船載監(jiān)管終端遠(yuǎn)程升級(jí)功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳建林，連雪海，姚克波

（中電科（寧波）海洋電子研究院有限公司，浙江 嘉興 314000）

船舶位置信息的獲取對(duì)于船員和管理部門(mén)都至關(guān)重要，船載監(jiān)管終端采用GPS/BD定位系統(tǒng)獲取自身的位置信息，與采集的設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境溫度、航速航向等相關(guān)數(shù)據(jù)打包之后，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)或北斗一代網(wǎng)絡(luò)上傳至監(jiān)管平臺(tái)[1]。該監(jiān)管終端采用太陽(yáng)能+鋰電池的供電方式，不依賴(lài)船電供電，可廣泛應(yīng)用于漁船、游船、貨船等各類(lèi)型船舶，能有效提高航海的安全性和監(jiān)管的有效性。

本文所述的遠(yuǎn)程升級(jí)功能主要用于對(duì)船載監(jiān)管終端的嵌入式軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)，避免不必要的現(xiàn)場(chǎng)拆裝和人員投入。遠(yuǎn)程升級(jí)操作完成之后，船載監(jiān)管終端自動(dòng)執(zhí)行新的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)新的軟件功能。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的船載監(jiān)管終端選用PIC16系列單片機(jī)作為處理器，外圍包括供電電路、大容量SD卡、GPS/BD定位單元、GPRS模塊和北斗一代模塊等，如圖1所示[2]。該終端采用太陽(yáng)能+鋰電池的供電方式，光照不足時(shí)，通過(guò)鋰電池供電來(lái)維持監(jiān)管終端的正常工作，光照充足時(shí)，由太陽(yáng)能電池板為鋰電池充電。為保證經(jīng)歷長(zhǎng)期的陰雨天氣，監(jiān)管終端仍能正常工作，配備了3 W的太陽(yáng)能電池板和8 000 mAh的鋰電池。大容量SD卡主要用于存儲(chǔ)終端的狀態(tài)信息，便于事后追述和情景再現(xiàn)，同時(shí)暫存遠(yuǎn)程升級(jí)時(shí)平臺(tái)下發(fā)的十六進(jìn)制文件（Hexadecimal，HEX）。GPS/BD定位單元用于獲取船舶自身的位置信息和當(dāng)前時(shí)間信息。

圖1 硬件電路原理

該終端采用GPRS和北斗一代的雙模通信方式，在GPRS網(wǎng)絡(luò)翻蓋區(qū)域之內(nèi)，終端和平臺(tái)之間采用GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，在GPRS網(wǎng)絡(luò)翻蓋區(qū)域之外，終端和平臺(tái)之間采用北斗一代網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。這種雙模通信方式可以彌補(bǔ)各自的弱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)船載終端的全天候、全海域覆蓋。但是，本文所述的遠(yuǎn)程升級(jí)功能由于數(shù)據(jù)量過(guò)大，不便于采用北斗一代進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，只能通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程升級(jí)功能。

2 遠(yuǎn)程升級(jí)功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 HEX文件解析

HEX文件解析是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程升級(jí)功能的基礎(chǔ)，HEX文件解析完成之后，單片機(jī)便可通過(guò)串口接收來(lái)自平臺(tái)下發(fā)的應(yīng)用程序，再按照特定的規(guī)則寫(xiě)入FLASH中，實(shí)現(xiàn)船載監(jiān)管終端的遠(yuǎn)程升級(jí)功能。

Intel HEX 文件是遵循 Intel HEX 文件格式的 ASCII 文本文件。在 Intel HEX 文件的每一行都包含了一個(gè) HEX 記錄。這些記錄是由一些代表機(jī)器語(yǔ)言代碼和常量的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)組成的。Intel HEX 文件常用來(lái)傳輸要存儲(chǔ)在 EEPROM/FLASH 中的程序和數(shù)據(jù)。大部分的 EEPROM/FLASH 編程器能使用 Intel HEX 文件。Intel HEX文件由任意數(shù)量的十六進(jìn)制記錄組成，每個(gè)記錄包含5個(gè)域，具體格式如下：

