基于CAN 總線的礦用傳感器遠程在線升級功能設計

宋益東

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

礦用傳感器是煤礦安全監控系統中最末端的感知設備，是監控系統中所有的數據來源。目前煤礦在用模擬量傳感器均為數字化智能傳感器[1-2]，隨著煤礦開采自動化程度的提高，不可避免的涉及到傳感器固件程序升級問題。傳統的方式是傳感器部分或全部從井下拿到地面，固件升級后再返到井下進行安裝。礦用傳感器使用量非常大，并且在井下分布比較分散且大部分在采掘工作面，距離地面中心站較遠，采用傳統的方式效率比較低，并且更換甲烷等傳感器需要切斷工作面的動力電，給煤礦的安全生產帶來影響，所以在線升級[3]固件程序是一個很好的解決方案，在煤礦機電設備檢修的間隙，通過井下工業環網將需要升級的固件程序下發到監控分站，由監控分站通過總線[4-6]發送到傳感器，從而實現煤礦井下傳感器的在線升級。

1 礦用傳感器在線遠程升級組成結構

1.1 系統組成

系統主要由地面中心站服務器、環網交換機、礦用監控分站、礦用傳感器及執行器等組成。中心站服務器與礦用分站通過以太網光纖網絡連接，礦用分站和礦用傳感器之間通過CAN 總線連接，升級固件程序通過中心站通過以太網下載到礦用分站中，礦用分站通過CAN 總線傳輸給礦用傳感器，系統組成結構圖如圖1。

圖1 系統組成結構圖Fig.1 System composition structure

1.2 礦用傳感器

礦用傳感器主要由STM32F103Rx[7]處理器、穩壓電源電路、晶振電路、復位電路、CAN 總線通信電路、ADC 轉換外圍電路、紅外遙控電路及LEC 顯示電路組成。礦用傳感器結構如圖2，STM32F103 為Cortex-M3[8]內核，具有成本低、功耗低、高性能、實時性好等特點。片上資源比較豐富，包括1 路CAN 通信接口，5 個USART 接口、JTAG 調試口，4 個16 位定時器、3 路ADC 通道等;片內具有256KB 的Flash和48KB 的SRAM。

圖2 傳感器組成結構圖Fig.2 Sensor structure diagram

3 在線升級技術

在線升級是指MCU 中運行的固件程序在運行過程中對實現對片內代碼存儲Flash 的擦除、編程,新的固件程序通過CAN 總線通訊接口下載到MCU的Flash 中，IAP[9-10]技術可以對存儲固件程序的Flash 區域進行重新燒寫然后利用IAP 功能實現在線更新礦用傳感器固件。因此，利用IAP 技術可以方便地通過CAN 總線通信口對礦用傳感器中的固件程序進行遠程更新升級。和傳統方式相比，基于IAP 技術的固件升級不需要到井下替換傳感器，不需要打開外殼，不需要使用下載器等。

3.1 Flash 存儲器分區及在線升級過程

STM32F103RCT6 的片內Flash 寫保護以扇區為單位，每扇區4 KB，根據Flash 容量不同，頁大小分為1 KB 和2 KB，本文用處理器頁大小為2 KB 。也就是對FLASH 的編程寫入以2 KB 為單位，本設計傳輸協議制定也以此為單位進行數據傳輸。處理器片內256 K 的Flash 劃分為3 個區域：第1 區域用來存儲Bootloader 程序，包括Flash 操作相關程序、中斷向量，硬件驅動、通信協議驅動等；第2 區域用來存儲正常運行的固件程序；第3 區域存儲固件升級程序，片上FLASH 存儲器分區如圖3。根據礦用傳感器固件大小進行容量劃分，礦用傳感器固件為28 KB，相對于256 K 的Flash 有很大的預留空間，每一區域中間可以預留一定的空白區域，防止區域程序重疊。通過修改STM32F103 的Bootloader 程序或工程的鏈接腳本可以修改程序存儲的起始地址。

