航空機(jī)載嵌入式軟件無線升級技術(shù)研究

楊華 王嘉舉 于宗寶 陳家東

摘 ?要：現(xiàn)階段我國基于WIFI的軟件類型的輔助調(diào)試方案，可以讓我國航空機(jī)載設(shè)備的無線升級和實際的調(diào)試過程變得更加的快速，這種基于運(yùn)動控制產(chǎn)業(yè)當(dāng)中較為常見的兩類微型處理器，對于這樣處理方式的程序進(jìn)行引導(dǎo)和FLASH編程進(jìn)行了全面的分析，深入的分析研究了利用串口實現(xiàn)對于FLASH代碼技術(shù)方案和上機(jī)位的控制和升級軟件，技術(shù)方面的升級可以讓軟件的升級不再知識簡單的依賴有線傳輸和相關(guān)的變成，在保證航空機(jī)載設(shè)備在較為復(fù)雜的換成也能完成相關(guān)的嵌入式軟件的升級。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng);軟件無線升級技術(shù);應(yīng)用編程;Flash代碼

1.航空機(jī)載嵌入式軟件無線升級技術(shù)研究意義

目前在嵌入式機(jī)電控制系統(tǒng)中，數(shù)字信號控制器與微控制器等已得到了十分廣泛的應(yīng)用。這類系統(tǒng)在出廠交付后，需按照用戶的具體要求來消除軟件缺陷或完善其自身的設(shè)計功能，這就涉及到升級更新系統(tǒng)內(nèi)部控制軟件等相關(guān)問題。所以，尋找一種更加可靠、便捷的軟件升級方法就顯得很有必要了。

在嵌入式微處理器的編程方法中，有三種最為常見。第一種是在軟件設(shè)計階段進(jìn)行使用，比如通過聯(lián)合測試工作組協(xié)議的編程器來完成軟件的編程與調(diào)試過程，顯而易見的是，一般只在系統(tǒng)設(shè)計階段才會使用這種方法。第二種是使用系統(tǒng)編程技術(shù)，簡稱ISP，在系統(tǒng)上電時按照特定硬件端口狀態(tài)來選擇程序下載方式，加載程序則由微處理器內(nèi)置的BootLoader來負(fù)責(zé)引導(dǎo)，如此便可順利完成軟件的升級過程。比如TI公司TMS320系列DSC，它需要根據(jù)硬件管腳來選擇多種程序引導(dǎo)方式才能完成軟件更新過程，常見的有IIC、SPI、SCI和并行I/O口等。值得一提的是，這種方法需要人工地配置硬件端口，所以并不適用于用戶端中。對于最后一種編程方法當(dāng)中，對于正常運(yùn)行程序的微處理器可以直接經(jīng)過通信接口實現(xiàn)對于內(nèi)部FLASH儲存區(qū)完成相應(yīng)的讀寫，這樣實際的軟件升級就可以直接完成。相比前兩種編程方法，最后一種方法的優(yōu)點是在系統(tǒng)的正常運(yùn)作過程中，無需編程器，也不用對端口配置進(jìn)行更改，也照樣可以完成部分甚至全部軟件程序的更新過程。對大部分用戶端嵌入式系統(tǒng)的軟件升級都十分適用，區(qū)別在于需開發(fā)獨立的IAP引導(dǎo)程序，因為這種微處理器的IAP方式更加多樣。

航空機(jī)載設(shè)備中的嵌入式系統(tǒng)在安裝完成后，若需要進(jìn)行拆卸或軟硬件調(diào)試是特別麻煩的。而且為了避免設(shè)備間產(chǎn)生相互干擾的問題，通常都會采用有線電纜完成通信傳輸過程，再加上嵌入式系統(tǒng)與下位機(jī)軟件都需要專門定制，本身就無法進(jìn)行在線編程及調(diào)試，因此就嚴(yán)重阻礙了機(jī)載設(shè)備中微處理器軟件升級與更新工作的開展。本文深入研究一種基于WiFi的航空機(jī)載設(shè)備的軟件升級，專門構(gòu)建出滿足機(jī)載嵌入式系統(tǒng)的無線升級和調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由于目前有許多各式各樣的MCU/DSC串行口，而嵌入式系統(tǒng)在選用高速數(shù)據(jù)傳輸通道時已經(jīng)基本不會考慮到串口，所以本文研究的目的是通過WiFi無線網(wǎng)將軟件升級代碼傳輸?shù)組CU/DSC的串口，用IPA方式完成Flash編程環(huán)節(jié)，確保系統(tǒng)軟件的升級與更新能夠順利進(jìn)行。