＜0×3A＞ [數(shù)據(jù)長(zhǎng)度1Byte] [數(shù)據(jù)地址2Byte] [數(shù)據(jù)類(lèi)型1Byte] [數(shù)據(jù)nByte] [校驗(yàn)1Byte] ＜0×0D＞ ＜0×0A＞

例：:10 0000 00 000080308A0046282000 8A0185019130 56

＜0×3A＞ 每個(gè) Intel HEX 記錄都由冒號(hào)開(kāi)頭；

數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度域，它代表記錄當(dāng)中數(shù)據(jù)字節(jié)的數(shù)量；

數(shù)據(jù)地址 地址域，它代表記錄當(dāng)中數(shù)據(jù)的起始地址；數(shù)據(jù)類(lèi)型 代表HEX記錄類(lèi)型的域，它可能是以下數(shù)據(jù)當(dāng)中的一個(gè)：

00-數(shù)據(jù)記錄

01-文件結(jié)束記錄

02-擴(kuò)展段地址記錄

03-開(kāi)始段地址記錄

04-擴(kuò)展線性地址記錄

05-開(kāi)始線性地址記錄

數(shù)據(jù)記錄 數(shù)據(jù)域，一個(gè)記錄可以有許多數(shù)據(jù)字節(jié)，記錄當(dāng)中數(shù)據(jù)字節(jié)的數(shù)量必須和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度域中指定的數(shù)字相符；

校驗(yàn)和 校驗(yàn)和域，它表示這個(gè)記錄的校驗(yàn)和，校驗(yàn)和的計(jì)算是通過(guò)將記錄當(dāng)中所有十六進(jìn)制編碼數(shù)字對(duì)的值相加，以256為模進(jìn)行以下補(bǔ)足。

HEX文件以行為單位，每行以字符“ : ”（0×3A）開(kāi)頭，以回車(chē)換行符0×0D，0×0A為結(jié)束。每行開(kāi)始和結(jié)束之間的所有內(nèi)容，都是以字符形式表現(xiàn)的。上面的例子中，“ : ”后面的“10”表示該行的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為16個(gè)字節(jié)，“0000”表示該行的有效數(shù)據(jù)在FLASH中的起始地址為0×0000，“00”表示該條記錄類(lèi)型為數(shù)據(jù)記錄，“000080308A00462820008A0185019130”為該條記錄的有效數(shù)據(jù)，“56”為該條記錄的校驗(yàn)和，任意多條上述記錄組成一個(gè)完整的Intel HEX文件。

并非每條記錄都有有效數(shù)據(jù)，若記錄中的第二個(gè)字節(jié)為0，則這條記錄就沒(méi)有數(shù)據(jù)。由于每條記錄標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)地址的只有2 Byte，所以最大只能到64 K。為了可以保存更多的有效數(shù)據(jù)，就有了“擴(kuò)展線性地址記錄”。如果這行的數(shù)據(jù)類(lèi)型是0×04，那么，這行的數(shù)據(jù)就是隨后數(shù)據(jù)的基地址。

第一行是擴(kuò)展線性地址記錄，里面的基地址是0×0004，第二行是數(shù)據(jù)記錄，里面的地址值是0×0000。那么數(shù)據(jù)000080308A00462820008A0185019130要寫(xiě)入地址為（0×0004 ＜＜ 16） | 0×0000的FLASH中，也就是寫(xiě)入FLASH的0×40000這個(gè)地址。同樣，第三行的數(shù)據(jù)的寫(xiě)入地址為0×40010。當(dāng)一個(gè)HEX文件的數(shù)據(jù)超過(guò)64 K的時(shí)候，文件中就會(huì)出現(xiàn)多個(gè)擴(kuò)展線性地址記錄。 一般情況下，每個(gè)HEX文件的最后一行都為:00000001FF，這樣的一行數(shù)據(jù)內(nèi)容是固定的，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和地址均為0。

