基于多次加載方案的嵌入式飛控軟件在線升級(jí)方法

黃彥勃，魯興舉，郭鴻武

(國(guó)防科技大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073)

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基于多次加載方案的嵌入式飛控軟件在線升級(jí)方法

黃彥勃，魯興舉，郭鴻武

(國(guó)防科技大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073)

在以DSP為核心的飛行器控制系統(tǒng)使用和維護(hù)過(guò)程中，經(jīng)常需要對(duì)其嵌入式軟件進(jìn)行在線升級(jí)。通過(guò)JTAG接口進(jìn)行軟件升級(jí)的方式在飛控組件裝機(jī)后變得非常不方便。研究了通過(guò)串行接口進(jìn)行飛控軟件在線升級(jí)的方法，基于DSP多次加載方案和雙重校驗(yàn)機(jī)制在TMS320C6713B DSP系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了飛控代碼遠(yuǎn)距離、可靠的燒錄和自啟動(dòng)，驗(yàn)證了方法的有效性。

DSP；飛控軟件；串行接口；多次加載方案；在線升級(jí)

0 引言

現(xiàn)代飛行器所要完成的任務(wù)越來(lái)越復(fù)雜，其飛行控制方式由遙控飛行向自主飛行和智能飛行發(fā)展，對(duì)飛行控制系統(tǒng)也提出了多功能、低成本、高精度和小型化的設(shè)計(jì)要求。DSP(Digital Signal Processor)作為一種高性能、低功耗、實(shí)時(shí)性高且支持高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的處理器，成為飛行控制計(jì)算機(jī)的首選[1]。以DSP為核心的飛控軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，常常使用仿真器通過(guò)JTAG(Joint Test Action Group )接口進(jìn)行在線調(diào)試與加載。采用這種方法，程序載入速度快、連線簡(jiǎn)單，在分系統(tǒng)調(diào)試和各系統(tǒng)功能驗(yàn)證時(shí)非常方便。但在飛控系統(tǒng)整機(jī)試驗(yàn)、外場(chǎng)試驗(yàn)等環(huán)境下就暴露了它的弊端：由于JTAG信號(hào)是TTL電平，隨著傳輸距離的增加，其信號(hào)變形會(huì)加劇，這就要求仿真器與DSP必須近距離連接。若產(chǎn)品已經(jīng)組裝好，就不得不進(jìn)行拆分，近距離接上仿真器才能實(shí)現(xiàn)軟件調(diào)試與上傳升級(jí)。而拆分產(chǎn)品這一過(guò)程會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)很多隱患，所以簡(jiǎn)化這一過(guò)程，降低軟件調(diào)試與升級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)顯得尤為重要。此外，對(duì)于已經(jīng)交付的飛控系統(tǒng)，也會(huì)有在線升級(jí)軟件的需求。

針對(duì)DSP嵌入式軟件在線升級(jí)這一需求，人們提出了多種可行的解決方案，包括通過(guò)串口[2-3]、PCI總線[4]、以太網(wǎng)[5]和USB總線[6]等接口進(jìn)行DSP軟件的遠(yuǎn)程更新。文獻(xiàn)[7]中介紹了C6000系列DSP的二次加載方案，著重分析了各類DSP在二次加載時(shí)的方式與方法。文獻(xiàn)[8]中進(jìn)行了TMS320C641X系列DSP引導(dǎo)方法的研究，著重探討了ROM引導(dǎo)與HPI(Host Port Interface)引導(dǎo)。文獻(xiàn)[9]針對(duì)DSP在線燒寫(xiě)程序通用性不強(qiáng)的現(xiàn)象，從存儲(chǔ)空間配置等方面出發(fā)設(shè)計(jì)了具有可快速移植的在線燒寫(xiě)程序。目前通過(guò)串口燒寫(xiě)用戶程序存在一些技術(shù)限制：① 駐留程序代碼容量受限，導(dǎo)致功能有限，比如有的無(wú)法對(duì)燒錄進(jìn)入FLASH中數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋；有的在結(jié)束時(shí)校驗(yàn)了程序體積，無(wú)法實(shí)時(shí)計(jì)算每一幀的校驗(yàn)和；② DSP片內(nèi)資源有限，導(dǎo)致在串口通信的實(shí)現(xiàn)上比較繁瑣等。

