基于Vxworks網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程更換程序設(shè)計

賀濤　王定濤　柴介雄

摘要：針對機車上設(shè)備的現(xiàn)場應(yīng)用與軟件升級，本文借助VxWorks系統(tǒng)平臺，運用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)一鍵更換所有插件應(yīng)用程序的方法，為現(xiàn)場提供了快捷簡便地更換應(yīng)用程序解決方案。

關(guān)鍵詞：更換應(yīng)用程序；網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)；VxWorks系統(tǒng)；現(xiàn)場應(yīng)用

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

機車上設(shè)備大部分是基于組匣的設(shè)計模式，內(nèi)部由各個插件拼組而成，而各個插件的通信連接都掛載在以太網(wǎng)交換機中。每個插件都接入組匣的卡槽中，在組匣后背端按照某種通信介質(zhì)連接起來，形成一個整體（設(shè)備）。

每個插件都有自己的CPU處理器和操作系統(tǒng)，為了簡化系統(tǒng)的復(fù)雜性，每個插件都采用相同的CPU架構(gòu)，本文采用的CPU為飛思卡爾公司提供的MPC5125處理器，它提供豐富的外設(shè)資源，如10路串口、2路CAN以及兩路FEC網(wǎng)絡(luò)控制器等。它片內(nèi)只有32KRAM資源，沒有片內(nèi)FLASH，因此每個插件都擴展了FLASH和RAM內(nèi)存，其FLASH容量為16M，RAM為128M。采用VxWorks操作系統(tǒng)，系統(tǒng)在上電復(fù)位后，利用Bootloader程序，把FLASH中的應(yīng)用執(zhí)行程序拷貝到RAM運行，在啟動應(yīng)用程序執(zhí)行。

在應(yīng)用程序啟動前，首先需要通過下載工具把程序固化到FLASH中。目前，F(xiàn)LASH燒寫方式主要分為兩種，一種是借助下載工具（風(fēng)河仿真器），直接下載到板級FLASH中，這種為編程器燒寫方式，這種方式適用于開發(fā)員進行仿真調(diào)試和下載程序；另外，風(fēng)河公司的仿真工具價格昂貴，大量采用仿真工具更換應(yīng)用程序使得費用成本增高；且不適用于組匣現(xiàn)場更換應(yīng)用程序。另一種方式為是適用于現(xiàn)場特定環(huán)境燒寫方式，運用板子上自帶的通信媒介直接更換應(yīng)用程序。本文采用第二種方式，運用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和VxWorks系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信，實現(xiàn)無線遠(yuǎn)程應(yīng)用程序下載和升級。

1 系統(tǒng)平臺

本設(shè)計的機車設(shè)備采用組匣機箱，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。本組匣有五個插件，四個應(yīng)用插件，一個交換機插件。其中應(yīng)用插件處理不同的應(yīng)用功能，它的每個網(wǎng)絡(luò)口都連接在交換插件上。交換機對外網(wǎng)提供一個公共網(wǎng)絡(luò)接口，該接口可以連接無線網(wǎng)絡(luò)路由器，PC機間接地與組匣進行連接。

2 軟件設(shè)計

實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)更換程序，需要實現(xiàn)三部分，分別分為應(yīng)用程序加載模塊、Vxworks網(wǎng)絡(luò)通信模塊、PC機側(cè)應(yīng)用模塊。PC機側(cè)應(yīng)用程序這部分提供人機交互界面，可以是通過WEB網(wǎng)頁，也可以窗口界面進行程序下載操作，本設(shè)計采用窗口界面進行開發(fā)。Vxworks網(wǎng)絡(luò)通信模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，按照設(shè)定的協(xié)議進行網(wǎng)絡(luò)通信，保證下載程序的完整性和保密性。Vxworks提供的TCP/IP協(xié)議、Socket套接字模式，方便網(wǎng)絡(luò)程序應(yīng)用開發(fā)。應(yīng)用程序加載模塊提供程序加載方式，包括校驗程序數(shù)據(jù)，提供指定入口加載。其中后面兩個模塊為插件的軟件設(shè)計。

2.1 應(yīng)用程序加載模塊

插件程序在啟動時，加載FLASH Boot啟動代碼，完成CPU相關(guān)初始化和內(nèi)存配置等等，然后拷貝應(yīng)用程序到RAM區(qū)運行。為了把應(yīng)用程序和維護代碼隔離開來，需要對FLASH進行合理劃分，這也是程序下載的關(guān)鍵部分，其應(yīng)用程序加載過程如圖2所示。從圖中把FLASH劃分了四個部分，兩個相同的應(yīng)用程序加載部分，一個文件區(qū)和系統(tǒng)配置部分。

插件在硬件設(shè)計時，設(shè)定在FLASH啟動。Flash劃分為兩個相同的應(yīng)用程序部分，分別為A和B。其中應(yīng)用程序A部分提供系統(tǒng)維護功能、應(yīng)用程序B部分提供應(yīng)用程序功能。當(dāng)檢測到0xFC400000位置應(yīng)用程序不存在或者系統(tǒng)崩潰，則拷貝應(yīng)用程序A到RAM區(qū)間，然后啟動應(yīng)用程序A部分維護代碼。這兩個應(yīng)用程序在下載時，存在文件區(qū)，等完成所有文件下載并校驗成功后，文件區(qū)自動把兩個應(yīng)用程序拷貝B區(qū)，然后重新啟動系統(tǒng)。這樣備份了應(yīng)用程序，不容易丟失。

