基于CAN的遠(yuǎn)程下載技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用

  摘要: 變制冷劑流量(VRV) 空調(diào)控制系統(tǒng)具有多傳感器、溫度數(shù)據(jù)具有時(shí)滯特性，維護(hù)程序代碼和功能調(diào)試非常困難，因而提出利用VRV 系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)和單片機(jī)的Bootloader 特性，開發(fā)基于CAN 總線的遠(yuǎn)程下載功能。根據(jù)VRV 控制系統(tǒng)的應(yīng)用需求，制訂了通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了包括單點(diǎn)、多點(diǎn)及廣播等多種遠(yuǎn)程下載方式，并具有軟件復(fù)位、數(shù)據(jù)加解密、異常處理等新功能。該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于VRV 空調(diào)控制系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試，應(yīng)用效果良好。

0 引 言

變制冷劑流量(Variable Refrigerant Volume, VRV)空調(diào)系統(tǒng)是一種網(wǎng)絡(luò)空調(diào)系統(tǒng)，由制冷劑管路網(wǎng)絡(luò)和通訊信息流網(wǎng)絡(luò)組成，并且一臺室外機(jī)通過配管和通訊總線連接多臺室內(nèi)機(jī)，由在監(jiān)控室的監(jiān)控PC 機(jī)，監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示。

VRV 空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

圖 1 VRV 空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

系統(tǒng)控制信息通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸，實(shí)現(xiàn)對制冷劑管路網(wǎng)絡(luò)中制冷劑流量的精確調(diào)配，可使系統(tǒng)具有控溫舒適可靠、節(jié)能環(huán)保、節(jié)省建筑空間等優(yōu)勢，近十幾年得到迅猛的普及。

通訊信息流網(wǎng)絡(luò)是VRV 系統(tǒng)的重要組成部分。下文為敘述方便，將監(jiān)控PC 機(jī)稱為主機(jī)端、室外機(jī)和室內(nèi)機(jī)統(tǒng)稱為目標(biāo)端。

由于每套系統(tǒng)都有多個(gè)參數(shù)需要傳感器實(shí)時(shí)檢測，并且溫度數(shù)據(jù)本身具有很大的時(shí)滯性，因而維護(hù)程序代碼和功能調(diào)試非常困難。本文提出一種利用VRV 的通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控PC機(jī)進(jìn)行程序遠(yuǎn)程下載的方法。

另外，VRV 空調(diào)系統(tǒng)的通信信息流網(wǎng)絡(luò)目前還沒有統(tǒng)一的總線標(biāo)準(zhǔn)，國際上各大廠家都是制定自己的總線標(biāo)準(zhǔn)，兼容性不夠。我們在系統(tǒng)設(shè)計(jì)VRV 控制系統(tǒng)時(shí)，經(jīng)多方比較，最后鑒于CAN 總線高安全性、故障自動(dòng)退出等優(yōu)勢，選擇CAN 總線作為系統(tǒng)的通訊總線。

VRV 系統(tǒng)的室外機(jī)和室內(nèi)機(jī)選一款支持CAN 模塊的Microchip公司的dsPIC33FJ 單片機(jī)作為主控制芯片。并且這款單片機(jī)本身支持Bootloader 功能，這為開發(fā)遠(yuǎn)程下載，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)維護(hù)和程序更新提供了一種可能。

本文開發(fā)出一種基于 CAN 總線，支持單點(diǎn)、多點(diǎn)及廣播等多種方式的遠(yuǎn)程下載的技術(shù)，并具有軟件復(fù)位、異常處理、數(shù)據(jù)加/解密等突出功能。這些功能極大方便了對VRV 空調(diào)控制系統(tǒng)的維護(hù)和應(yīng)用，也為初期進(jìn)行空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)、調(diào)試提供了一種極為便利的手段。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 遠(yuǎn)程下載原理

