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CAN總線分布式嵌入式系統(tǒng)的升級設計

   2012年05月17日 15:50  
  引言
  
  嵌入式系統(tǒng)具有智能化程度高、體積小、可靠性高、實時性強等諸多優(yōu)點,已經越來越多地應用于消費電子、工業(yè)控制、汽車電子等各個行業(yè)。往往一個大的系統(tǒng)又由許多小的嵌入式系統(tǒng)共同構成,它們之間通過相互通信協(xié)同完成各種檢測控制任務,構成分布式嵌入式系統(tǒng)。汽車電子系統(tǒng)中的車載GPS、倒車雷達、發(fā)動機控制、儀表盤系統(tǒng)等,數控機床中的鍵盤顯示系統(tǒng)、馬達控制系統(tǒng)等,這些無一不是嵌入式系統(tǒng)的具體應用。
  
  眾多嵌入式系統(tǒng)的應用也為軟件升級帶來了諸多困難,主要有以下幾點:
  
  ①這些系統(tǒng)分處于大系統(tǒng)的各個位置,單獨對每個系統(tǒng)進行升級比較困難;
  
  ②某些系統(tǒng)為了滿足保密和可靠性的要求,對系統(tǒng)進行了*密封,只預留了通信和電源端口,這就更不可能單獨對它進行升級。
  
  針對這些問題,本文提出一種利用CAN總線的分布式嵌入式系統(tǒng)升級方案,實現了多點、單點甚至全系統(tǒng)的升級,其他種類的通信端口與此類似。
  
  1、系統(tǒng)架構
  
  系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。
  
  整個系統(tǒng)由多個獨立的完成一定功能的嵌入式模塊、CAN總線和一個用于對整個系統(tǒng)進行升級的控制模塊組成。其中,控制模塊也可以是其中一個功能模塊。在每個功能模塊上安裝有獨立的引導程序,可以看作該模塊的Bootloader,該引導程序*固化在模塊內,不隨程序升級而升級。在該引導程序中嵌入CAN總線通信程序。正常工作情況下每個功能模塊單獨或通過CAN總線與其他模塊協(xié)同工作。當需要對某個模塊進行軟件升級時,通過系統(tǒng)升級控制模塊向該模塊發(fā)送升級命令,該模塊接收到命令后即跳轉至引導程序,并等待系統(tǒng)升級模塊發(fā)送升級數據,升級結束后再跳回至應用程序。
  
  2、系統(tǒng)實現
  
  2.1在線升級的實現原理
  
  采用ST公司基于ARMCortex-M3核心的32位嵌入式處理器STM32F103VC,其片上Flash為主存儲區(qū)。應用程序代碼是存儲在閃存(Flash)中的(0x0800C3000~0x0807FFFF),而Flash是按Page來管理的,所以可以把Flash分成幾個區(qū)域來使用。在本系統(tǒng)中將Flash分成兩個區(qū)域,其中一個為前面提到的引導程序區(qū),另外一個為應用程序區(qū)。Flash分區(qū)如圖2所示。
  
  圖2Flash分區(qū)
  
  芯片上電后,STM32F103VC會自動跳轉到0x08000000地址執(zhí)行后面的程序。而一個工程的起始位置(也就是main函數的地址)具體映射到Flash的地址是可以設置的。在本系統(tǒng)的設計中,在Flash放了兩個main函數。引導程序用于對應用程序的升級和上電后跳轉至應用程序,應用程序則完成相應的模塊功能。這兩個區(qū)域通過特定的指令可以實現相互的跳轉,并以此實現在線升級。
  
  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。該處理器片上外設豐富,具有多個系統(tǒng)定時器、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,可以很容易地對系統(tǒng)資源進行操作。該處理器集成了256KB片上Flash和64KB片上SRAM,足以應對大多數任務。為實現CAN總線通信,只需要為STM32F103VC添加一片CAN驅動芯片進行電平轉換。
  
