實(shí)用的CAN總線分布式嵌入式系統(tǒng)升級(jí)設(shè)計(jì)方案

嵌入式系統(tǒng)具有智能化程度高、體積小、可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用于消費(fèi)電子、工業(yè)控制、汽車電子等各個(gè)行業(yè)。往往一個(gè)大的系統(tǒng)又由許多小的嵌入式系統(tǒng)共同構(gòu)成，它們之間通過(guò)相互通信協(xié)同完成各種檢測(cè)控制任務(wù)，構(gòu)成分布式嵌入式系統(tǒng)。汽車電子系統(tǒng)中的車載GPS、倒車?yán)走_(dá)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制、儀表盤系統(tǒng)等，數(shù)控機(jī)床中的鍵盤顯示系統(tǒng)、馬達(dá)控制系統(tǒng)等，這些無(wú)一不是嵌入式系統(tǒng)的具體應(yīng)用。

眾多嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用也為軟件升級(jí)帶來(lái)了諸多困難，主要有以下幾點(diǎn)：

①這些系統(tǒng)分處于大系統(tǒng)的各個(gè)位置，單獨(dú)對(duì)每個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)比較困難；

②某些系統(tǒng)為了滿足保密和可靠性的要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了永久密封，只預(yù)留了通信和電源端口，這就更不可能單獨(dú)對(duì)它進(jìn)行升級(jí)。

針對(duì)這些問(wèn)題，本文提出一種利用CAN總線的分布式嵌入式系統(tǒng)升級(jí)方案，實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)、單點(diǎn)甚至全系統(tǒng)的升級(jí)，其他種類的通信端口與此類似。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)由多個(gè)獨(dú)立的完成一定功能的嵌入式模塊、CAN總線和一個(gè)用于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)的控制模塊組成。其中，控制模塊也可以是其中一個(gè)功能模塊。在每個(gè)功能模塊上安裝有獨(dú)立的引導(dǎo)程序，可以看作該模塊的Bootloader,該引導(dǎo)程序永久固化在模塊內(nèi)，不隨程序升級(jí)而升級(jí)。在該引導(dǎo)程序中嵌入CAN總線通信程序。正常工作情況下每個(gè)功能模塊單獨(dú)或通過(guò)CAN總線與其他模塊協(xié)同工作。當(dāng)需要對(duì)某個(gè)模塊進(jìn)行軟件升級(jí)時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)升級(jí)控制模塊向該模塊發(fā)送升級(jí)命令，該模塊接收到命令后即跳轉(zhuǎn)至引導(dǎo)程序，并等待系統(tǒng)升級(jí)模塊發(fā)送升級(jí)數(shù)據(jù)，升級(jí)結(jié)束后再跳回至應(yīng)用程序。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 在線升級(jí)的實(shí)現(xiàn)原理

采用ST公司基于ARM Cortex-M3核心的32位嵌入式處理器STM32F103VC,其片上Flash為主存儲(chǔ)區(qū)。應(yīng)用程序代碼是存儲(chǔ)在閃存（Flash）中的（0x0800C3000~0x0807FFFF），而Flash是按Page來(lái)管理的，所以可以把Flash分成幾個(gè)區(qū)域來(lái)使用。在本系統(tǒng)中將Flash分成兩個(gè)區(qū)域，其中一個(gè)為前面提到的引導(dǎo)程序區(qū)，另外一個(gè)為應(yīng)用程序區(qū)。Flash分區(qū)如圖2所示。

圖2 Flash分區(qū)

芯片上電后，STM32F103VC會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到0x08000000地址執(zhí)行后面的程序。而一個(gè)工程的起始位置（也就是main函數(shù)的地址）具體映射到Flash的地址是可以設(shè)置的。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，在Flash放了兩個(gè)main函數(shù)。引導(dǎo)程序用于對(duì)應(yīng)用程序的升級(jí)和上電后跳轉(zhuǎn)至應(yīng)用程序，應(yīng)用程序則完成相應(yīng)的模塊功能。這兩個(gè)區(qū)域通過(guò)特定的指令可以實(shí)現(xiàn)相互的跳轉(zhuǎn)，并以此實(shí)現(xiàn)在線升級(jí)。

2.2 硬件系統(tǒng)

STM32F103VC處理器具有高性能、低成本、低功耗等特點(diǎn)。該處理器片上外設(shè)豐富，具有多個(gè)系統(tǒng)定時(shí)器、CAN通信接口、USART通信接口、DMA等豐富的資源，并且借助于ST公司提供的固件庫(kù)，可以很容易地對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行操作。該處理器集成了256 KB片上Flash和64KB片上SRAM,足以應(yīng)對(duì)大多數(shù)任務(wù)。為實(shí)現(xiàn)CAN總線通信，只需要為STM32F103VC添加一片CAN驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