2.2 Vxworks網(wǎng)絡(luò)通信模塊

Vxworks網(wǎng)絡(luò)通信模塊完成PC與插件之間的通信協(xié)議，是網(wǎng)絡(luò)下載的關(guān)鍵部分。它們之間采用UDP協(xié)議，采用SOCKET編程，主要由VXWORKS提供，這里主要實現(xiàn)應(yīng)用協(xié)議層，它主要實現(xiàn)五個功能，分別是建立連接、驗證與認(rèn)可、數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)校驗及程序燒寫，其通信過程如圖3所示。

2.2.1 建立連接

在沒有進行通訊前，并不知道對方設(shè)備是否存在，也不知道對方是什么插件設(shè)備，因此需要建立查詢機制，首先PC網(wǎng)絡(luò)端發(fā)送廣播幀，給各個設(shè)備，等待設(shè)備應(yīng)答。當(dāng)檢測到設(shè)備應(yīng)答后，將周期性發(fā)送檢測信息，查詢設(shè)備是否一直存在，當(dāng)周期通信5次沒有收到應(yīng)答信息，建立連接自動斷開，并提示無設(shè)備連接。

2.2.2 驗證與認(rèn)可

更換程序時，由于沒有驗證過程，因此技術(shù)人員可以隨意進行更換，這樣將不能把控程序更換的版本與正確性。因此在程序進行下載時，需要驗證與認(rèn)可，密鑰由管理人員分配，發(fā)送密文后，插件驗證密文的正確性，當(dāng)驗證密文正確后，才可以進行程序下載，這樣保證程序更換不能擅自下載。

2.2.3 數(shù)據(jù)傳輸

由于網(wǎng)絡(luò)一包最大傳輸不超過1K字節(jié)，而通常一個系統(tǒng)代碼遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于包數(shù)，因此需要進行分包傳輸。然而數(shù)據(jù)傳輸在沒有通信機制下，是無法保證數(shù)據(jù)的完整性，本設(shè)計在進行數(shù)據(jù)傳輸時，每一個包都進行CRC校驗，并附加包序號信息。當(dāng)接收端接收數(shù)據(jù)后，解析包序號，當(dāng)出現(xiàn)不連續(xù)的包序號，接收端把丟包的數(shù)據(jù)包序號加載到請求幀里，發(fā)送端檢測接收端的請求后重傳丟包數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)包完整傳輸。

2.2.4 數(shù)據(jù)校驗與程序燒寫

發(fā)送端在進行發(fā)送拆包時，先對整個文件加入校驗信息和配置信息。當(dāng)接收端獲取到完整的數(shù)據(jù)包后，數(shù)據(jù)存放在RAM區(qū)，先對這個接收的數(shù)據(jù)解析校驗，并讀取配置信息是否與本插件的參數(shù)一樣。若數(shù)據(jù)匹配，進行下一步程序燒寫，按照應(yīng)用程序加載過程，程序會保存在文件當(dāng)中，并更改啟動信息。當(dāng)斷電重啟后，系統(tǒng)自動加載應(yīng)用程序，完成程序燒寫。

2.3 PC機端應(yīng)用程序

PC機端程序采用面向?qū)ο笤O(shè)計，主要有以下幾類組成，包括文件格式轉(zhuǎn)換類、密文驗證類、網(wǎng)絡(luò)通信類、數(shù)據(jù)傳輸類、文件數(shù)據(jù)分包類以及用戶界面類等。其類關(guān)系圖如圖4所示。

網(wǎng)絡(luò)通信類采用Socket通信，創(chuàng)建兩個網(wǎng)絡(luò)線程，一個發(fā)送網(wǎng)絡(luò)線程和一個接收網(wǎng)絡(luò)線程。這個線程管理網(wǎng)絡(luò)接收和發(fā)送 ，當(dāng)用戶需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，先把數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)傳輸緩沖區(qū)，網(wǎng)絡(luò)發(fā)送線程檢測緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)，啟動網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，直到緩沖區(qū)為空，網(wǎng)絡(luò)接收過程同理。 文件格式轉(zhuǎn)換類實現(xiàn)燒寫數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換格式對象是HEX文件，由于Vxworks開發(fā)工具編譯后生成HEX文件格式，因此把HEX文件轉(zhuǎn)換為BIN文件，并在BIN文件里加載校驗信息，形成新的BIN燒寫文件。密文驗證完成與插件驗證認(rèn)可，包括密文生成、校驗密文操作。文件數(shù)據(jù)分包和數(shù)據(jù)傳輸類，實現(xiàn)與Vxworks網(wǎng)絡(luò)模塊通信，文件數(shù)據(jù)分包類分解BIN文件，把BIN文件拆分許多幀網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，并在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包加載校驗數(shù)據(jù)和包序號。在經(jīng)過數(shù)據(jù)傳輸類，運用重傳機制和校驗回執(zhí)等方法，保證程序文件可靠傳輸。

3 結(jié)語

本設(shè)計為了簡化對機車上設(shè)備的現(xiàn)場應(yīng)用與軟件升級，設(shè)計了一種遠(yuǎn)程更換程序的設(shè)計方案，通過該軟件替換使用仿真工具更換應(yīng)用程序的方法，特別是在組匣箱里避免了拆卸機箱更換程序。用戶只要操作該軟件，一次性更換組匣箱內(nèi)的所有程序，提高了現(xiàn)場人員的工作效率。本軟件可以推廣到類似工程現(xiàn)場較復(fù)雜的系統(tǒng)中，具有較強延伸性和實用性。

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