2.基于WiFi的嵌入式軟件升級平臺

目前常見的無線通信技術(shù)主要有WiFi、藍(lán)牙、紫蜂和分組無線服務(wù)等等。WiFi是一種由IEEE定義的工作頻段為2.4GHz的無線連接技術(shù)，在安全可靠性、傳輸速度以及適用范圍上，都要優(yōu)于其他的無線通信技術(shù)。最關(guān)鍵的是，筆記本電腦、手機(jī)等智能設(shè)備終端之間的相互連接都可以通過WiFi來完成。此前最流行的是使用基于GPRS與通用射頻模塊的遠(yuǎn)程無線升級方式，但相比WiFi而言，它們的可拓展性、通用性都稍遜色一些。

2.1WiFi軟件升級和輔助調(diào)試平臺架構(gòu)

如下圖所展示的就是本次研究當(dāng)中一種基于WIFI傳輸?shù)挠涊d嵌入式系統(tǒng)的無線升級和相關(guān)的輔助調(diào)試技術(shù)方案體系。

將WiFi控制器安裝在機(jī)載嵌入式系統(tǒng)中，在路由器的作用下，就可以實現(xiàn)手機(jī)、便攜式計算機(jī)與嵌入式系統(tǒng)板卡之間的無線互聯(lián)。對于便攜式計算機(jī)當(dāng)中生產(chǎn)所需要的升級代碼發(fā)送到所需要的WIFI控制器當(dāng)中，設(shè)備在完成相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲之后傳輸?shù)较鄳?yīng)的程序的空間當(dāng)中，設(shè)置傳輸標(biāo)志位在傳輸過程當(dāng)中的完成。為了讓用戶能在手機(jī)上實時監(jiān)測下載后的程序是否達(dá)到預(yù)訂功能，只需安裝一個系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控APP應(yīng)用參數(shù)即可，此時手機(jī)就已經(jīng)具備的設(shè)置、查詢與主動回傳參數(shù)等一系列功能。對于IAP方式只能下載軟件程序，不能實現(xiàn)仿真調(diào)試這一問題，借助手機(jī)APP所提供的程序輔助調(diào)試功能就可以得到解決。

2.2基于USR-WIFI1232的無線通信平臺

機(jī)載嵌入式設(shè)備以及機(jī)內(nèi)監(jiān)控設(shè)備的有線數(shù)據(jù)傳輸均具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。在連接無線網(wǎng)絡(luò)時，可通過升級代碼來完成數(shù)據(jù)傳輸。在USR-WIFI1232模塊下，網(wǎng)絡(luò)和串口數(shù)據(jù)傳輸可以實現(xiàn)彼此間的相互轉(zhuǎn)換。嵌入式系統(tǒng)通過USR-WIFI1232模塊與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)，就可以完成程序代碼的無線WiFi傳輸。經(jīng)過USR-WIFI1232模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱诤?，?shù)據(jù)會直接到達(dá)系統(tǒng)程序區(qū)。

USR-WIFI1232是一種以協(xié)議為主的WIFI嵌入式模塊，擁有能耗較低，智能化程度較高等等有點，在USR當(dāng)中擁有功率放大器和物理地址，頻率芯片等等。嵌入式固體可以同時滿足網(wǎng)絡(luò)和WIFI的相關(guān)協(xié)議，模塊可以直接完成協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換例如串口到WIFI的轉(zhuǎn)化。在模塊的運(yùn)行過程中，有可能是使用STA模式，也有可能是點對點AP模式。在AP模式下，嵌入式系統(tǒng)可以當(dāng)作熱點來使用，手機(jī)等WiFi設(shè)備可以在沒有額外配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的情況下，直接連接到嵌入式系統(tǒng)。而在STA模式下，嵌入式系統(tǒng)與手機(jī)、便攜式計算機(jī)只要要進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，就必須在路由器下組網(wǎng)才能完成。嵌入式系統(tǒng)WiFi模塊中的STA工作模式可參照圖1。