2.3 軟件系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)在線升級(jí)功能，首先需要編寫引導(dǎo)程序，然后將它燒入Flash引導(dǎo)區(qū)中。為防止應(yīng)用程序升級(jí)失敗，在引導(dǎo)程序中需判斷Flash指定位置是否有程序完好標(biāo)志，該標(biāo)志由完整的應(yīng)用程序在每次上電后寫入。應(yīng)用程序可采用燒寫方式和升級(jí)方式寫入相應(yīng)程序區(qū)。為實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)程序和應(yīng)用程序之間的相互跳轉(zhuǎn)，采取指向函數(shù)指針的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。可以將Flash中的引導(dǎo)程序和應(yīng)用程序作為兩個(gè)普通函數(shù)，這兩個(gè)函數(shù)的進(jìn)入位置分別為0x08000000和0x08004000,然后在引導(dǎo)程序中設(shè)置一個(gè)指向函數(shù)的指針，其指針值為0x08004000;同理，在應(yīng)用程序中設(shè)置一個(gè)函數(shù)指針，其值為0x08000000.這樣在相應(yīng)的程序中調(diào)用函數(shù)指針時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)程序跳轉(zhuǎn)。

CAN總線采用多主競(jìng)爭(zhēng)工作方式和非破壞性總線仲裁技術(shù)，總線上任意節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)退出發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)較高的節(jié)點(diǎn)不受影響，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間，即使在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下，也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況。因此，適用于分布式監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。由于CAN總線協(xié)議規(guī)范只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，所以在實(shí)際應(yīng)用中必須根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)制定合適的應(yīng)用層協(xié)議。本系統(tǒng)中根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸要求自定義了幾個(gè)應(yīng)用層命令，分別是升級(jí)相關(guān)命令和數(shù)據(jù)收發(fā)校驗(yàn)相關(guān)命令，限于篇幅在此就不一一詳述。

3 軟件升級(jí)過(guò)程

軟件升級(jí)包括升級(jí)控制模塊部分和待升級(jí)模塊部分。

升級(jí)控制模塊部分的工作過(guò)程為：向待升級(jí)模塊發(fā)送升級(jí)命令，待接收到模塊返回的確認(rèn)標(biāo)志后，再通過(guò)CAN應(yīng)用層協(xié)議向待升級(jí)模塊發(fā)送升級(jí)數(shù)據(jù)，升級(jí)完成后向待升級(jí)模塊發(fā)送完成命令。

待升級(jí)模塊工作流程如圖4所示。分為引導(dǎo)程序部分和應(yīng)用程序部分，這兩部分內(nèi)容在開發(fā)的時(shí)候是作為兩個(gè)獨(dú)立的工程項(xiàng)目來(lái)完成的。

為確保在線升級(jí)的安全性，在Flash指定位置設(shè)置了一個(gè)程序完好標(biāo)志。由于Flash的擦寫是按照Page進(jìn)行的，所以這個(gè)標(biāo)志即使只有一位也需占用一個(gè)Page的大小。本系統(tǒng)中將標(biāo)志設(shè)置在Flash最后一個(gè)Page.如果應(yīng)用程序區(qū)沒有空余的Page來(lái)寫入該標(biāo)志，就要考慮換用更大Flash容量的產(chǎn)品或者外擴(kuò)存儲(chǔ)器。程序完好標(biāo)志在應(yīng)用程序進(jìn)入的時(shí)候?qū)懭?，在接收到升?jí)命令時(shí)擦除。若在引導(dǎo)程序中檢測(cè)該標(biāo)志不合法，就一直處于升級(jí)狀態(tài)，直到最后收到升級(jí)成功命令為止。

程序跳轉(zhuǎn)示例性跳轉(zhuǎn)代碼如下：

typedef void（*pFunc）（vold）； //自定義函數(shù)指針數(shù)據(jù)類型

pFunc Jump_To_App; //定義一個(gè)指向應(yīng)用程序的指針

Jump_To_App=（pFunc）0x08004000;

Jump_To_App（）；

需要注意的是，在程序執(zhí)行跳轉(zhuǎn)代碼前，需要關(guān)閉中斷響應(yīng)，以避免發(fā)生不可預(yù)測(cè)的異常。同時(shí)，當(dāng)程序跳轉(zhuǎn)前，需要將堆棧指針設(shè)置到相應(yīng)的程序區(qū)域。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)CAN總線對(duì)分布式嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行在線升級(jí)非常具有代表性，隨著越來(lái)越多的芯片集成了豐富多樣的片上通信外設(shè)（如以太端口、I2C總線等），使得嵌入式系統(tǒng)的升級(jí)也具有更多樣式，甚至可以通過(guò)公用網(wǎng)絡(luò)（如因特網(wǎng)、GPRS等）進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)。