本文針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，在DSP+FPGA的硬件架構(gòu)下，基于多次加載方案設(shè)計(jì)了與飛控軟件獨(dú)立的駐留升級(jí)軟件；基于雙重校驗(yàn)機(jī)制實(shí)現(xiàn)了飛控軟件的串口在線升級(jí)。

1 系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)

1.1 硬件組成

本文使用TI公司的TMS320C6713B DSP處理器(以下簡(jiǎn)稱C6713)，通過(guò)數(shù)據(jù)、地址總線完成與FPGA的通信，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)加工和用戶控制算法程序運(yùn)行的硬件平臺(tái)。由于C6713自帶的接口資源不豐富，但具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，所以使用FPGA實(shí)現(xiàn)外圍接口的擴(kuò)展設(shè)計(jì)出DSP+FPGA的硬件結(jié)構(gòu)。FPGA使用XiLinx公司的XC3S1000-4FT256I(以下簡(jiǎn)稱XC3S1000)，利用其硬件資源實(shí)現(xiàn)對(duì)C6713的硬件資源擴(kuò)展。由于C6713上沒(méi)有提供異步串行接口，只有同步串行接口，因而使用FPGA建立UART(通用異步串行接口)與地面站通信，然后通過(guò)數(shù)據(jù)、地址總線完成DSP對(duì)FLASH存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)操作?；诖诘娘w控軟件上傳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于串口的飛控軟件上傳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前有2種實(shí)現(xiàn)方案：① 將支持軟件下載的模塊與飛控軟件的功能模塊合并在一個(gè)程序中，通過(guò)設(shè)置飛控系統(tǒng)的狀態(tài)來(lái)控制軟件的功能；② 將上述2個(gè)模塊分置于2個(gè)程序，通過(guò)運(yùn)行指針跳轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)程序切換。

由于飛控軟件自身具有多功能性、高集成性和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，所以在飛控軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能保持飛控軟件功能的專用性。因此，為保證飛控軟件的穩(wěn)定性以及軟件上傳的可靠性采用駐留軟件與飛控軟件相獨(dú)立設(shè)計(jì)的方案。駐留軟件主要功能是實(shí)現(xiàn)飛控軟件代碼的接收及燒錄功能。為確保燒錄可靠性，在燒錄模塊中采用2次校驗(yàn)機(jī)制。駐留軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 駐留軟件結(jié)構(gòu)

飛控軟件的功能主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：① 飛行控制，使飛行器按照預(yù)先設(shè)定的姿態(tài)角、高度、航線和航向等信息來(lái)改變飛機(jī)的飛行姿態(tài)和航跡，并使飛行器在空中保持穩(wěn)定的飛行姿態(tài)和航跡；② 飛行管理，主要完成飛行參數(shù)的采集、導(dǎo)航數(shù)據(jù)計(jì)算、故障的診斷、應(yīng)急情況的處理、無(wú)線通信、外部任務(wù)設(shè)備的管理和控制等工作[10]。飛控軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 飛控軟件結(jié)構(gòu)

2 飛控軟件在線升級(jí)方案設(shè)計(jì)

2.1 基于多次加載方案的嵌入式軟件在線升級(jí)原理

以TI DSP C6713B為例，其加載方式有主機(jī)(Host)加載、仿真(Emulation)加載和EMIF加載3種。主機(jī)加載是由外部主機(jī)通過(guò)HPI初始化CPU的存儲(chǔ)空間，在完成初始化工作之后通過(guò)HPI中斷結(jié)束導(dǎo)引過(guò)程，CPU退出復(fù)位狀態(tài)[11]。仿真加載是通過(guò)仿真器來(lái)設(shè)置DSPINT，使CPU在0地址處執(zhí)行命令。EMIF加載是通過(guò)EDMA控制器將外部ROM中的一段固定大小的代碼(通常為Bootloader)復(fù)制到內(nèi)部RAM中加載完成后CPU開(kāi)始從0地址執(zhí)行。

由于駐留軟件和飛控軟件均存儲(chǔ)在外部ROM中，通過(guò)各自的Bootloader實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)，因此，本文在EMIF加載方式的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展形成多次加載方式。加載啟動(dòng)過(guò)程如圖4所示。

