網(wǎng)進(jìn)程的風(fēng)險(xiǎn)，提升了用戶使用超聲波燃?xì)獗淼捏w驗(yàn)，為燃?xì)饧瘓F(tuán)及燃?xì)庥脩魩?lái)極大的便利。