基于LPC2124芯片和GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)終端系統(tǒng)程序的遠(yuǎn)程升級

作者：韋文祥，朱志杰，車琳娜，郭寶泉

引 言

用電現(xiàn)場監(jiān)控終端是一種與多功能計(jì)量設(shè)備同步計(jì)量并全方位監(jiān)控用電狀況的智能化設(shè)備，在目前全國電力緊缺的情況下，起到了削峰填谷，提高電網(wǎng)運(yùn)行效率的作用，尤其適合于對用電大戶的用電監(jiān)控。

市場的需求和應(yīng)用技術(shù)的成熟往往是矛盾的，用戶總希望盡快用到功能完善、技術(shù)先進(jìn)的產(chǎn)品，但從新技術(shù)到應(yīng)用總有一個(gè)過程。這個(gè)過程的長短最大程度上決定了產(chǎn)品的市場前景，如果要好好把握市場，常常不得不一邊開拓市場一邊完善技術(shù)。實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，要做出好的產(chǎn)品，必須與用戶形成互動(dòng)的關(guān)系，利用用戶的反饋信息對產(chǎn)品不斷完善。另外，產(chǎn)品長時(shí)間使用后，終端程序設(shè)計(jì)上的缺陷也就慢慢浮出水面，這就要求對終端系統(tǒng)程序進(jìn)行升級。如果對幾百個(gè)終端進(jìn)行現(xiàn)場ISP升級，那么不但浪費(fèi)大量的人力、財(cái)力，更重要的是浪費(fèi)了寶貴的時(shí)間，延誤了開拓市場的機(jī)遇，降低了用戶對產(chǎn)品的信譽(yù)度。

在Internet飛速發(fā)展的時(shí)代，將終端接入到Internet是解決上述問題的可靠、現(xiàn)實(shí)的方案。本設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于用電現(xiàn)場監(jiān)控終端，采用高性能Philips ARM MCULPC2124，結(jié)合GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)終端系統(tǒng)程序的遠(yuǎn)程升級。

1 LPC2124芯片簡介

1．1 功能介紹

LPC2124基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-SCPU，并帶有236 KB嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器和16 KB RAM。對于內(nèi)嵌flash存儲(chǔ)器支持JTAG、ISP、IAP等多種編程方式。

LPC2124具有非常小的64腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、4路10位ADC、PWM輸出、46個(gè)GPIO以及多達(dá)9個(gè)外部中斷，且內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，使它們特別適用于工業(yè)控制中。因?yàn)橛秒姳O(jiān)控終端對硬件資源要求高，軟件功能復(fù)雜，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，所以采用LPC2124可以提高產(chǎn)品的性價(jià)比。

1．2 Flash存儲(chǔ)系統(tǒng)

LPC2124存儲(chǔ)系統(tǒng)包含256 KB的17個(gè)扇區(qū)。Flash存儲(chǔ)器從O地址開始并向上增加，17個(gè)扇區(qū)的大小也不連續(xù)分布，17個(gè)扇區(qū)總?cè)萘繛?48 KB，剩下的8 KB存儲(chǔ)空間為Boot扇區(qū)。Boot扇區(qū)位于Flash存儲(chǔ)系統(tǒng)的頂端部分，地址空間是0x0003 EO00～0x0003FFFF。LPC2124存儲(chǔ)系統(tǒng)的地址分配如圖1所示。

Boot Block占用第17扇區(qū)，即Boot扇區(qū)。該扇區(qū)的存儲(chǔ)空間專用來存放B00t裝載程序，控制復(fù)位后的初始化操作，并提供Flash的編程方法（代碼）。B00t裝載器可啟動(dòng)對空白片的編程、已編程器件的擦除和再編程以及在運(yùn)行的系統(tǒng)中由應(yīng)用程序?qū)lash存儲(chǔ)器進(jìn)行編程。

1.3 Flash存儲(chǔ)系統(tǒng)的編程

LPC2124支持多種方式對Flash進(jìn)行編程，用來寫入用戶代碼或數(shù)據(jù)。第一種是通過內(nèi)置的串行JTAG接口；第二種是通過UART0進(jìn)行在系統(tǒng)編程（ISP）；第三種是通過在應(yīng)用編程（IAP）實(shí)現(xiàn)。

1.3.1 JTAG編程

LPC2124的JTAG Flash編程可方便下載程序到片內(nèi)Flash，但JTAG接口更主要的是提供硬件系統(tǒng)調(diào)試功能，諸如實(shí)現(xiàn)軟件的斷點(diǎn)、單步。JTAG Flash編程要中斷應(yīng)用軟件的正常運(yùn)行，連線較多，通信距離較短，而且要現(xiàn)場編程，只適應(yīng)于產(chǎn)品在開發(fā)期的調(diào)試使用。