目標(biāo)端復(fù)位后，在一個(gè)指定的時(shí)間內(nèi)，目標(biāo)端都監(jiān)測與主機(jī)端相連的通訊總線是否有數(shù)據(jù)流活動(dòng)。如果有，則跳轉(zhuǎn)到Bootloader 自舉程序，執(zhí)行Bootloader 自舉功能，將接收的數(shù)據(jù)，寫入目標(biāo)端的用戶應(yīng)用程序段，直到全部數(shù)據(jù)接收完成后，再跳轉(zhuǎn)到用戶應(yīng)用程序段，執(zhí)行剛接收到的新代碼，實(shí)現(xiàn)用戶應(yīng)用程序的更新。如果超過時(shí)限，都沒有監(jiān)測到該總線上有數(shù)據(jù)流活動(dòng)，則直接跳轉(zhuǎn)到用戶應(yīng)用程序段，執(zhí)行原有的程序功能。

在此一共有三段程序：

⑴目標(biāo)端的自舉程序和用戶應(yīng)用程序。這兩個(gè)程序都是基于MAPLAB IDE 工具開發(fā)。

⑵主機(jī)端程序。這個(gè)程序是用Visual Studio C++開發(fā)，只有主機(jī)端程序才能主動(dòng)發(fā)起與目標(biāo)端自舉程序間的通信。

整個(gè)通訊過程如圖2 所示，其中：

(1)主機(jī)端程序讀取和解析MAPLAB IDE 編譯器生成的用戶應(yīng)用程序，并組織數(shù)據(jù)。

(2)通過CAN 總線將解析、重組后的數(shù)據(jù)傳輸給目標(biāo)端器件。

(3)目標(biāo)端自舉程序(Bootloader)，將收到的數(shù)據(jù)加載到目標(biāo)端器件相應(yīng)的FALSH 段上。

通訊過程示意圖

圖 2 通訊過程示意圖[!--empirenews.page--]

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

在整個(gè)設(shè)計(jì)開發(fā)中，關(guān)鍵之處是目標(biāo)端 Bootloader 自舉程序的開發(fā)。結(jié)合到VRV 空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該至少具有以下功能：

(1)多種下載方式的提供。VRV 空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行當(dāng)中，可能需要根據(jù)實(shí)際情況采用不同的方式來進(jìn)行遠(yuǎn)程下載。因而需要實(shí)現(xiàn)對單點(diǎn)、多點(diǎn)及廣播等通訊方式的支持。

(2)軟件復(fù)位功能。即便是目標(biāo)端設(shè)備已經(jīng)具備利用Bootloader 自舉程序來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程下載的能力，但由于Bootloader 機(jī)制需要目標(biāo)端先復(fù)位，才能重新再執(zhí)行Bootloader 自舉程序。

然而現(xiàn)場環(huán)境往往不能實(shí)施掉電或其他硬件方式復(fù)位目標(biāo)端設(shè)備，這便需要有軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)位的手段。在此，將軟件復(fù)位作為自定義的通訊協(xié)議中一個(gè)命令，由主機(jī)端發(fā)送給目標(biāo)端，目標(biāo)端的用戶應(yīng)用程序內(nèi)接收到這一命令，經(jīng)過解析、確認(rèn)后進(jìn)行復(fù)位。

(3)加/解密功能。鑒于多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的商用價(jià)值，Bootloader 程序應(yīng)當(dāng)具備加密的功能，保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)。這可以通過主機(jī)端和目標(biāo)端之間采用一種密鑰或加、解密算法，融合到通訊數(shù)據(jù)中實(shí)現(xiàn)。

(4)異常處理功能。在通訊過程中，很有可能出現(xiàn)如主機(jī)端出現(xiàn)故障，造成當(dāng)前的數(shù)據(jù)不能繼續(xù)成功發(fā)給目標(biāo)端。目標(biāo)端運(yùn)行自舉程序時(shí)，只有等到主機(jī)端數(shù)據(jù)全部通訊完畢，才可以跳轉(zhuǎn)到用戶應(yīng)用程序，繼續(xù)執(zhí)行。此會(huì)造成目標(biāo)端一直處于等待狀態(tài)，效率低下或者接收錯(cuò)誤數(shù)據(jù)并執(zhí)行，以致出現(xiàn)嚴(yán)重后果。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)需要預(yù)留一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)異常處理的命令以便主機(jī)端恢復(fù)后，將這個(gè)命令下發(fā)，目標(biāo)段根據(jù)這個(gè)命令，重新接收正確的數(shù)據(jù)。

