基于STM32的充電樁系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級(jí)設(shè)計(jì)

張思聰+胡社教

摘 要：隨著嵌入式設(shè)備的廣泛應(yīng)用，對(duì)嵌入式設(shè)備程序升級(jí)的要求也越來(lái)越高。在探討應(yīng)用編程（IAP）原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種基于STM32的充電樁系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級(jí)方案。系統(tǒng)闡述了在應(yīng)用中編程的技術(shù)原理以及升級(jí)流程，并通過(guò)TFTP方案實(shí)現(xiàn)了充電樁固件遠(yuǎn)程升級(jí)。實(shí)際應(yīng)用表明，該方案具有較高的應(yīng)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：STM32；Flash；在應(yīng)用中編程（IAP）；遠(yuǎn)程升級(jí)；充電樁

DOIDOI：10.11907/rjdk.162697

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2017）007-0077-04

0 引言

隨著新能源電動(dòng)汽車的推廣與普及，電動(dòng)汽車配套設(shè)施充電樁正在蓬勃發(fā)展。當(dāng)前充電樁的布設(shè)往往采取建立充電站的形式，各充電站之間距離遠(yuǎn)，充電樁數(shù)量多。充電樁設(shè)備投入使用后，由于程序本身的漏洞或者用戶新的需求，需要對(duì)樁程序進(jìn)行升級(jí)。傳統(tǒng)的升級(jí)方法是相關(guān)技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)用代碼燒寫工具對(duì)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)，工作量大，升級(jí)過(guò)程復(fù)雜。本文提出的基于STM32的充電樁遠(yuǎn)程升級(jí)方案，可以讓用戶通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)充電樁系統(tǒng)程序的實(shí)時(shí)更新，提高充電樁系統(tǒng)的可拓展性和可維護(hù)性。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 STM32存儲(chǔ)原理

STM32是一種32位微處理器[1]，共有4GB線性地址空間，分為8個(gè)存儲(chǔ)塊，每個(gè)存儲(chǔ)塊512MB。第一塊為代碼區(qū)，用來(lái)存儲(chǔ)程序的代碼文件以及常量，主要分為嵌入式閃存、系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)、選項(xiàng)字節(jié)等。第二塊內(nèi)部包含嵌入式SRAM區(qū)等，程序的變量以及堆棧存儲(chǔ)在這一塊。不同型號(hào)的STM32芯片，閃存存儲(chǔ)器（Flash）容量也不同[2]，最小的只有16K字節(jié)，最多的能達(dá)到1 024K字節(jié)[3]。本方案采用的STM32F207微控制器具有1 024K的Flash，起始地址為0x80000000，終止地址為0x080FFFFF，總共分為12個(gè)扇區(qū)，其中0～3號(hào)扇區(qū)大小為16K，4號(hào)扇區(qū)大小為64K，5～11號(hào)扇區(qū)大小為128K，F(xiàn)lash模塊組織如表1所示。

1.2 IAP原理

IAP（In-Application Programming）是指在用戶程序運(yùn)行過(guò)程中對(duì)其Flash區(qū)域進(jìn)行程序燒寫[4]，燒寫完成后，運(yùn)行新的程序，完成升級(jí)。要實(shí)現(xiàn)IAP功能，需要將項(xiàng)目代碼分成兩部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。第一部分稱為裝載區(qū)，即Bootload區(qū)，這一區(qū)域程序主要用來(lái)判斷設(shè)備是否需要進(jìn)行用戶程序升級(jí)并進(jìn)行相應(yīng)的跳轉(zhuǎn)，裝載區(qū)代碼必須從Flash首地址開(kāi)始燒寫。第二部分稱為用戶區(qū)，即App區(qū)，這一區(qū)域用來(lái)存放真正的功能代碼。兩部分代碼分別存儲(chǔ)在Flash的不同地址上，設(shè)備上電以后系統(tǒng)首先執(zhí)行裝載區(qū)程序，并根據(jù)是否需要升級(jí)跳轉(zhuǎn)執(zhí)行升級(jí)代碼或者用戶代碼。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以設(shè)計(jì)多個(gè)App區(qū)，以防止在升級(jí)失敗時(shí)系統(tǒng)可以運(yùn)行之前的程序。