1.3.2 在系統(tǒng)編程

ISP（In-Svstam Programming）技術(shù)，即在系統(tǒng)可編程技術(shù)，是指電路板上的空白器件可以編程寫入最終用戶代碼，而無需從電路板上取下器件；已編程的器件也可用ISP方式擦除或再編程。LPC2124支持ISP的Flash編程，但要巾止應(yīng)用軟件的正常運(yùn)行，且需要提供一定的硬件資源+包括UARTO口、RS232驅(qū)動(dòng)和CPU特殊引腳的狀態(tài)；編程要求現(xiàn)場操作，非常適用于便攜式智能儀器的升級，但顯然不適用于用電監(jiān)測終端這類安裝環(huán)境特殊的設(shè)備。ISP編程原理詳見參考文獻(xiàn)。

1.3.3 在應(yīng)用編程

在應(yīng)用編程IAP（In-Application Programming）是應(yīng)用在F1ash程序存儲(chǔ)器的一種編程模式。簡單地說就是在應(yīng)用程序控制下，對程序某段存儲(chǔ)空間進(jìn)行讀取、擦除或?qū)懭氩僮鳌ＥcISP操作非常相似。具有在線編程功能，且克服了ISP的不足之處。它可以在應(yīng)用程序正常運(yùn)行的情況下對另外一段程序Flash進(jìn)行讀／寫操作，甚至可以控制對某段、某頁甚至某個(gè)字節(jié)的讀／寫操作。這為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和固件的現(xiàn)場升級帶來了極大的靈活性。

2 IAP功能的硬件設(shè)計(jì)

基于LPC2124的以上3種編程方法的分析，IAP實(shí)現(xiàn)對終端程序升級自然是最佳選擇方案。下面介紹一種基于GPRS的遠(yuǎn)程IAP系統(tǒng)方案，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

AT45DB08081B，8Mb串行flash存儲(chǔ)器，兼有ROM的掉電數(shù)據(jù)保存和RAM的讀／寫速度，最快支持20MHz的時(shí)鐘頻率，擦寫次數(shù)達(dá)10000次，內(nèi)置2個(gè)264字節(jié)SRAM緩沖器，使得對主存儲(chǔ)體的編程可以連續(xù)進(jìn)行，省去編程等待時(shí)間。AT45DB081B采用CASON-8封裝，支持2.5～3.6 V低電壓，操作功耗低，支持模式O和3的SPI總線接口，與MCU接口簡單，穩(wěn)定可靠，非常適用于數(shù)字語音、圖像、程序代碼和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)應(yīng)用中。在本設(shè)計(jì)中采用模式0與LPC2124通信，速度可達(dá)MCU主頻的1／8。

GPRS模塊使用Wavecom公司生產(chǎn)的Q2406B，雙頻GPRS／GSM模塊（EGSM900／1800 MHz或EGSM900／l900 MHz），內(nèi)置TCP／IP，與標(biāo)準(zhǔn)AT指令完全兼容；其設(shè)計(jì)開發(fā)符合ETSI GSM Phase 2+標(biāo)準(zhǔn)。

3 IAP功能的軟件設(shè)計(jì)

3．1 IAP編程接口

LPC2124的IAP程序位于Boot扇區(qū)，復(fù)位后整個(gè)Bool扇區(qū)被映射到存儲(chǔ)地址Ox7FFFFE000～Ox7FFFFFFF處；而IAP的入口地址為0x7FFFFFFFo，程序?yàn)門humb代碼。IAP編程命令使用RAM的最高端32字節(jié)，所以應(yīng)用程序應(yīng)保留這部分RAM。在使用IAP擦除／編程操作過程中，片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器不可訪問。當(dāng)用戶應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)，用戶F1ash區(qū)域的中斷向量有效，所以在調(diào)用Flash擦除／寫IAP之前，用戶應(yīng)當(dāng)禁止中斷或確保用戶中斷向量在：RAM中有效和中斷處理程序位于RAM中。IAP代碼不使用或禁止中斷。

3．2 IAP編程C語言實(shí)現(xiàn)

對于在應(yīng)用編程，LPC2124是通過寄存器R0中的字指針指向存儲(chǔ)器（RAM）包含的命令代碼和參數(shù)來調(diào)用IAP程序。IAP命令的結(jié)果返回到寄存器R1所指向的存儲(chǔ)器（RAM）。