2 協(xié)議設(shè)計(jì)

要將系統(tǒng)的目標(biāo)端和主機(jī)端之間，設(shè)計(jì)成支持單點(diǎn)、多點(diǎn)以及廣播等多種遠(yuǎn)程下載方式，并且支持、軟件復(fù)位和異常處理、加解密等功能，可以充分利用 CAN 總線數(shù)據(jù)幀的29 位（遵循CAN2.0B 協(xié)議）標(biāo)識符來實(shí)現(xiàn)。定制的通訊協(xié)議中CAN 的幀格式如表1 所示，將CAN 的29 位標(biāo)示符分為五段：優(yōu)先級、控制域、通訊方式、節(jié)點(diǎn)編號、命令編號。

表 1 數(shù)據(jù)幀29 位標(biāo)識符分配表

數(shù)據(jù)幀29 位標(biāo)識符分配表

優(yōu)先級：00->01->10->11 優(yōu)先級別依次降低，默認(rèn)優(yōu)先級別為11，故障報(bào)警優(yōu)先級最高為00，數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)先級為01，命令下傳優(yōu)先級為10，應(yīng)答返回優(yōu)先級為11。

控制域：ID26/ID22，用以表示當(dāng)前的數(shù)據(jù)幀屬于哪一種類型：故障為00、數(shù)據(jù)為01、命令10、應(yīng)答11。

通訊方式：ID24/ID15，指定當(dāng)前的數(shù)據(jù)幀是廣播傳輸或者單點(diǎn)傳輸，全為0 是單點(diǎn)而全為1 是廣播。

節(jié)點(diǎn)編號：ID14/ID8，共7 位，足夠標(biāo)識CAN 總線支持的多達(dá)112 個(gè)節(jié)點(diǎn)的最大負(fù)載。

命令編號：這里存放的是根據(jù)實(shí)際需要定制的一些命令，如軟件復(fù)位命令、異常處理命令。主機(jī)端將定制的命令編號下發(fā)，目標(biāo)端接收到命令后，解析后執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。仿照上表，配置各個(gè)目標(biāo)端的接收過濾碼和接收屏蔽碼，便可以實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)、多點(diǎn)以及廣播通訊。另外，對于單點(diǎn)通訊方式下的遠(yuǎn)程下載，為保證主機(jī)端和目標(biāo)端的通訊數(shù)據(jù)的正確和可靠傳輸，采用應(yīng)答機(jī)制來實(shí)現(xiàn)，并定制了一套圖3 所示的通訊鏈路機(jī)制。

主機(jī)端和目標(biāo)端應(yīng)答鏈路機(jī)制圖

圖 3 主機(jī)端和目標(biāo)端應(yīng)答鏈路機(jī)制圖

遠(yuǎn)程下載的通訊只能由主機(jī)端開啟。主機(jī)端先發(fā)送讀取器件型號命令，讀取目標(biāo)端器件芯片型號，目標(biāo)端收到這個(gè)命令，回復(fù)本身的型號數(shù)據(jù)作為一個(gè)應(yīng)答，主機(jī)端根據(jù)這個(gè)型號，再開辟動(dòng)態(tài)內(nèi)存和組織要下傳的數(shù)據(jù)。主機(jī)端接著下發(fā)一個(gè)讀取器件PROM 命令，以獲取目標(biāo)端器件位于地址0x00 處的數(shù)據(jù)，將和從主機(jī)端讀取并解析、組織后的HEX 文件一起下傳。主機(jī)端收到這一步的應(yīng)答后，開始發(fā)送寫PROM 命令和PROM 數(shù)據(jù)，目標(biāo)端將接收到的數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的地址段，每完成一頁寫操作，返回一個(gè)應(yīng)答,接著接收主機(jī)端下傳的下一頁數(shù)據(jù)。PROM 寫數(shù)據(jù)發(fā)送完后，主機(jī)端接著發(fā)送寫CM 數(shù)據(jù)命令和寫CM 數(shù)據(jù)，過程和寫PROM 是一樣的。最后，主機(jī)端下發(fā)一個(gè)跳轉(zhuǎn)命令，目標(biāo)端收到這個(gè)命令后，跳轉(zhuǎn)到程序存儲器的0x00 地址處。然后，目標(biāo)端根據(jù)地址0x00 處存放的數(shù)據(jù)，跳轉(zhuǎn)到用戶應(yīng)用程序。

