1　軟件無線升級系統(tǒng)方案

基于無線通信的遠程監(jiān)控系統(tǒng)(如遠程電網(wǎng)質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)、水情測報系統(tǒng)和城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)等)應用越來越廣泛，而在實際使用過程中，由于需求的變化，經(jīng)常要對其終端設備軟件進行修改或升級。一般情況下，無線監(jiān)控系統(tǒng)與終端距離較遠，終端分散且工作環(huán)境較差。如果維護人員到現(xiàn)場進行軟件升級，不但維護費用很高，而且還可能使終端設備長時間不能正常工作。

為解決這一難題，本文提出一種利用ST公司的STR710FZ2T6作為終端微控制器，融合IAP(In Application Programming，在應用編程)技術和GPRS無線網(wǎng)絡通信技術的軟件升級系統(tǒng)方案。軟件無線升級系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1　軟件無線升級系統(tǒng)整體框圖

2　系統(tǒng)硬件和軟件設計

2.1　硬件設計

本文選用的是ST公司的一款工業(yè)級微控制器STR710FZ2T6。它是基于arm7TDMI 的32位RISC CPU，擁有豐富的外設和增強的I/O功能，并提供高達33 MHz的直接存取速度以及50 MHz零等待狀態(tài)的序列閃存;具有(256 KB+16 KB) Flash 和64 KB SRAM，內(nèi)部Flash可重復擦寫10萬次，數(shù)據(jù)保持20年，支持自編程;外部存儲器接口(EMI)可支持4個SRAM、Flash、ROM等存儲類型;芯片有多種boot方式。另外，STR710FZ2T6能夠通過運行在Flash中的程序來對自身的Flash進行更新。這個功能使其能夠通過CAN、UART、USB、無線通信等接口將程序下載到自身的Flash中。

系統(tǒng)結構如圖2所示。根據(jù)微控制器STR710FZ2T6的特點以及無線監(jiān)控終端的功能要求，硬件設計包括由電源電路、復位電路、JTAG接口電路、晶振電路組成的芯片工作最小系統(tǒng)，以及在最小系統(tǒng)上擴展的串行接口模塊、外存儲器模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和SIM300 GSM/GPRS通信模塊。其中,擴展的外存儲器包括SST公司的具有16位數(shù)據(jù)寬度的Flash存儲器SST39VF1601和ISSI公司的SRAM 存儲器IS61LV25616AL。

圖2　軟件無線升級系統(tǒng)結構框圖

2.2　終端軟件設計

系統(tǒng)終端軟件的設計包括終端引導程序設計和終端應用程序的設計。引導程序和應用程序在STR710FZ2T6中所存放的位置不同。將啟動模式配置為從片內(nèi)Flash引導之后，系統(tǒng)終端微控制器將復位，啟動之后先執(zhí)行引導程序。引導程序在執(zhí)行過程中決定是否啟動IAP升級程序;應用程序?qū)崿F(xiàn)終端的各種功能，如命令和數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送，以及新版本應用程序升級包的下載。

2.2.1　終端引導程序設計

系統(tǒng)設計時，終端引導程序通過JTAG接口燒寫到STR710FZ2T6的Flash扇區(qū)起始位置(0x40000000)處。整個引導程序占用Flash的前兩個扇區(qū)，通過啟動模式的選擇，將這塊Flash映射到0x00000000，保證系統(tǒng)上電后自動運行引導程序。終端重新啟動時，STR710FZ2T6從0x40000000地址開始讀取指令并執(zhí)行。

經(jīng)過實驗證明：將IAP升級程序存放在用戶引導部分是非常合理的，能夠避免由于應用程序升級失敗而造成的系統(tǒng)崩潰。由于終端引導程序在產(chǎn)品出廠前固化，若Flash編程失敗，微控制器將重新啟動，IAP程序利用存儲器SST39VF1601中保存的最新版本的應用程序，重新對Flash進行編程。由于引導程序有多次編程Flash扇區(qū)的能力，系統(tǒng)應用程序代碼的完整性以及應用程序升級的可靠性才得以保證。引導程序流程如圖3所示。