  系統(tǒng)硬件結構框圖如圖3所示。
  
  2.3軟件系統(tǒng)
  
  為實現在線升級功能,首先需要編寫引導程序,然后將它燒入Flash引導區(qū)中。為防止應用程序升級失敗,在引導程序中需判斷Flash位置是否有程序完好標志,該標志由完整的應用程序在每次上電后寫入。應用程序可采用燒寫方式和升級方式寫入相應程序區(qū)。為實現引導程序和應用程序之間的相互跳轉,采取指向函數指針的方式來實現。可以將Flash中的引導程序和應用程序作為兩個普通函數,這兩個函數的進入位置分別為0x08000000和0x08004000,然后在引導程序中設置一個指向函數的指針,其指針值為0x08004000;同理,在應用程序中設置一個函數指針,其值為0x08000000.這樣在相應的程序中調用函數指針時就可以實現程序跳轉。
  
  CAN總線采用多主競爭工作方式和非破壞性總線仲裁技術,總線上任意節(jié)點可在任意時刻主動地向網絡上其他節(jié)點發(fā)送信息而不分主次,各節(jié)點之間實現自由通信。當多個節(jié)點同時向總線發(fā)信息時,優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動退出發(fā)送,而優(yōu)先級較高的節(jié)點不受影響,從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間,即使在網絡負載很重的情況下,也不會出現網絡癱瘓的情況。因此,適用于分布式監(jiān)控系統(tǒng)的數據通信。由于CAN總線協(xié)議規(guī)范只定義了物理層和數據鏈路層,所以在實際應用中必須根據實際系統(tǒng)制定合適的應用層協(xié)議。本系統(tǒng)中根據數據傳輸要求自定義了幾個應用層命令,分別是升級相關命令和數據收發(fā)校驗相關命令,限于篇幅在此就不一一詳述。
  
  3、軟件升級過程
  
  軟件升級包括升級控制模塊部分和待升級模塊部分。
  
  升級控制模塊部分的工作過程為:向待升級模塊發(fā)送升級命令,待接收到模塊返回的確認標志后,再通過CAN應用層協(xié)議向待升級模塊發(fā)送升級數據,升級完成后向待升級模塊發(fā)送完成命令。
  
  待升級模塊工作流程如圖4所示。分為引導程序部分和應用程序部分,這兩部分內容在開發(fā)的時候是作為兩個獨立的工程項目來完成的。
  
  為確保在線升級的安全性,在Flash位置設置了一個程序完好標志。由于Flash的擦寫是按照Page進行的,所以這個標志即使只有一位也需占用一個Page的大小。本系統(tǒng)中將標志設置在Flashzui后一個Page.如果應用程序區(qū)沒有空余的Page來寫入該標志,就要考慮換用更大Flash容量的產品或者外擴存儲器。程序完好標志在應用程序進入的時候寫入,在接收到升級命令時擦除。若在引導程序中檢測該標志不合法,就一直處于升級狀態(tài),直到zui后收到升級成功命令為止。
  
  程序跳轉示例性跳轉代碼如下:
  
  typedefvoid(*pFunc)(vold);//自定義函數指針數據類型
  
  pFuncJump_To_App;//定義一個指向應用程序的指針
  
  Jump_To_App=(pFunc)0x08004000;
  
  Jump_To_App();
  
  需要注意的是,在程序執(zhí)行跳轉代碼前,需要關閉中斷響應,以避免發(fā)生不可預測的異常。同時,當程序跳轉前,需要將堆棧指針設置到相應的程序區(qū)域。
  
  4、結語
  
  通過CAN總線對分布式嵌入式系統(tǒng)進行在線升級非常具有代表性,隨著越來越多的芯片集成了豐富多樣的片上通信外設(如以太端口、I2C總線等),使得嵌入式系統(tǒng)的升級也具有更多樣式,甚至可以通過公用網絡(如因特網、GPRS等)進行遠程升級。

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