而對于多點(diǎn)或廣播，通常都是對數(shù)百甚至上千目標(biāo)端進(jìn)行下載。如果目標(biāo)端都應(yīng)答，會(huì)造成總線上數(shù)據(jù)的堵塞，浪費(fèi)大量的總線時(shí)間。所以采用非應(yīng)答機(jī)制，直接燒寫程序存儲器。

此時(shí)主機(jī)端數(shù)據(jù)的下傳，采用定時(shí)器觸發(fā)方式。每當(dāng)定時(shí)時(shí)間到達(dá)時(shí)，觸發(fā)一次數(shù)據(jù)的發(fā)送。

直至最后，發(fā)送一個(gè)跳轉(zhuǎn)命令。如果目標(biāo)端沒有執(zhí)行跳轉(zhuǎn)，那么認(rèn)為當(dāng)前目標(biāo)端沒能正確接收主機(jī)端發(fā)送的數(shù)據(jù)，主機(jī)端重新對當(dāng)前目標(biāo)端進(jìn)行一次單點(diǎn)方式下的遠(yuǎn)程下載。

3 目標(biāo)端設(shè)計(jì)方案

目標(biāo)端Bootloader 自舉程序一般只是一個(gè)簡單的通訊程序，負(fù)責(zé)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，通常只需極少的存儲空間，可以位于單片機(jī)程序存儲器特定的Boot Segment 區(qū)域。程序存儲器還有一段稱為General Segment 區(qū)域可用于存儲用戶應(yīng)用程序。單片機(jī)的程序存儲器大多都是FLASH 閃存，數(shù)據(jù)是以一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)頁的形式存儲，必須先對當(dāng)前存儲頁擦除，然后才能寫入數(shù)據(jù)。自舉程序還需使用dsPIC33 單片機(jī)器件中斷向量表 (IVT) 中的復(fù)位向量實(shí)現(xiàn)程序的跳轉(zhuǎn)、以及器件上的CAN 通信模塊。單片機(jī)的程序存儲器的地址映射如下圖4 所示。

dsPIC33F 程序存儲器地址映射圖

圖 4 dsPIC33F 程序存儲器地址映射圖[!--empirenews.page--]

上圖給出了dsPIC33 單片機(jī)器件的程序存儲器的物理地址映射，由圖可知用戶應(yīng)用代碼應(yīng)放置在用戶應(yīng)用程序地址段，而Bootloader 代碼放在自舉程序地址段。不論目標(biāo)端自舉程序(Bootloader)需多少存儲空間，自舉程序(Bootloader)和用戶應(yīng)用程序的存儲位置都必須嚴(yán)格遵守目標(biāo)端存儲器構(gòu)架。在具體設(shè)計(jì)中，須注意：

(1)慎用中斷：Bootloader 自舉程序不建議使用中斷方式。目標(biāo)端器件在寫Flash 程序存儲器時(shí)，有一個(gè)擦除程序存儲器的操作，可能會(huì)擦除掉位于程序存儲器上的中斷向量表和備用中斷向量表地址處的值，造成系統(tǒng)的死機(jī)。另外，一個(gè)功能強(qiáng)大的程序，一般都是用中斷方式實(shí)現(xiàn)用戶應(yīng)用程序以提高實(shí)時(shí)性，這會(huì)生成一個(gè)中斷向量表，存儲在目標(biāo)端器件程指定中斷向量表和備用中斷向量表地址處。如果在 Bootloader 自舉程序也用中斷方式，會(huì)使得一個(gè)目標(biāo)端器件產(chǎn)生兩個(gè)不一樣的中斷向量表和備用中斷向量表區(qū)，造成系統(tǒng)的死機(jī)。