2.3嵌入式系統(tǒng)WiFi透明傳輸配置

如圖2所展示的是USR-WIFI1232模塊的設(shè)計原理圖。

系統(tǒng)上電后，路由器密碼應(yīng)通過手機(jī)Smartlink軟件進(jìn)行輸入。當(dāng)軟件上顯示"OK"時，就代表已連接成功。期間USR-WIFI1232的LINK燈D1會表現(xiàn)出快閃—慢閃—長亮的變化過程始終處在長亮狀態(tài)的是READY燈D2。在進(jìn)行配置時，要先長按RELOAD鍵S1，再拉低RELOAD信號。當(dāng)便攜式電腦可以搜索到USR-WIFI1232模塊時就可以進(jìn)行連接。隨后將配置軟件打開，直到將其MAC地址等相關(guān)信息查詢出來為止。對微處理器的工作模式、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、串口通信波特率以及WiFi模塊的路由器地址、子網(wǎng)掩碼、端口號、IP地址等進(jìn)行逐一配置。將設(shè)置保存下來，重啟模塊，自此WiFi模塊的透明傳輸配置就已經(jīng)全部完成了。當(dāng)系統(tǒng)再次上電時，串口數(shù)據(jù)傳輸只需借助WiFi模塊就可以直接進(jìn)行。

3典型MCU/DSC的IAP軟件升級設(shè)計

3.1 IAP軟件升級方法設(shè)計

一般來說，嵌入式MCU/DSC都會自帶IAP接口。在IAP方式下，F(xiàn)lash存儲區(qū)劃分為程序區(qū)A和程序區(qū)B，分別用來存儲BootLoader程序和應(yīng)用程序。等待MCU通電或者完成相應(yīng)的復(fù)位之后，需要重新運(yùn)作BOOTLOAD才能實現(xiàn)對于應(yīng)用程序的執(zhí)行，這時候需要額外的設(shè)置，自身的作用就是充當(dāng)引導(dǎo)程序并且寫入到程序區(qū)域當(dāng)中，BOOTLOAD檢測升級的標(biāo)志之后可以了解到用戶的應(yīng)用程序是否需要完成二次升級，如果需要升級就需要利用存儲器當(dāng)中的變成對于程序區(qū)域進(jìn)行二次的編碼，此時B區(qū)中就會出現(xiàn)需要更新的軟件。待完成更新環(huán)境后，新的應(yīng)用程序會在存儲區(qū)B直接運(yùn)行，這就是升級程序的整個流程;如果不需要升級的話，只需直接運(yùn)行應(yīng)用程序即可。通常來說，BootLoade至少要包含兩種功能，其一是Flash編程，其二是通信協(xié)議。

3.1.1機(jī)信協(xié)議設(shè)過

在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，升級代碼僅僅是上下位機(jī)通信協(xié)議傳輸?shù)亩喾N方式之一。用戶可以自定義參數(shù)設(shè)置與查詢等通信協(xié)議功能，且對應(yīng)的校驗方法也是比較完備的。此外，在通信協(xié)議當(dāng)中增加一部分關(guān)于FLASH變成的相關(guān)效驗碼和代碼，讓其能夠接收到上機(jī)位當(dāng)中的相關(guān)控制命令。

3.1.2 Flash編對

通常情況下，大部分MCU/DSC都可以提供Flash編程指令，以確保對片內(nèi)Flash擦寫、編程、校驗等過程的順利進(jìn)行。軟件升級需經(jīng)歷兩個步驟，第一步是通過通信協(xié)議接收完整的軟件升級代碼，第二步是直接調(diào)用編程指令來完成Flash編程過程。

由于MUC/DSC分為多種各不相同的系列型號，所以它們的IAP方式也是存在著較大差異的。目前是以ST公司生產(chǎn)的STM32系列MCU與TI公司研發(fā)的TMS320系列DSC最受業(yè)內(nèi)人士喜愛。在本次課題的研究過程中，分別對以上兩種微處理器的IAP升級方法進(jìn)行了深入分析，且最終都得以實現(xiàn)。