圖3　終端引導程序流程

終端引導程序的主要函數(shù)說明：

① main()主函數(shù)。用于初始化UART接口，PLL設定等，根據(jù)升級標志和新版本號判斷是否繼續(xù)執(zhí)行IAP。若升級標志置位，且新版本號大于當前的版本號，則啟動IAP升級程序，否則運行終端應用程序。

int __main(void)

② 對片內(nèi)Flash進行初始化操作。

void FLASH_Init(void)

③ 從第二扇區(qū)算起，計算代碼需要的扇區(qū)數(shù)。

u32 FLASH_SectorMask(vu32 Size)

④ 將新代碼需要的扇區(qū)去掉寫保護，為扇區(qū)擦除做準備。

void FLASH_WritePrConfig(u32 Xsectors，F(xiàn)unctionalState NewState)

⑤ 將新代碼需要的扇區(qū)進行擦除，為寫做準備。

void FLASH_SectorErase(u32 Xsectors)

⑥ 將新代碼寫入Flash扇區(qū)中。

void FLASH_WordWrite(u32 XtargetAdd，u32 Xdata)

2.2.2　終端應用程序設計

終端應用程序設定的起始地址是STR710Z2T6的0x40004000處，并可占用之后的整個Flash空間。終端應用程序不但完成日常各項工作任務，而且還負責接收監(jiān)控中心服務器發(fā)送的應用程序升級命令。當收到升級命令后，終端回應服務器此時若接收升級代碼，則應用程序?qū)⑸壈凑諑姆绞酵ㄟ^GPRS模塊從服務器下載到終端，通過校驗后保存到終端外部Flash存儲器SST39VF1601中，下載成功后置位升級標志和記錄升級包版本號以備引導程序升級。由于升級包的下載過程可看成是數(shù)據(jù)傳輸過程，應用程序可在下載升級包的同時進行其他任務，且不影響終端的正常工作。當終端應用程序下載完升級包之后，應用程序?qū)Ρ匾默F(xiàn)場進行保存然后主動復位，微控制器啟動之后直接執(zhí)行引導程序，并進行Flash編程。由于很多系統(tǒng)終端日常任務繁多，可通過程序中相應的設置，使新代碼下載和Flash編程盡量選擇在終端可能空閑的時間段，從而盡可能地減少升級應用程序?qū)K端正常工作的影響。

3　通信協(xié)議的設計

參照通信規(guī)約和已存在的無線配電監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)議，本文定義了3種類型的協(xié)議幀：服務器請求升級幀、升級代碼數(shù)據(jù)幀和終端回應幀。

協(xié)議幀公共數(shù)據(jù)段：

服務器請求升級幀幀格式如下：

升級代碼數(shù)據(jù)幀幀格式如下：

終端回應幀幀格式如下：

通信幀部分數(shù)據(jù)段說明：

① 數(shù)據(jù)長度。表示數(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)(由2字節(jié)構成)，為0時表示無數(shù)據(jù)，其值為此數(shù)據(jù)段到校驗和之前的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)之和。

② 升級軟件版本號。無線監(jiān)控系統(tǒng)終端收到升級請求幀之后，將此數(shù)據(jù)段和其本身的軟件版本進行比較。如果版本號小于將要升級的軟件版本，終端將回應服務器同意升級，否則放棄升級。

③ 升級文件長度。用來判斷存儲空間夠不夠存放將要升級的文件，以及升級代碼是否傳輸完畢[4]。

4　終端編程注意事項

(1) 編程代碼大小。IAP編程是用戶的IAP代碼對片內(nèi)Flash存儲器進行擦除/編程的過程。由于片內(nèi)Flash存儲空間的限制以及代碼存儲空間的限定，編程時不但需要控制IAP自身代碼量的大小，而且還要控制終端應用程序代碼的大小，絕對不能夠超出所指定的存儲范圍。