圖4 基于多次加載的飛控軟件啟動(dòng)過(guò)程

具體步驟如下：① 使用DSP燒寫(xiě)軟件將DSP駐留程序燒寫(xiě)進(jìn)FLASH，待DSP下電重啟復(fù)位后，DSP自動(dòng)搬移FLASH始端的駐留軟件的Bootloader至RAM中，然后Bootloader再將存儲(chǔ)在FLASH中的駐留程序搬移至DSP內(nèi)部RAM中運(yùn)行，完成駐留軟件的啟動(dòng)；② 駐留軟件等待用戶上傳飛控軟件，若在45 s內(nèi)收到從地面站發(fā)來(lái)的飛控軟件代碼則駐留程序啟動(dòng)燒錄功能，將上傳的飛控軟件燒寫(xiě)進(jìn)FLASH中,若沒(méi)有收到則自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至指定的飛控軟件的Bootloader起始地址執(zhí)行；③ 通過(guò)飛控軟件Bootloader啟動(dòng)飛控軟件。若沒(méi)有飛控程序可以執(zhí)行則CPU進(jìn)入IDLE狀態(tài)。若系統(tǒng)已有飛控程序且無(wú)需上傳新的飛控程序時(shí)可通過(guò)PC端發(fā)送啟動(dòng)飛控程序的指令直接運(yùn)行飛控程序不在需要等待45 s。

2.2 存儲(chǔ)空間分配

多次加載方案要求在FLASH中存儲(chǔ)2個(gè)軟件，分別為DSP駐留軟件和飛控軟件。2個(gè)軟件燒錄的方式如下：首先通過(guò)仿真器將駐留程序燒寫(xiě)至FLASH地址0x90000000處，給駐留軟件預(yù)留的空間為256 K即對(duì)應(yīng)FLASH地址為0x90000000-0x9003FFFF；通過(guò)駐留軟件燒錄的飛控軟件代碼儲(chǔ)存在FLASH中的地址為0x90040000-0x901DFFFF。程序在加載時(shí)先將駐留程序搬移CPU零地址處運(yùn)行，駐留程序的BOOT段位于RAM的零地址，中斷向量表位于0x00000400處，飛控軟件的BOOT段位于0x00005000處，中斷向量表位于0x00005400處。故飛控軟件向DSP搬移的起始地址為0x00005400。具體FLASH與片內(nèi)RAM的使用情況如圖5和圖6所示。

圖5 FLASH存儲(chǔ)空間使用情況

圖6 DSP片內(nèi)RAM使用情況

2.3 DSP在線升級(jí)串口設(shè)計(jì)

飛控軟件在線升級(jí)串口設(shè)計(jì)包括物理鏈路層和通訊協(xié)議層兩方面內(nèi)容。

本文的飛控系統(tǒng)通過(guò)RS-422接口與地面站進(jìn)行通訊。具體通信方式采用全雙工模式，傳輸波特率為921.6 kbps，幀長(zhǎng)度為210 bytes，發(fā)送端和接收端之間采用光耦隔離。

在設(shè)計(jì)通信協(xié)議時(shí)，考慮到數(shù)據(jù)可能受到干擾，必須采取相應(yīng)的措施保證駐留軟件接收和燒錄飛控程序代碼時(shí)的可靠性。

干擾大致可分為2類：

① 通信傳輸過(guò)程中的干擾；

② 飛控計(jì)算機(jī)可能受到的電磁干擾。

由干擾產(chǎn)生的錯(cuò)誤類型則大致分為3類：

① 隨機(jī)錯(cuò)誤，即代表傳輸信息的二進(jìn)制碼發(fā)生“0”“1”相互反轉(zhuǎn)，且概率相等，錯(cuò)誤位置隨機(jī)，錯(cuò)誤發(fā)生事件相互獨(dú)立；

② 突發(fā)錯(cuò)誤，特點(diǎn)為錯(cuò)誤的二進(jìn)制碼之間具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，一旦突發(fā)，若干位將一起出錯(cuò)，存儲(chǔ)器錯(cuò)誤具有該特征；

③ 單向錯(cuò)誤，即每個(gè)二進(jìn)制碼元發(fā)生“0”“1”反轉(zhuǎn)的概率相等，但這2種錯(cuò)誤不在同一組數(shù)據(jù)中同時(shí)發(fā)生[12]。

為確保地面站與飛控系統(tǒng)之間的通信可靠性，本文設(shè)計(jì)了雙重校驗(yàn)機(jī)制，具體如下：

① 上傳飛控程序由地面站單向發(fā)起。地面站每發(fā)送一個(gè)幀到飛控系統(tǒng)后等待飛控系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)并進(jìn)行比對(duì)，校驗(yàn)正確后地面站再發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)有誤則重發(fā)該幀。