3.2.IAP升級算法設(shè)計

TMS320F28系統(tǒng)自帶256KB的尺寸，用戶可以通過調(diào)用FLASH變成函數(shù)實現(xiàn)對于區(qū)域的單獨擦拭和變成，如下圖所示，在通電之后，啟動過程執(zhí)行第一步到第五步，如果要進(jìn)行LAP的時候第四步就不再運(yùn)行，而是跳轉(zhuǎn)到代碼啟動出，此外TI系列DSC當(dāng)中開發(fā)的CCS需要建立命令連接文件，CMD當(dāng)中也規(guī)定了儲存器的資源分配情況。

3.3IAP軟件流程

在熟悉連接了FLASH代碼生成和基本的啟動方法上進(jìn)行了相關(guān)的IAP算法設(shè)計，本次算法將嵌套應(yīng)用在程序當(dāng)中，軟件正常工作的時候，F(xiàn)28335升級串口沒有數(shù)據(jù)處于停滯狀態(tài)，一旦接受了相關(guān)的信號數(shù)據(jù)，就開始調(diào)用上述的編程方法，進(jìn)行相關(guān)的升級操作。

4.基于PC平臺的上位機(jī)軟件升級設(shè)計

4.1上位機(jī)升級軟件的功能需求

在本文的技術(shù)方案中，上位機(jī)的在線升級、編輯和發(fā)送代碼等一系列過程，都可以利用PC平臺來完成，詳情可參照圖1。以下是上位機(jī)應(yīng)用軟件的幾種常見功能：

（一）建立與USR-WIFI-232模塊可靠的TCP/IP連接，是無線傳輸Flash目標(biāo)代碼的必要前提。

（二）利用Flash代碼轉(zhuǎn)換工具軟件，可以直接得到嵌入式系統(tǒng)Flash編程的所需代碼。

（三）搭配嵌入式系統(tǒng)IAP軟件共同使用，可以實現(xiàn)添加校驗碼以境測傳輸誤碼、起始節(jié)點符號或終止節(jié)點符號的分段添加、對目標(biāo)代碼添加軟件版本號、標(biāo)記代碼總量等一系列的復(fù)雜操作。

4.2升級軟件流程

上位機(jī)應(yīng)用軟件需要構(gòu)建相應(yīng)的WIFI網(wǎng)絡(luò)配置，數(shù)據(jù)軟件監(jiān)控過程等等基本軟件，在軟件升級開始之前需要通過嵌入式系統(tǒng)軟件實現(xiàn)目標(biāo)代碼的轉(zhuǎn)換，在正式開始征集之后需要檢測相關(guān)的代碼，將代碼發(fā)送到相關(guān)的協(xié)議當(dāng)中，將信息傳輸?shù)较聶C(jī)位當(dāng)中，傳輸過程當(dāng)中發(fā)送一次數(shù)據(jù)，下機(jī)位都需要接受，并且完成相關(guān)的驗證。，接受失敗上位機(jī)可以重新發(fā)送本包數(shù)據(jù)，發(fā)送完成之后，需要再次檢測是否出現(xiàn)缺包現(xiàn)象，在升級結(jié)束指令當(dāng)中應(yīng)包含對于整體代碼的傳輸和驗證。

5.結(jié)論

本次研究提出了一種基于無線通信網(wǎng)絡(luò)的嵌入式軟件在線升級的方法，構(gòu)建了相應(yīng)的PC端上機(jī)位軟件升級平臺，調(diào)式了相應(yīng)的無線升級環(huán)境，并且探索了嵌入式系統(tǒng)IAP在變成的方法，針對研究了升級技術(shù)方案。這樣的技術(shù)拜托了軟件升級對于編程器具有在線傳輸?shù)囊蕾嚕瑵M足航空機(jī)載設(shè)備的發(fā)展以及實際需求。

作者簡介：楊華，1982年10月，男，四川遂寧人，高級工程師，主要研究：飛控計算機(jī)。