井下壓力計程序無線更新的實現(xiàn)

李聰

摘要：為了解決柱塞壓力計系統(tǒng)中井下壓力計長期工作在氣井中，現(xiàn)場更新程序困難的問題，柱塞壓力計系統(tǒng)增加了井下壓力計程序無線更新的功能。本文根據(jù)井下壓力計自身的硬件特點，提出了一種簡單實用的實現(xiàn)程序無線更新的方案。并對柱塞壓力計系統(tǒng)、井下壓力計無線通訊流程、程序更新流程做了詳細(xì)闡述。采用了CRC校驗保證更新程序數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：井下壓力計；無線更新；CRC校驗

1.引言

柱塞壓力計系統(tǒng)由地面控制儀、井下壓力計和上位機軟件組成，如圖1所示。地面控制儀通過無線通訊模塊與井下壓力計進(jìn)行無線通訊，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與上位機之間進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊。由于有時需要對井下壓力計程序進(jìn)行修改完善，則需要對井下壓力計進(jìn)行程序更新，目前常用的程序更新方式是有線更新方式。通過AVR-USBASP程序下載器將上位機和井下壓力計的AVR單片機進(jìn)行有線連接，然后通過程序燒寫軟件對AVR單片機進(jìn)行程序更新。

井下壓力計長期工作在氣井中，若采用有線更新程序方式，需要人員到現(xiàn)場將井下壓力計從氣井中取出并拆開，取出電路板組件，進(jìn)行有線更新，這種方式需要耗費大量的人力物力，且影響氣井的產(chǎn)出，給用戶造成損失。由于井下壓力計具有無線通訊功能，為井下壓力計添加程序無線更新的功能提供了保證。

2.無線更新的實現(xiàn)

2.1無線更新實現(xiàn)流程

AVR單片機內(nèi)部可編程Flash存儲區(qū)分為Application Flash Section（應(yīng)用程序區(qū)）和Boot Loader Section（引導(dǎo)程序區(qū)）[1]。編寫兩個AVR程序，引導(dǎo)程序和應(yīng)用程序，在生產(chǎn)時，用AVR-USBASP程序下載器分別寫入引導(dǎo)程序和應(yīng)用程序。在使用過程中若需要對應(yīng)用程序進(jìn)行更新，則直接采用無線更新的方式。

引導(dǎo)程序?qū)崿F(xiàn)的功能為：單片機上電或復(fù)位后，若需要更新，則進(jìn)行程序更新，更新完畢后，通過跳轉(zhuǎn)指令跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序區(qū)的起始位置運行應(yīng)用程序；若不需要更新，則通過跳轉(zhuǎn)指令直接跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序區(qū)的起始位置運行應(yīng)用程序。應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)的功能為：采集溫度壓力數(shù)據(jù)并存儲，與計算機軟件進(jìn)行有線通訊，與地面控制儀進(jìn)行無線通訊，接收更新程序數(shù)據(jù)并存儲，接收完更新數(shù)據(jù)后使能看門狗復(fù)位，進(jìn)入引導(dǎo)程序。

井下壓力計無線更新實現(xiàn)的程序流程圖如圖2所示。引導(dǎo)程序和應(yīng)用程序中均設(shè)置一個程序更新標(biāo)志Update_flag存儲于單片機內(nèi)部EEPROM存儲器（EEPROM存儲器具有掉電（或復(fù)位）后數(shù)據(jù)不丟失的特點）中，在兩個程序中的存儲地址一致。工作流程為：儀器上電后，運行引導(dǎo)程序，從EEPROM中讀出程序更新標(biāo)志Update_flag，若Update_flag為1則更新程序，若不為1，則執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令跳出引導(dǎo)程序，執(zhí)行應(yīng)用程序。當(dāng)井下壓力計接收到來自地面控制儀的更新程序后，進(jìn)行校驗。確定接收完更新程序數(shù)據(jù)且更新數(shù)據(jù)準(zhǔn)確后，將程序更新標(biāo)志Update_flag置1，寫入EEPROM，并啟動看門狗定時器，看門狗定時器定時完畢后立即復(fù)位單片機，重新運行引導(dǎo)程序。程序更新標(biāo)志Update_flag為1，則對應(yīng)用程序區(qū)進(jìn)行更新，更新完成后，Update_flag置0并寫入EEPROM。執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序區(qū)的起始位置執(zhí)行新的應(yīng)用程序。

2.2更新程序數(shù)據(jù)的存儲方案

本部分提出了更新程序數(shù)據(jù)的存儲方方案。根據(jù)井下壓力計自身具有外置獨立的Flash存儲器的特點，先將接收到的更新數(shù)據(jù)存儲到Flash存儲器中，更新數(shù)據(jù)接收完成后，再進(jìn)行更新。需要注意的是，不能一邊接收更新數(shù)據(jù)一邊進(jìn)行更新，因為這樣會破壞原有應(yīng)用程序，導(dǎo)致井下壓力計和地面控制儀之間的通訊中斷，無法完成更新，導(dǎo)致程序混亂，使井下壓力計無法正常工作。工作流程為：井下壓力計接收到的更新程序數(shù)據(jù)通過SPI接口存儲到FLASH存儲器中，接收完成后，啟動看門狗復(fù)位，進(jìn)入引導(dǎo)程序，引導(dǎo)程序通過SPI接口將更新數(shù)據(jù)從Flash存儲器中讀出來，再寫入單片機內(nèi)部可編程Flash存儲器的應(yīng)用程序區(qū)，程序更新完成后，通過跳轉(zhuǎn)指令跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序區(qū)的起始位置，開始執(zhí)行新程序。在此過程中，更新數(shù)據(jù)流向如圖3所示。

2.3更新數(shù)據(jù)正確性的保證

為了確保更新程序數(shù)據(jù)在傳輸過程中沒有發(fā)生改變，使用CRC校驗算法來驗證地面控制儀發(fā)送的更新程序數(shù)據(jù)與井下壓力計接收到的更新程序數(shù)據(jù)的一致性。

CRC校驗是一種數(shù)據(jù)傳輸檢錯功能，讀數(shù)據(jù)進(jìn)行多項式計算，并將得到的計算結(jié)果附在每幀數(shù)據(jù)的后面，接收設(shè)備也執(zhí)行類似的算法，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性[2]。相比常用的累加和校驗，CRC大大降低了校驗出錯的概率，提高了更新成功的幾率。

結(jié)語

通過多次更新測試表明，此方案可以成功的實現(xiàn)應(yīng)用程序的更新。根據(jù)對多次更新所耗時間的統(tǒng)計，井下壓力計從程序開始更新到程序更新結(jié)束，所耗時在5秒鐘左右，更新速度滿足實際需求。經(jīng)驗證，運用此方案能穩(wěn)定可靠的實現(xiàn)程序更新，滿足使用需求。

參考文獻(xiàn)

[1]《加密與解密（第二版）》[M].鍛鋼.北京：電子工業(yè)出版社，2004.5

（作者單位：貴州航天凱山石油儀器有限公司）