圖3 片上Flash 存儲器分區Fig.3 Flash memory partition on a chip

礦用傳感器在出廠時是將Bootloader 配置程序燒寫到Flash 的第1 部分，并對該區域進行讀寫保護，防止升級過程中的誤操作把Bootloader 程序擦除。第1 區域引導程序只能通過下載器編程；第2 區域的固件應用程序通過在線方式編程或下載器編程；第3 區域升級更新程序通過IAP 在線方式編程。當礦用傳感器需要進行固件升級時，用戶固件程序跳轉到Bootloader 程序，Bootloader 程序不需要對舊版本的用戶固件程序進行擦除，直接將新版本的用戶固件程序通過CAN 總線接口下載到第3 區域的Flash 中，通過將中斷向量表從新映射，使Bootloader程序跳轉到第3 區域進行運行，從而完成固件程序的更新。

3.2 CAN 總線傳輸協議及效驗機制

CAN 總線協議[5]分為遠程幀和數據幀，遠程幀多用于命令傳遞，數據幀用于數據傳輸，數據幀格式分為標準幀格式和擴展幀格式，標準幀為11 位標識符，擴展幀為29 位標識符，設計礦用傳感器CAN總線通信協議以CAN2.0A 標準幀為主，對CAN2.0A幀結構進行了從新劃分，對仲裁段的標識符和數據段中的數據場進行了從新劃分。CAN2.0A 鏈路層標準幀數據結構包括幀起始、仲裁段、控制端、數據段、CRC 校驗段、ACK 應答段和幀結束。

CAN 總線在線升級的關鍵是要設計CAN 總線應用層協議，通信協議設計的重點是CAN 標識符的分配與設計，所設計的應用層協議將CAN 協議中的11bit 標識符區域劃分為3 個部分, 標識符區域劃分表見表1。

表1 標識符區域劃分表Table 1 Identifier area division table

在礦用傳感器升級協議中，ID10-ID6 這8 位填充接收數據傳感器地址；ID3-ID1 這3 位為命令類型碼；ID0 為幀類型占用1 位，單幀數據用0 表示，多幀數據用1 表示。單幀數據主要應用于升級命令類，包括：數據包、升級申請，信息應答，錯誤應答等；多幀數據每幀數據的第1 個字節為幀序，第2 個字節以后為升級固件數據，構固件程序升級數據格式見表2。每個數據包為固定的1 024 字節數據，當接收完2 包數據后進行FLASH 寫入操作，這是因為利用IAP 技術進行擦除或者寫入時，每次對片上FLASH 編程的字節數為固定的2 048 字節。

4 在線升級程序流程

礦用傳感器在線升級流程如圖4。

在正常執行應用程序的過程中，當接收到礦用分站固件升級指令后，程序跳轉到Bootloader 執行IAP 程序，當礦用分站接收到返回指令后，逐幀發送有效數據到礦用傳感器，傳感器每接收1 幀升級數據都會檢驗其目標地址合法性、數據完整性等信息，對于有效的升級固件數據，系統將按照目標地址寫入SRAM 的待寫入區。當接收2 包固件數據為2 048 字節后，為了節省SRAM 資源占用，將1 頁2 KB 數據寫入FLASH,待寫入成功后，返回寫入成功信息給礦用分站，分站繼續發送固件數據，一直到所以固件程序發送完成。待更新代碼全部寫入備份區后，通過更新中斷向量表從新映射，實現程序指針跳轉到新的固件main 函數執行，實現程序的平穩過度。在接收數據的過程中如果有錯誤指令信息，分站則重新發送出現錯誤的數據幀。

表2 固件程序升級數據格式Table 2 Firmware program upgrade data format

圖4 在線升級流程圖Fig.4 Online upgrade flow chart

如果在升級過程中傳感器掉電、通信中斷或者通信超時等造成在線升級失敗時，礦用傳感器會繼續執行第2 區域固件程序，仍然能按照原有用戶程序繼續正常運行。

5 結 語

結合全數字化監控系統現有網絡結構，工業以太網+總線的方式，設計了基于CAN 總線的礦用傳感器遠程在線升級功能，制定了CAN 總線應用層通信協議。利用以太網網絡節點上的礦用分站，使得礦用傳感器的固件更新更加高效方便，降低設備維護成本，提高了系統的穩定性。通過將處理器片上FLASH 合理分區及固件程序數據分塊傳輸等方式，實現了即使升級出現錯誤時也能保證傳感器的穩定運行。實驗測試證明，該技術方案具有較好的可行性、穩定性和可靠性，可以廣泛地應用于CAN 總線式嵌入式固件程序升級。