2 IAP的實(shí)現(xiàn)

2.1 裝載程序

裝載程序是IAP實(shí)現(xiàn)過(guò)程中最重要的一步，在進(jìn)行裝載程序設(shè)計(jì)時(shí)，需要保證邏輯清晰、代碼簡(jiǎn)明。當(dāng)設(shè)備上電開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)從Flash的首地址即0x8000000開(kāi)始執(zhí)行裝載程序。首先完成的是STM32的初始化工作，包括堆棧和內(nèi)核的初始化。接著讀取存儲(chǔ)器中的用戶升級(jí)標(biāo)志位[5]，若標(biāo)志位為0x55，則說(shuō)明沒(méi)有升級(jí)請(qǐng)求，程序跳轉(zhuǎn)執(zhí)行用戶區(qū)代碼；若標(biāo)志位為0xAA，說(shuō)明有升級(jí)請(qǐng)求，需要對(duì)用戶程序進(jìn)行更新，接下來(lái)要對(duì)時(shí)鐘和外設(shè)進(jìn)行相應(yīng)的初始化，并在主循環(huán)中等待用戶程序文件寫入FLash的用戶程序區(qū)，接受完成后將用戶升級(jí)標(biāo)志位置為0x55，同時(shí)執(zhí)行軟件復(fù)位。整個(gè)裝載程序的流程如圖1所示。

要保證裝載程序能夠正常運(yùn)行，需注意兩個(gè)方面：一是在跳轉(zhuǎn)執(zhí)行用戶程序時(shí)，要將程序指針重定向并指向程序用戶程序起始地址，堆棧指針指向用戶堆棧的起始地址；二是在將用戶程序文件寫入Flash之前需要對(duì)Flash進(jìn)行解鎖并擦除當(dāng)前Flash區(qū)域中的代碼。

2.1.1 跳轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)

STM32內(nèi)部通過(guò)中斷向量表來(lái)響應(yīng)中斷，程序正常啟動(dòng)時(shí)，將首先從中斷向量表中取出復(fù)位中斷向量執(zhí)行復(fù)位中斷程序完成啟動(dòng)。中斷向量表的起始地址是0x80000004[6]，當(dāng)有中斷來(lái)臨時(shí)，STM32內(nèi)部硬件機(jī)制會(huì)將PC指針強(qiáng)制指向中斷向量表處，并根據(jù)中斷源取出對(duì)應(yīng)中斷向量執(zhí)行中斷服務(wù)程序。加入IAP以后，如果沒(méi)有升級(jí)請(qǐng)求，程序需跳轉(zhuǎn)執(zhí)行用戶代碼，啟動(dòng)流程如圖2所示。

（1）STM32復(fù)位后，從0x80000004取出復(fù)位中斷向量的地址，并跳轉(zhuǎn)到復(fù)位中斷服務(wù)程序，在執(zhí)行完中斷復(fù)位程序之后跳轉(zhuǎn)到IAP的main函數(shù)當(dāng)中。

（2）在執(zhí)行完IAP以后（如果需要新的用戶代碼寫入Flash或者沒(méi)有更新直接跳轉(zhuǎn)，用戶代碼的復(fù)位中斷向量起始地址應(yīng)為0x80000004+N+M）跳轉(zhuǎn)至用戶程序的復(fù)位中斷向量表。

（3）取出用戶程序的復(fù)位中斷向量地址，并跳轉(zhuǎn)執(zhí)行新程序的復(fù)位中斷服務(wù)程序，隨后跳轉(zhuǎn)至新程序的main函數(shù)。