② 飛控系統(tǒng)在確認(rèn)數(shù)據(jù)幀接收正確后開(kāi)始數(shù)據(jù)幀燒寫(xiě)，并在完成每一幀的燒寫(xiě)之后，進(jìn)行回讀和比對(duì)，然后向地面站反饋數(shù)據(jù)燒寫(xiě)狀態(tài)。一旦狀態(tài)異常則地面站重發(fā)該幀數(shù)據(jù)，飛控系統(tǒng)再次進(jìn)行接收和燒寫(xiě)。

2.4 DSP駐留軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)

駐留軟件的任務(wù)是：從地面站接收命令以及飛控代碼文件；對(duì)接收到的代碼進(jìn)行正確性校驗(yàn)，完成飛控代碼的燒錄；控制CPU向飛控軟件跳轉(zhuǎn)。

DSP駐留軟件設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于：① 完成大規(guī)模數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸?shù)耐瑫r(shí)，保證FLASH燒寫(xiě)的正確性；② 實(shí)現(xiàn)從駐留軟件到飛控軟件的跳轉(zhuǎn)并實(shí)現(xiàn)飛控軟件的自啟動(dòng)，跳轉(zhuǎn)方式包括計(jì)時(shí)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)與授命跳轉(zhuǎn)；③ 盡量壓縮程序體積，給飛控軟件留有更大的空間。

如前所述，駐留軟件采用了與飛控軟件分離設(shè)計(jì)的方案，其具體實(shí)現(xiàn)為：在駐留程序啟動(dòng)后首先判斷是否收到燒寫(xiě)用戶程序的指令。收到指令后駐留程序進(jìn)入燒寫(xiě)模式，首先將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)并向地面站報(bào)文；其次為了提高傳輸效率在燒寫(xiě)第一幀數(shù)據(jù)前先將FLASH扇區(qū)進(jìn)行擦除以方便后續(xù)幀的燒寫(xiě)；最后將接收到的校驗(yàn)正確的每一幀數(shù)據(jù)燒寫(xiě)進(jìn)FLASH中，并從FLASH中回讀與接收到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，并向地面站報(bào)文。駐留軟件根據(jù)通信協(xié)議中的結(jié)束幀來(lái)判斷用戶程序上傳結(jié)束。2次校驗(yàn)均根據(jù)通信協(xié)議建立數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤重發(fā)機(jī)制，最多允許一幀數(shù)據(jù)連續(xù)錯(cuò)誤3次。飛控軟件在線升級(jí)流程圖如圖7所示。

跳轉(zhuǎn)模塊用于實(shí)現(xiàn)從駐留軟件向飛控軟件跳轉(zhuǎn)。常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)功能的方式有2種：① 通過(guò)設(shè)計(jì)外部開(kāi)關(guān)量來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程加載模式和正常運(yùn)行模式的切換[2]；② 通過(guò)設(shè)計(jì)軟件時(shí)間窗來(lái)實(shí)現(xiàn)程序的跳轉(zhuǎn)。方案1由于存在占用有限I/O資源以及在應(yīng)用中可能出現(xiàn)誤操作等風(fēng)險(xiǎn)本文將采用方案2中的軟件時(shí)間窗跳轉(zhuǎn)方案。該功能的具體實(shí)現(xiàn)方案為：等待45 s，若在45 s內(nèi)收到執(zhí)行飛控軟件命令則直接跳過(guò)剩余時(shí)間直接運(yùn)行飛控軟件，或是在45 s內(nèi)收到從地面站傳來(lái)的飛控軟件則執(zhí)行上傳功能；如果在45 s內(nèi)沒(méi)有收到任何指令，則運(yùn)行飛控軟件。運(yùn)行程序時(shí)將飛控軟件的Bootloader搬入DSP并將CPU運(yùn)行指針指向用戶Bootloader程序搬入后的首地址。軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)使用了C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的混合編程。

圖7 飛控軟件在線升級(jí)流程

2.5 地面站軟件設(shè)計(jì)

地面站軟件負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)飛控系統(tǒng)的硬、軟件進(jìn)行檢測(cè)及升級(jí)維護(hù)。其中，升級(jí)維護(hù)模塊負(fù)責(zé)飛控軟件的在線升級(jí)，其主要功能包括串口配置、與目標(biāo)機(jī)C6713駐留軟件進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