調(diào)用LPC2124的IAP可使用如下C語言代碼：

◆定義IAP程序入口地址

#definc lAP_LOCATl0N Ox7FFFFFFFl

◆定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來傳遞IAP命令表和結(jié)果給IAP程序

unslgned long Command［5］;

unsigncd long Result［2］；

◆定義函數(shù)類型指針，函數(shù)包括兩個(gè)參數(shù)，無返回值

typcdef void（*IAP）（unsigned int［］，unsigncdim int［］）；

IAP iap_entry； ／／定義函數(shù)指針

◆設(shè)置函數(shù)指針

iap_entry=（IAP）IAP_LOCATION；

◆使用下面的語句來調(diào)用IAP

iap_entry（command，result）；

本系統(tǒng)是基于LPC2124工程模板進(jìn)行移植的，在ADSl.2嵌入式軟件開發(fā)平臺上，用C語言直接調(diào)用IAP程序代碼實(shí)現(xiàn)IAP編程。IAP的命令碼、狀態(tài)碼和命令詳解以及IAP功能的詳細(xì)應(yīng)用見參考文獻(xiàn)。

4 遠(yuǎn)程升級在用電現(xiàn)場監(jiān)控終端的應(yīng)用

終端軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括用戶引導(dǎo)程序設(shè)計(jì)（與Boot裝載程序有區(qū)別，前者由用戶設(shè)計(jì)，后者由芯片生產(chǎn)商設(shè)計(jì)并固化）和應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。它們在LPC2124中的入口地址不同，終端復(fù)位后，如果未進(jìn)入ISP編程狀態(tài)，則首先執(zhí)行用戶引導(dǎo)程序，由用戶引導(dǎo)程序決定執(zhí)行IAP升級還是正常運(yùn)行；應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)終端的各種功能，包括新版本應(yīng)用程序升級包的下載。

4．1 終端用戶引導(dǎo)程序設(shè)計(jì)

終端用戶引導(dǎo)程序是基于文件系統(tǒng)的思想來設(shè)計(jì)的。終端的應(yīng)用程序代碼存放在LPC2124的Flash存儲(chǔ)器中，終端正常運(yùn)行時(shí)，MCU不停地從Flash中讀取指令。如果對應(yīng)用程序升級，即對應(yīng)用程序占用的Flash存儲(chǔ)器扇區(qū)進(jìn)行擦除和再編程，顯然執(zhí)行Flash編程的代碼占用的Flash扇區(qū)不能被擦除，那么升級程序的代碼只能用單獨(dú)的扇區(qū)存放，升級程序的執(zhí)行可由應(yīng)用程序調(diào)用，也可作為單獨(dú)的程序執(zhí)行。由于LPC2124的IAP代碼采用16位Thumb指令集，執(zhí)行IAP的過程中應(yīng)禁止或者關(guān)閉中斷。如果將升級程序采用應(yīng)用程序調(diào)用的方式來設(shè)計(jì)，會(huì)增加應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，升級的可靠性較差。LPC2124復(fù)位后，由于Boot程序總是從Flash的0地址讀取指令，所以升級程序代碼放在起始扇區(qū)內(nèi)，設(shè)計(jì)為用戶引導(dǎo)程序的一部分，而用戶引導(dǎo)程序總是不被修改的。如果升級過程失敗，MCU復(fù)位后應(yīng)用程序可以重新升級，增強(qiáng)了升級的可靠性。

終端用戶引導(dǎo)程序在系統(tǒng)上電后執(zhí)行。首先它檢查應(yīng)用程序升級標(biāo)志和版本號。當(dāng)檢查到升級標(biāo)志置位且出現(xiàn)新版本號時(shí)，從AT45DB081B中讀取應(yīng)用程序升級包，然后執(zhí)行LPC2124的Flash編程動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)用程序的升級。升級任務(wù)完成后，清除升級標(biāo)志和更新應(yīng)用程序版本，最后轉(zhuǎn)移到應(yīng)用程序入口并執(zhí)行應(yīng)用程序代碼。引導(dǎo)過程流程如圖3所示。

4．2 終端應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

終端應(yīng)用程序負(fù)責(zé)完成終端的數(shù)據(jù)采集、更新、掃描，并上報(bào)告警事件，控制現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行前置機(jī)的遠(yuǎn)程命令及保存各種歷史數(shù)據(jù)等。前置機(jī)的遠(yuǎn)程命令包括讀／寫終端命令、中繼命令和遠(yuǎn)程升級命令。當(dāng)終端接收到前置機(jī)的遠(yuǎn)程升級命令后，終端分析升級命令幀，讀取升級包信息，包括包總長度、包校驗(yàn)碼、幀序號和幀校驗(yàn)碼，然后應(yīng)答前置機(jī)并請求發(fā)送后繼數(shù)據(jù)幀，終端對后繼數(shù)據(jù)幀進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)正確則應(yīng)答成功和接收下一幀數(shù)據(jù)，否則應(yīng)答失敗并要求終端重發(fā)。連續(xù)5次重發(fā)失敗，則認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量差而取消當(dāng)前升級操作，保存成功接收到的幀號和數(shù)據(jù)校驗(yàn)和以備續(xù)傳。應(yīng)用程序升級包按幀的方式通過GPRS Modem，由前置機(jī)下載到終端，并保存到終端的AT45DB081B Flash存儲(chǔ)器。下載成功后，置位升級標(biāo)志和記錄升級包版本號，以備用戶引導(dǎo)程序升級。

