電動叉車遠程升級系統的研究

孫曉楊伊僑朱浩

電動叉車遠程升級系統的研究

孫曉1，楊伊僑1，2，朱浩2

（1.湖南工業大學 機械工程學院，湖南 株洲 412007；2.湖南宏迅億安新能源科技有限公司，湖南 株洲 412007）

針對目前電動叉車系統遠程升級困難的問題，設計了一個基于飛思卡爾16位微控制器MC9S12XEP100的遠程升級系統。該系統由傳統的BootLoader升級程序改進而來，利用GPRS模塊進行遠程數據傳輸，解決了系統升級的距離問題。深入研究了數據傳輸可靠性的問題，設計出基于BCH編碼的數據可靠性傳輸機制與代碼分區機制，制定了數據傳輸協議，解決了系統升級的安全與可靠性問題。將遠程升級系統實施至電動叉車上運行，實驗證明，該遠程升級系統具有穩定性、安全性、可靠性等優點，能很好地完成遠程升級任務。

電動叉車；遠程升級；數據通訊；升級流程

近年來，新能源工程機械以其節能環保、智慧互聯等特性得到了迅速的發展，新型電動叉車的應用也越來越廣[1]。如何實現數量龐大叉車的維護運營，滿足系統升級需求成為了一個難題。

一種比較傳統的方法是將CAN總線作為通信介質，利用BootLoader下載應用程序。但當產品分布于全國各地時，如果繼續使用BootLoader，每次進行應用程序升級時都需廠家派遣技術人員去到現場，維護成本大大提高，因此使用基于GPRS傳輸的遠程升級系統就變得十分有意義。

本文設計了一個基于GPRS傳輸的遠程升級系統，實現了在不用去到現場的情況下完成軟件自更新和引導用戶程序運行的功能，有效解決了這個行業難題。

1 遠程升級系統概述

BootLoader程序是固化在微控制器里，復位后最先運行的一段程序。它的主要功能是初始化嵌入式系統的軟、硬件，引導應用程序的運行[2]。嵌入式設備復位后首先進入BootLoader程序，通過判斷關鍵字標志位，選擇進行程序升級或跳轉進入應用程序，這個關鍵字標志位存放在Flash中的一個特定位置。如果進入程序升級模式，則通過CAN總線從主機端將應用程序的S19文件下載到Flash中；否則就將儲存在Flash中的應用程序加載到RAM里面運行。

遠程升級系統由改進后的BootLoader程序、上位機軟件和Web端組成，上位機程序運行在服務器上，主要負責接收和發送數據，并實時保存信息到數據庫。Web端實現監控數據的顯示，嵌入式設備的BootLoader程序負責啟動升級程序，接收上位機發來的數據，并對程序區域進行擦除與寫入操作。

針對現在國內外遠程升級系統升級故障率高、傳輸數據不穩定的現象，本系統設計了一個數據可靠性傳輸機制。

2 遠程升級系統方案

2.1 軟件整體設計

上位機包括數據庫模塊、TCP/Socket通信模塊。數據庫支持Access及SQlServer連接，通信模塊支持多線程監聽，Web端支持HTML5的頁面顯示。

下位機設計可以分為硬件層和軟件層。硬件層主要完成一些接口函數的定義，設置硬件參數和讀取寄存器狀態。軟件層主要實現硬件層函數封裝與任務調度等一些系統功能。

2.2 代碼分區設計

為了保證升級程序能夠順利執行，防止程序升級中途因數據鏈路中斷、線路板突然停止供電等意外情況導致原程序也無法使用，需要將單片機的Flash內存區域進行劃分，主要分為BootLoader區域、應用程序1區域、應用程序2區域和控制參數區域。應用程序存儲區域分為2個區域，分別為1區和2區。引導程序儲存在Bootloader區域，其作用是選擇執行1區或2區的應用程序。為了避免核心數據的丟失，控制參數區域不會在升級過程中被擦除[3]，所以用來存儲例如跳轉標志、應用程序配置參數等內容[4]。

代碼分區控制流程如下：①燒寫程序時，將應用程序1區域代碼與BootLoader合并共同燒寫到單片機中。②程序需要升級時，1區域與2區域交替升級。在1區域代碼執行期間，收到遠程升級指令，在代碼2區域進行升級。同樣在2區域代碼執行期間，收到遠程升級指令，在代碼1區域進行升級。③當上位機發送啟動命令后，復位系統。系統復位后，進入引導程序，然后通過引導程序中的關鍵字判斷進入1區應用程序還是2區應用程序。確認進入相應的應用程序區域后，再擦除另一個區域內的代碼。

2.3 整體升級流程

每當系統上電時，會通過標志位選擇執行BootLoader程序或應用程序。如果不需要升級，則不進入BootLoader程序，再檢查地址區間標志位，如果是0x0A，則進入應用程序1區間；如果是0x0B，進入應用程序2區間。當進入應用程序后，系統給遠程升級分配一個任務，之后系統會周期性地去查詢該任務，當檢查收到升級命令，確認無誤后擦除指定FALSH區域并回應上位機。之后等待接收代碼，當在接收代碼過程中檢測到錯誤時，會回應NG來請求重新開始升級，否則每接收一行代碼回應OK，直至接收所有代碼。代碼接收完畢，不會立即啟動，會輪詢啟動命令，當檢測到啟動命令，系統會立即復位，進入新的應用程序。升級流程如圖1所示。

