基于CAN總線的在線更新機(jī)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引言

分散型控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)終端一般由控制器和各檢測(cè)模塊構(gòu)成，它們之間通過(guò)一定的通信網(wǎng)絡(luò)建立數(shù)據(jù)的交換鏈路。這種系統(tǒng)具有高可靠、開放性、靈活性、協(xié)調(diào)性、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。然而，該分散型系統(tǒng)也具有終端數(shù)量多、分布范圍廣的特點(diǎn)。一旦終端系統(tǒng)軟件存在缺陷或用戶提出新的功能和指標(biāo)要求時(shí)，其升級(jí)、維護(hù)的工作量和成本都非常大。本文針對(duì)上述情況，設(shè)計(jì)了一種方便、靈活、快速及穩(wěn)定地對(duì)MCU節(jié)點(diǎn)進(jìn)行在線更新的機(jī)制。基于LPC11C24微控制器組成的CAN網(wǎng)絡(luò)，采用IAP 編程技術(shù)(In Application Programming)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)MCU的軟件更新功能。

1 LPC11C24 單片機(jī)和CAN總線

恩智浦半導(dǎo)體(NXP)推出業(yè)界首款內(nèi)嵌易用型片上CANopen 驅(qū)動(dòng)，集成高速CAN 物理層收發(fā)器的微控制器LPC11C22 和LPC11C24.作為一種獨(dú)特的系統(tǒng)級(jí)封裝解決方案，LPC11C22和LPC11C24集成了TJF1051CAN 收發(fā)器，在低成本LQFP48 封裝中實(shí)現(xiàn)了完整的CAN功能。

控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network,CAN)是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國(guó)BOSCH公司開發(fā)了的，并最終成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(ISO11898)。它是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。近年來(lái)，其所具有的高可靠性和良好的錯(cuò)誤檢測(cè)能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境。

2 在線更新機(jī)制架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)主要由2 部分組成：由各個(gè)MCU 組成的CAN 網(wǎng)絡(luò);安裝在PC 機(jī)上的USB-CAN 通信卡，可以使PC機(jī)連上CAN網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。軟件也包括2部分：運(yùn)行在PC機(jī)的上位機(jī)軟件，提供用戶操作界面，將應(yīng)用程序代碼通過(guò)CAN 總線發(fā)送給節(jié)點(diǎn);運(yùn)行在節(jié)點(diǎn)的啟動(dòng)程序，主要是響應(yīng)下載命令，接受代碼，把代碼寫入FLASH,引導(dǎo)應(yīng)用程序。

3 在線更新機(jī)制的設(shè)計(jì)

3.1 IAP編程技術(shù)

IAP是應(yīng)用在FLASH程序存儲(chǔ)器的一種編程模式，即在某段程序的控制下完成對(duì)FLASH的讀/寫操作，可以控制對(duì)某段、某頁(yè)、甚至某個(gè)字節(jié)的讀寫操作。

LPC11C24單片機(jī)支持并提供9條IAP命令：

①準(zhǔn)備寫操作的扇區(qū);

②將RAM內(nèi)容復(fù)制到FLASH;

③擦除扇區(qū);

④扇區(qū)查空;

⑤讀器件ID;

⑥讀Boot代碼版本;

⑦比較;

⑧重新調(diào)用ISP;

⑨讀UID.

3.2 FLASH空間分配

LPC11C24 有32 KB 的FLASH 空間，共分為8 個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)的大小為4 KB.為了使程序更新和應(yīng)用程序更加獨(dú)立，本文將FLASH空間分為3個(gè)區(qū)，分別為啟動(dòng)程序區(qū)，應(yīng)用程序區(qū)，用戶數(shù)據(jù)區(qū)。

其中①啟動(dòng)程序是一段特定的駐留代碼，專門用于接收來(lái)自主機(jī)新的代碼，將其燒寫到相應(yīng)的FLASH空間，完成后跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用代碼區(qū)去執(zhí)行新的程序，代碼比較少，編譯生成的映像文件小于4 KB,每次系統(tǒng)上電或重啟后先執(zhí)行啟動(dòng)程序。

②應(yīng)用程序是真正實(shí)現(xiàn)用戶功能的代碼。

③用戶數(shù)據(jù)區(qū)是用于存儲(chǔ)應(yīng)用程序的一些設(shè)置和數(shù)據(jù)。

3.3 中斷向量表重映射與復(fù)制

LPC11C24支持32個(gè)向量中斷，中斷向量表默認(rèn)位于FLASH 的第一個(gè)4 KB 空間，地址從0×00000000~0×00000079.按照前面的設(shè)計(jì)，啟動(dòng)程序占用第一個(gè)4KB的空間，當(dāng)跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序時(shí)，實(shí)際的中斷向量表是位于0×00001000~0×00001079的空間。但LPC11C24系列的單片機(jī)不支持自定義中斷向量表的地址，只支持將中斷向量表從FLASH重映射到RAM.

為了能讓應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)正常的中斷處理，啟動(dòng)程序在跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序之前還需要將應(yīng)用程序的中斷向量表復(fù)制并映射到RAM[10].

代碼實(shí)例如下：

3.4 啟動(dòng)程序和應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)與固化

程序都在Keil for ARM 集成環(huán)境下編寫并編譯。

首先在Keil軟件下新建基于LPC11C24的工程，并配置FLASH和SRMA的起始地址和大小。具體如表2所示。

3.5 啟動(dòng)程序與應(yīng)用程序之前的跳轉(zhuǎn)

在啟動(dòng)程序中定義應(yīng)用程序的地址，#defineAPP_CODE_ADDR (0×00001000)，程序跳轉(zhuǎn)的代碼采用匯編語(yǔ)言編寫，代碼實(shí)例如下：

3.6 啟動(dòng)代碼的實(shí)現(xiàn)流程當(dāng)用戶需要更新應(yīng)用代碼時(shí)，PC的上位機(jī)軟件通過(guò)CAN總線向各種終端發(fā)送升級(jí)命令。而終端開機(jī)后自動(dòng)運(yùn)行啟動(dòng)程序，啟動(dòng)程序會(huì)檢測(cè)沒有升級(jí)命令，如果有的話，則接收應(yīng)用程序代碼，直到完成整個(gè)升級(jí)。如果沒有，則運(yùn)行應(yīng)用程序。實(shí)現(xiàn)的流程圖如圖2,圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的在線更新機(jī)制結(jié)合了IAP 編程技術(shù)和CAN 通信技術(shù)，在單片機(jī)內(nèi)部采用了靈活的FLASH 空間架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了CAN 總線的在線更新機(jī)制。該設(shè)計(jì)方案已經(jīng)成功應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中，實(shí)踐證明，該方法操作簡(jiǎn)便、靈活、可靠，具有一定的實(shí)際價(jià)值。