升級包的下載過程可看成是數(shù)據(jù)的傳輸過程，應(yīng)用程序可同步實(shí)現(xiàn)終端的其他各種功能，不影響終端的正常運(yùn)行。應(yīng)用程序升級包下載成功后，終端進(jìn)行必要的現(xiàn)場保存并主動(dòng)復(fù)位，從而執(zhí)行用戶引導(dǎo)程序升級的最后一步——Flash編程。另外，也可在終端里配置升級時(shí)間，避開終端任務(wù)重負(fù)荷階段，使得升級過程對終端正常工作的影響降低到最小。

應(yīng)用程序升級包的下載流程如圖4所示。

4．3 通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

GPRS與Internet連接建立后，進(jìn)入數(shù)據(jù)透明傳輸階段。本系統(tǒng)在完善的TCP／IP機(jī)制基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)用戶應(yīng)用層協(xié)議。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)某個(gè)終端的系統(tǒng)軟件升級，前置機(jī)將要升級的程序代碼轉(zhuǎn)化為寫終端升級代碼幀，接入Internet到GPRS網(wǎng)絡(luò)，透明傳輸下載到目標(biāo)終端。根據(jù)江西省用電現(xiàn)場服務(wù)與管理系統(tǒng)通信規(guī)約，將寫終端升級代碼幀分為3種：前置機(jī)升級請求幀、升級代碼數(shù)據(jù)幀和終端回應(yīng)幀。幀格式在參考文獻(xiàn)中有詳細(xì)說明。

5 遠(yuǎn)程IAP應(yīng)用的可靠性探討

終端應(yīng)用程序的升級過程不免要受到環(huán)境的干擾，如終端掉電、異常的終端復(fù)位和網(wǎng)絡(luò)通信阻塞等故障，都會(huì)導(dǎo)致終端遠(yuǎn)程IAP的失敗，因此必須提供一套可靠的軟硬件機(jī)制來保證終端IAP過程的正常工作。以下是本系統(tǒng)中采取的措施：

◆終端掉電及異常復(fù)位處理。由于終端的停電及電網(wǎng)波動(dòng)等干擾引起的終端復(fù)位，都將中止終端的升級過程，導(dǎo)致升級失敗。本系統(tǒng)采用下載和IAP過程完全分離的升級方式。IAP位于用戶引導(dǎo)程序部分，不被擦除。AT45DB08lB中總是備份最新版本終端應(yīng)用程序，所以任何階段操作失敗都能保證終端的正常工作。另外，在終端配備蓄電池和充電電路，在終端主電源來電時(shí)對蓄電池充電，使得終端掉電時(shí)也可正常運(yùn)行，遠(yuǎn)程IAP過程更為可靠。

◆遠(yuǎn)程通信的誤碼處理。對數(shù)據(jù)傳輸過程產(chǎn)生的誤碼，通用的、有效的解決辦法，就是用CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)和重傳機(jī)制。數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼校驗(yàn)正確后存入AT45DB081B，錯(cuò)誤時(shí)返回錯(cuò)誤編碼發(fā)和幀序號請求重發(fā)，直到檢測到結(jié)束幀。結(jié)束幀數(shù)據(jù)長度不夠，用00填充。

◆網(wǎng)絡(luò)阻塞、故障處理。由于地形和環(huán)境因素的影響，GPRS網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程IAP的通信過程中可能出現(xiàn)阻塞或斷開的情況。這時(shí)終端和前置機(jī)對無回應(yīng)幀采用延時(shí)重發(fā)的機(jī)制，連續(xù)5次不成功則斷開GPRS網(wǎng)并重新連接，終端保存升級的下載斷點(diǎn)信息，以待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后繼續(xù)傳數(shù)據(jù)。

結(jié)語

該設(shè)計(jì)方案基本解決了本系統(tǒng)的遠(yuǎn)程代碼升級的問題，增強(qiáng)了系統(tǒng)軟件維護(hù)的方便性，縮短了新產(chǎn)品的上市時(shí)間，也為用戶提供了更安全、快捷的服務(wù)。用GPRS網(wǎng)絡(luò)作為傳輸通道，為接入Internet困難的偏遠(yuǎn)地區(qū)的現(xiàn)場用電監(jiān)控終端的遠(yuǎn)程維護(hù)，提出了一種全新的、可靠的設(shè)計(jì)方案。

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