圖1 升級流程圖

2.4 數據傳輸可靠性設計

加強數據傳輸機制的糾錯能力可有效提高數據傳輸的可靠性和遠程升級的效率。之前版本的遠程升級系統在數據傳輸過程中使用CRC校驗碼，在升級過程中下位機對傳輸數據進行CRC校驗，如果出錯則重傳，無法糾錯，導致升級過程偶發性中斷。因此本文進行了算法改進，采用了改良的BCH糾錯碼來代替CRC校驗碼，有效提高了傳輸效率。其設計內容包括數據協議制訂、BCH編碼和無線傳輸后校驗等。

數據協議制訂。數據協議包括起始ID（用“*”作為幀頭起始符）、總包數、包序號、S19文件、結束ID（用“#”作為幀頭起始符）等。其中，除了S19文件是64位外，其他都是16位。

BCH編碼。BCH碼是一種有限域中的線性分組碼，糾錯能力強、易實現，通常用于通信和存儲領域中[5]。由于本系統所需要傳輸的數據長度不大，所以設定二進制BCH（15，7）編譯糾錯碼，碼長= 15，0~6位為有效數據位，7~14位為BCH校驗碼，糾錯能力= 2。BCH生成多項式為（）=LCM[1（），2（），…，（2t-1）（）]，其中，LCM為最小公倍式，為糾錯個數，i（）為最小多項式。 BCH編碼方法如下：①查不可約多項式表可得（）=1（）·3（）=8+7+6+4+1，系數轉換成二進制代碼為111010001，且由（）可得出生成矩陣；②將7~14位的BCH校驗碼位補8位0，與生成多項式的二進制碼進行邏輯與，得到的結果邏輯異或，即得到BCH（15，7）的校驗碼。

無線傳輸后校驗。本系統利用GPRS模塊進行無線傳輸，下位機與上位機之間的傳輸模式為主從模式，下位機利用中斷來控制GPRS模塊的接收與發送。因一般叉車工作環境惡劣，所以通訊干擾大，采用接收端檢驗糾錯后，通訊效率有明顯提高。

3 功能測試

為了測試新版遠程升級系統的穩定性，使用10臺下位機進行新老版本的對比實驗：分別使新老程序輪流下載到下位機內，記錄在升級過程中的升級成功臺數、代碼重傳次數、升級時間，對升級結果進行對比，結果如表1所示。

表 1 對比測試結果

升級種類成功數代碼重傳次數 升級時長/min 新版程序100.5 10.2 老版程序81.7 11.1

從成功數來看，新版遠程升級系統在成功率上優于老版遠程升級系統，新版遠程升級系統的代碼重傳次數也要低于老版，說明在可靠性上，新版程序要高于老版程序，新版升級時長會相較于老版會略短。原因是雖然新版遠程升級系統在代碼重傳次數上要低于老版系統，但新版遠程升級系統中加入了具有糾錯功能的BCH碼，相較于老版的CRC校驗碼，在數據傳輸的穩定性上提升不少，但BCH碼編碼與譯碼過程復雜，耗時會有所增加。綜合來說，新版程序的升級速度還是要略快于老版程序。

4 結論

本文實現了電動叉車的遠程升級系統的開發，通過制訂自定義傳輸協議、設計數據可靠性傳輸機制與代碼分區機制，能夠有效、穩定地實現S19文件的傳輸、Flash模塊的擦寫、遠距離地進行應用程序的升級。測試結果表明，本系統有很高的穩定性、安全性、可靠性，極大地提高了遠程升級的成功率。此外，不同信號芯片只需要經過微小更改就能直接使用本系統，可移植性強。

［1］孫慧，王春利，高耀南.鉛酸蓄電池電動叉車電池改造技術的研究［J］.科技通報，2017，33（12）：96-98.

［2］張艷，鮑可進.整車控制器BootLoader的設計與實現［J］.計算機工程，2011，37（12）：233-235.

［3］朱偉斌，張濤，顧海濤，等.基于CDMA網絡的嵌入式設備遠程升級系統［J］.電子技術應用，2014（2）：135-138.

［4］MENG H，PAN L.Realization of remote update technology for embedded equipment based on μC/OS-II［J］.Journal of Measurement Science and Instrumentation，2014（3）：69-72.

［5］李璐，周海燕.一種含BCH編解碼器的SLC/MLC NAND FLASH控制器的VLSI設計［J］.現代電子技術，2009，32（7）：167-170.

TP273

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.15.034

2095－6835（2019）15－0087－02

孫曉，男，教授。楊伊僑（1995—），男，湖南岳陽人，碩士研究生，主要從事電動汽車電池管理系的研究。

〔編輯：王霞〕