(2)存儲位置：Bootloader 程序和用戶應(yīng)用程序不應(yīng)處于同一頁。自舉程序(Bootloader)要先執(zhí)行擦除程序存儲器，才能將接收的新代碼存入其中。如果處于同一頁，在遠(yuǎn)程下載時(shí)，很可能擦除Bootloader 程序本身。

(3)自舉延時(shí)：必須為目標(biāo)端自舉程序的執(zhí)行指定一個(gè)延時(shí)值，這個(gè)延時(shí)值作為檢測總線數(shù)據(jù)流活動(dòng)的時(shí)限。

(4)鏈接文件配置：單片機(jī)默認(rèn)的自舉程序地址段是0X400 到0XC00。如果實(shí)際的自舉程序代碼量超過上述空間，需要修改鏈接文件，重新配置，以適合工程需要。

4 主機(jī)端設(shè)計(jì)方案

主機(jī)端的設(shè)計(jì)主要包含主機(jī)端通訊程序的實(shí)現(xiàn)，并為用戶提供一個(gè)管理遠(yuǎn)程下載、軟件復(fù)位、異常處理等功能的監(jiān)控界面。主機(jī)端程序，采用了多線程的通信存儲技術(shù)，一共包含線程:主線程、接收線程、遠(yuǎn)程下載線程，使得程序執(zhí)行效率較高。

上位機(jī)軟件界面圖

圖5 上位機(jī)軟件界面圖

軟件界面如上圖 5 所示，在這里實(shí)現(xiàn)的主要功能有：

(1)參數(shù)設(shè)置功能，包括CAN 的連接、斷開、復(fù)位、啟動(dòng)、接收過濾碼和接收屏蔽碼等CAN 自身參數(shù)的設(shè)置。

(2)文件導(dǎo)入功能，載入存儲在任意目錄下目標(biāo)端用戶應(yīng)用程序的HEX 文件。

(3)遠(yuǎn)程下載功能，這一功能由“更新按鈕”觸發(fā)產(chǎn)生，啟動(dòng)主機(jī)端程序和目標(biāo)端的通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程下載。

(4)狀態(tài)顯示功能，由兩個(gè)列表框，用于顯示導(dǎo)入的HEX 文件的數(shù)據(jù)，和實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的通訊狀態(tài)。

(5)軟件復(fù)位功能，這一功能由“自舉復(fù)位”觸發(fā)產(chǎn)生，發(fā)送一個(gè)復(fù)位命令和異常處理命令，目標(biāo)端根據(jù)命令進(jìn)行相應(yīng)操作。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合VRV 空調(diào)控制系統(tǒng)開發(fā)的實(shí)際應(yīng)用需求，以dsPIC33 單片機(jī)為硬件基礎(chǔ)，開發(fā)了基于CAN 的遠(yuǎn)程下載系統(tǒng)。系統(tǒng)同時(shí)支持單點(diǎn)、多點(diǎn)、廣播等下載方式，具有數(shù)據(jù)加密、軟件復(fù)位、異常處理等以往所開發(fā)的遠(yuǎn)程下載技術(shù)所不具備的功能。

本文主機(jī)端程序的設(shè)計(jì)采用了多線程的通信存儲技術(shù)，保證了程序的高效性和擴(kuò)展性，并且可實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)，界面風(fēng)格簡潔明了，符合工程人員操作習(xí)慣。目標(biāo)端嚴(yán)格按照dsPIC33F 單片機(jī)的體系構(gòu)架，進(jìn)行代碼開發(fā)和鏈接文件的修改及配置，程序簡潔易讀、安全可靠。本系統(tǒng)2009 年初進(jìn)行實(shí)驗(yàn)平臺的聯(lián)機(jī)調(diào)試，性能良好。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：結(jié)合VRV 空調(diào)控制系統(tǒng)具有多傳感器、溫度數(shù)據(jù)具有時(shí)滯特性，利用VRV 空調(diào)系統(tǒng)的通訊信息網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)遠(yuǎn)程下載技術(shù)，節(jié)省成本提高效能；實(shí)現(xiàn)了軟件復(fù)位和故障處理以及加解密等實(shí)際工況的需要，使得更為符合實(shí)際現(xiàn)場的需要。