在進(jìn)行飛控軟件在線升級(jí)時(shí)，將生成好的十六進(jìn)制形式的飛控軟件代碼逐幀發(fā)送給DSP駐留軟件，并接收傳回的幀校驗(yàn)信息，在必要時(shí)進(jìn)行幀重發(fā)。升級(jí)完成后，飛控系統(tǒng)下電即可完成軟件升級(jí)過(guò)程。

由于駐留軟件啟動(dòng)后存在45 s的升級(jí)等待時(shí)間窗，地面站可通過(guò)指令啟動(dòng)飛控跳轉(zhuǎn)，從而提前使DSP向飛控軟件跳轉(zhuǎn)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)際中，利用不同批次的飛控計(jì)算機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行了多次飛控軟件上傳和燒寫(xiě)試驗(yàn)，以驗(yàn)證本文方法的可行性和可靠性。試驗(yàn)用飛控計(jì)算機(jī)主板如圖8所示。

通過(guò)RS-422串口上傳飛控軟件過(guò)程如圖9所示，其中綠線為飛控代碼幀。總的飛控代碼體積為 210 KB左右，在線燒寫(xiě)耗時(shí)為170±5 s。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，地面站軟件偶爾出現(xiàn)回傳數(shù)據(jù)校驗(yàn)出錯(cuò)的提示，經(jīng)過(guò)重發(fā)再校驗(yàn)后糾正了錯(cuò)誤；而燒寫(xiě)過(guò)程全部成功，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)錯(cuò)誤。試驗(yàn)證明雙重校驗(yàn)機(jī)制提高了飛控軟件通過(guò)串口在線上傳的成功率，并通過(guò)數(shù)據(jù)接收成功和數(shù)據(jù)燒錄正確2個(gè)提示增強(qiáng)操作人員的信心。

圖8 試驗(yàn)用飛控板

圖9 飛控軟件代碼上傳時(shí)的數(shù)據(jù)幀(最下方的波形)

在完成飛控軟件升級(jí)后，系統(tǒng)即可斷電重啟，在等待時(shí)間窗內(nèi)，DSP收到從地面站發(fā)來(lái)的啟動(dòng)用戶軟件指令之后，便可跳轉(zhuǎn)并啟動(dòng)飛控軟件。通過(guò)CCS開(kāi)發(fā)環(huán)境中的時(shí)鐘統(tǒng)計(jì)功能，可以得到飛控軟件跳轉(zhuǎn)及啟動(dòng)耗時(shí)380±3 ms。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)DSP+FPGA嵌入式系統(tǒng)的程序在線升級(jí)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種通過(guò)RS-422串行接口的上傳和燒錄方案。在系統(tǒng)上電后的時(shí)間窗內(nèi)，駐留軟件可從串口接收地面站上傳的飛控軟件代碼，并在燒寫(xiě)成功后利用多次加載方式實(shí)現(xiàn)飛控軟件的跳轉(zhuǎn)和啟動(dòng)。這種方案避免了通過(guò)拆機(jī)方式進(jìn)行程序升級(jí)的困難，降低了系統(tǒng)的維護(hù)成本，對(duì)飛控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及其他嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定參考價(jià)值。

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黃彥勃 男，(1991—),碩士研究生。主要研究方向：飛行器制導(dǎo)與控制。

魯興舉 男，(1978—),博士,講師。主要研究方向：飛行器制導(dǎo)與控制。

An Online Upgrade Method of Embedded Flight Control Software Based on Multiple Loading Design

HUANG Yan-bo，LU Xing-ju，GUO Hong-wu

(CollegeofMechatronicEngineeringandAutomation，NationalUniversityofDefenseTechnology，ChangshaHu’nan410073，China)

The online upgrade is always needed for embedded control software in the process of using and maintaining a DSP-core flight control system.One way of software upgrade is realized by Joint Test Action Group(JTAG) interface，but this method has great inconvenience after flight equipment assembled.This paper studies an online upgrade method for flight control software through serial interface.Based on DSP’s multiple loading design and double checking mechanism，the code is burned and self-started remotely and reliably on TMS320C6713B DSP system，and the availability of this method is proved.

DSP；flight control software；serial interface；multiple loading design；online upgrade

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.12.18

黃彥勃，魯興舉，郭鴻武.基于多次加載方案的嵌入式飛控軟件在線升級(jí)方法[J].無(wú)線電工程,2016,46(12):73-77.

2016-08-29

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61403407)。

TN391.4

A

1003-3106(2016)12-0073-05