（4）在main函數(shù)死循環(huán)（while（1））中，如果有中斷請(qǐng)求，應(yīng)注意在Flash上有兩個(gè)中斷向量表，PC指針被強(qiáng)制跳轉(zhuǎn)到地址0x80000004中斷向量地址處，而不是用戶程序的中斷向量表。

（5）程序再根據(jù)設(shè)置的中斷向量偏移量，跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)中斷源的用戶中斷服務(wù)程序中。

（6）執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后，程序返回main函數(shù)繼續(xù)執(zhí)行。跳轉(zhuǎn)部分的代碼如下：

//定義pFunction為函數(shù)指針數(shù)據(jù)類型

typedef void （*pFunction）（void）；

//定義Jump_To_Application為函數(shù)指針

pFunction Jump_To_Application；

//定義一個(gè)32位的跳轉(zhuǎn)地址

uint32_t JumpAddress；

//取出存儲(chǔ)器中的升級(jí)標(biāo)志位

Flag=Rx1_Buffer[0]；

//判斷是否需要升級(jí)

If（Flag==0x55）

{

//判斷用戶的棧定地址值是否在，0x20000000～0x20002000之間

if（（（*（__IOuint32_t*）USER_FLASH_FIRST_PAGE_ADDRESS） & 0x2FFE0000 ） == 0x20000000）

{

//取復(fù)位地址

JumpAddres = *（__IO uint32_t*） （USER_FLASH_FIRST_PAGE_ADDRESS + 4）；

//強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為函數(shù)指針

Jump_To_Application = （pFunction）JumpAddress；

//將用戶代碼的棧頂?shù)刂吩O(shè)為棧頂指針

_set_MSP（*（_IO uint32_t*） USER_FLASH_FIRST_PAGE_ADDRESS）；

//設(shè)置程序指針為復(fù)位地址

Jump_To_Application（）；

}

}

2.1.2 Flash編程

在進(jìn)行IAP過(guò)程中，接收到的數(shù)據(jù)必須寫入STM32的Flash中。在對(duì)STM32的Flash進(jìn)行擦除或者寫操作時(shí)，必須先打開(kāi)內(nèi)部的RC振蕩器（HSI），然后對(duì)Flash編程控制器進(jìn)行解鎖，再對(duì)需要寫入數(shù)據(jù)的Flash扇區(qū)進(jìn)行擦除操作，最后進(jìn)行寫操作。需要注意的是，在寫操作完成后必須對(duì)Flash編程控制器進(jìn)行鎖定[7-8]。具體實(shí)現(xiàn)Flash編程代碼如下：

//初始化Flash，包括打開(kāi)RC振蕩器和解鎖Flash編程控制器

FLASH_If_Init（）；

//擦除從USER_FLASH_FIRST_PAGE_ADDRESS開(kāi)始的指定扇區(qū)

FLASH_If_Erase（USER_FLASH_FIRST_PAGE_ADDRESS）；

//從Flash_Write_Address地址開(kāi)始將數(shù)據(jù)寫入扇區(qū)，數(shù)據(jù)為data_buffer，寫入的長(zhǎng)度為count

FLASH_If_Write（&Flash_Write_Address， data_buffer ，count）

2.2 用戶程序

用戶程序是一套完整的可以獨(dú)立運(yùn)行的程序，它除了實(shí)現(xiàn)特定的目標(biāo)功能外，還要求能夠接受升級(jí)指令并且跳轉(zhuǎn)至裝載程序[9]。從圖2可以看出，在IAP過(guò)程結(jié)束后，F(xiàn)lash上存儲(chǔ)了包括裝載程序和用戶程序在內(nèi)的兩張“中斷向量表”，即有兩個(gè)中斷向量起始地址。在用戶程序正常運(yùn)行過(guò)程中，如果有中斷請(qǐng)求，PC指針被強(qiáng)制跳轉(zhuǎn)到地址0x80000004中斷向量地址處，而不是用戶程序的中斷向量表，這就造成了中斷向量表的起始地址和用戶程序的中斷處理程序之間出現(xiàn)了偏移量。因此，需要對(duì)用戶程序的中斷向量偏移量進(jìn)行重定向，即配置向量表偏移量寄存器[10]。用戶程序中可以通過(guò)以下代碼對(duì)中斷向量偏移量進(jìn)行設(shè)置：