(2) 提高遠程升級速度的措施。為了提高系統(tǒng)遠程升級的速度，在代碼傳輸過程本文采取3種措施：

① 數(shù)據(jù)壓縮。數(shù)據(jù)壓縮是解決由于數(shù)據(jù)大而導致整個下載過程時間長問題的最有效的辦法，本系統(tǒng)中服務器將升級代碼進行壓縮，終端設備接收到之后進行解壓、存儲。由于應用程序的代碼滿足arm指令集的特征，所以壓縮效率較高。

② 應用程序分塊加載。在日常系統(tǒng)維護中，無論對系統(tǒng)進行升級或是修改程序中的“bug”,其實修改的只是程序中的一小部分，而大部分程序還保持原樣。因此，合理的方法是只把修改的代碼，而不是把整個二進制文件下載到遠程終端。具體的實現(xiàn)辦法是，建立分散文件，在其中按功能將應用程序劃分為多個裝載區(qū)，并為每個裝載區(qū)留有足夠大的空間，為以后的升級、修改做準備。這種做法大大減小了數(shù)據(jù)傳輸量，提高了軟件升級速度。

③ 小數(shù)據(jù)塊傳輸。由于系統(tǒng)采用錯誤重傳機制，根據(jù)實際應用經(jīng)驗，數(shù)據(jù)塊越大出現(xiàn)錯誤的機率就越大;同時，由于數(shù)據(jù)塊大，傳輸一幀的速率較低，雖然接收到的數(shù)據(jù)幀較大，但由于錯誤的機率和傳輸?shù)乃俾剩炊斐尚实拖?。采用小?shù)據(jù)塊傳輸，雖然一幀數(shù)據(jù)塊小，但彌補了上述不足。

(3) 遠程通信的誤碼處理。程序代碼傳輸過程中，終端校驗數(shù)據(jù)正確后存入SST39VF1601，檢驗錯誤時向服務器返回錯誤的編碼和幀序號并請求重發(fā)，直到檢測到結束幀為止。服務器發(fā)送最后一幀時，如果該幀的數(shù)據(jù)長度不夠，用00填充直到滿足協(xié)議中規(guī)定的長度。對于數(shù)據(jù)傳輸過程中產(chǎn)生的誤碼，系統(tǒng)采用最有效的解決辦法是CRC循環(huán)冗余效驗和重傳機制。

(4) 相同的存儲區(qū)，不同的運行區(qū)域。由于需要對Flash進行編程，但是對Flash操作的代碼不能在Flash本身運行，因此這部分代碼必須在內(nèi)部RAM中運行?？梢酝ㄟ^分散加載文件設置函數(shù)的運行空間。

(5) 用戶中斷。在系統(tǒng)中IAP程序燒寫在從0x00000000開始的兩個Flash扇區(qū)內(nèi)，而用戶程序則是存儲在從0x40004000開始的Flash空間中。如果用戶程序產(chǎn)生中斷，那么內(nèi)核會讀取到IAP的向量表，導致程序跑飛。解決辦法是，在跳轉(zhuǎn)到用戶程序之前，IAP程序把用戶程序的向量表拷貝到片內(nèi)RAM中，然后將RAM重映射到0x00000000地址，最后進行跳轉(zhuǎn)，這樣就可以保證0x00000000地址有用戶程序的向量表。

由于RAM的起始地址用來存放用戶程序的中斷向表，往其中寫入數(shù)據(jù)時，需保證這些向量表不被覆蓋，故IAP程序、用戶程序的RW base使用的是0x20000100[5]。

結語

本文利用arm微控制器和GPRS模塊，提出了一種解決無線監(jiān)控系統(tǒng)終端軟件升級和維護困難問題的方案。相信在未來通信方式更加先進、微控制器性能更加優(yōu)越的基礎上，軟件無線升級技術的應用會越來越廣泛。