//VectTab 起始地址，Offset 偏移量

Void NVIC_SetVectorTable（u32_t VectTab， u32_t Offset）

用戶程序在初始化過(guò)程中完成中斷向量偏移量的重定向，然后執(zhí)行相應(yīng)的功能。在主函數(shù)運(yùn)行過(guò)程中利用中斷或者輪詢接收遠(yuǎn)程升級(jí)指令，在接收到遠(yuǎn)程升級(jí)指令后，用戶程序會(huì)根據(jù)自身工作狀態(tài)選擇是否進(jìn)行升級(jí)，若狀態(tài)允許，則改變升級(jí)標(biāo)志位并寫入存儲(chǔ)器，同時(shí)進(jìn)行軟件復(fù)位，使系統(tǒng)開(kāi)始執(zhí)行裝載程序。整個(gè)用戶程序流程圖如圖3所示。

3 實(shí)際應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用中，采用一種基于TFTP（簡(jiǎn)單文件傳輸協(xié)議）的IAP方案，它廣泛應(yīng)用于嵌入式應(yīng)用當(dāng)中并且通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)充電樁的遠(yuǎn)程升級(jí)。這種升級(jí)方案運(yùn)行在Lwip協(xié)議棧上，Lwip協(xié)議棧是瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)院開(kāi)發(fā)的TCP/IP協(xié)議套件的一種輕量級(jí)實(shí)現(xiàn)，減少了內(nèi)存使用率和代碼大小，適合資源有限的嵌入式系統(tǒng)。

簡(jiǎn)單文件傳輸協(xié)議（TFTP）是工作在UDP傳輸層上的一種簡(jiǎn)單的文件傳輸協(xié)議。它基于客戶端/服務(wù)器架構(gòu)體系，文件傳輸是從TFTP客戶端發(fā)起的，TFTP客戶端向TFTP服務(wù)器發(fā)送讀或?qū)懻?qǐng)求。當(dāng)服務(wù)器確認(rèn)請(qǐng)求以后，文件數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始，數(shù)據(jù)按照固定大小的數(shù)據(jù)塊發(fā)送，一般是512字節(jié)的數(shù)據(jù)塊。必須在每個(gè)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊被接收端響應(yīng)以后，發(fā)送端才能發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)塊，這種回應(yīng)機(jī)制是通過(guò)隨每個(gè)數(shù)據(jù)塊一起發(fā)送的數(shù)據(jù)塊編號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)檢測(cè)到接收的數(shù)據(jù)塊大小小于固定數(shù)據(jù)塊大小時(shí)，表示文件傳輸結(jié)束。TFTP包格式如圖4所示。

TFTP操作碼如表2所示。

在對(duì)充電樁的遠(yuǎn)程升級(jí)過(guò)程中，充電樁作為TFTP服務(wù)器，接受PC客戶端發(fā)來(lái)的寫請(qǐng)求。服務(wù)器將接收到的數(shù)據(jù)寫入STM32的用戶Flash區(qū)，當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)塊小于512個(gè)字節(jié)時(shí)，可以判斷文件傳輸結(jié)束，此時(shí)修改升級(jí)標(biāo)志位并重啟MCU完成升級(jí)過(guò)程。使用TFTP實(shí)現(xiàn)IAP操作的流程圖如圖5所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于STM32控制器的充電樁遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)，介紹了STM32的存儲(chǔ)原理、應(yīng)用編程（IAP）原理以及IAP實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的重要技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于TFTP協(xié)議的遠(yuǎn)程升級(jí)。通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)與傳統(tǒng)嵌入式設(shè)備的程序升級(jí)方式相比具有較大的優(yōu)勢(shì)，能有效節(jié)約時(shí)間，降低人員成本，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性，具有較高的推廣價(jià)值。

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