平臺(tái)軟件對(duì)實(shí)際HEX文件的解析，需要綜合考慮單片機(jī)緩沖區(qū)的規(guī)模和遠(yuǎn)程升級(jí)的效率。若解析生成的數(shù)據(jù)包過(guò)大，則會(huì)占用較多的單片機(jī)緩沖區(qū)，影響應(yīng)用程序的執(zhí)行速度；若數(shù)據(jù)包過(guò)小，勢(shì)必會(huì)增加數(shù)據(jù)交互的次數(shù)，降低遠(yuǎn)程升級(jí)的效率。本文最終選定的數(shù)據(jù)包上限為80字節(jié)，即最多一次性發(fā)送5條數(shù)據(jù)記錄。

2.2 數(shù)據(jù)校驗(yàn)

遠(yuǎn)程升級(jí)過(guò)程中，每包數(shù)據(jù)都要經(jīng)過(guò)串口通信、GPRS網(wǎng)絡(luò)和SD卡讀寫(xiě)等多個(gè)環(huán)節(jié)，為保證遠(yuǎn)程升級(jí)的可靠性，每個(gè)環(huán)節(jié)都要進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)據(jù)校驗(yàn)，特別是GPRS網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)，易因環(huán)境干擾等因素產(chǎn)生錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，進(jìn)而導(dǎo)致升級(jí)失敗。

本文采用簡(jiǎn)單實(shí)用的求和校驗(yàn)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，即平臺(tái)將解析生成的數(shù)據(jù)包中的地址和有效數(shù)據(jù)進(jìn)行求和，生成一個(gè)16位的校驗(yàn)和，將該校驗(yàn)和附在數(shù)據(jù)包的末尾，同時(shí)在數(shù)據(jù)包的最前面增加一個(gè)數(shù)據(jù)頭“$”，構(gòu)成一個(gè)新的數(shù)據(jù)包，然后發(fā)送出去。在接收端，根據(jù)數(shù)據(jù)包和校驗(yàn)和之間所遵循的規(guī)則進(jìn)行檢驗(yàn)，以確定傳送中是否出錯(cuò)。若校驗(yàn)錯(cuò)誤，則要求平臺(tái)重傳該包數(shù)據(jù)；若校驗(yàn)正確，則開(kāi)始傳輸下一包數(shù)據(jù)，直到整個(gè)HEX文件全部傳輸完成。

2.3 實(shí)現(xiàn)流程

本文選用PIC16系列單片機(jī)作為處理器，該系列單片機(jī)自帶的增強(qiáng)型FLASH支持固件對(duì)自身進(jìn)行編程，這是由被稱(chēng)為“BootLoader”的固件內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的。該固件內(nèi)核駐留在單片機(jī)內(nèi)，通常使用FLASH中應(yīng)用程序不常用的一小塊空間。當(dāng)固件內(nèi)核被激活時(shí)，外部設(shè)備可以使用串口協(xié)議進(jìn)行讀寫(xiě)，以及驗(yàn)證對(duì)單片機(jī)應(yīng)用程序進(jìn)行的更新。應(yīng)用程序燒寫(xiě)完成之后，“BootLoader”會(huì)放棄控制權(quán)，讓器件正常執(zhí)行應(yīng)用程序，直到再次調(diào)用“BootLoader”為止。

執(zhí)行遠(yuǎn)程升級(jí)時(shí)，平臺(tái)軟件將解析完成的應(yīng)用程序HEX文件通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)下發(fā)至待升級(jí)設(shè)備的SD卡中，HEX文件下發(fā)完成且校驗(yàn)通過(guò)之后，再將SD卡中的應(yīng)用程序通過(guò)固件內(nèi)核下載到單片機(jī)的FLASH中，下載完成且校驗(yàn)通過(guò)之后，固件內(nèi)核主動(dòng)放棄控制權(quán)，設(shè)備開(kāi)始正常工作，如圖2所示[3-4]。一般情況下，平臺(tái)軟件也可直接將HEX文件通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至固件內(nèi)核，而不經(jīng)過(guò)SD卡中轉(zhuǎn)，但通過(guò)這種方式進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。若升級(jí)過(guò)程中出現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)中斷或信號(hào)太差，則容易導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法恢復(fù)正常工作。

圖2 遠(yuǎn)程升級(jí)實(shí)現(xiàn)流程

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖3為船載監(jiān)管終端平臺(tái)軟件示意圖，圖4為安裝示意圖。執(zhí)行遠(yuǎn)程升級(jí)時(shí)，在平臺(tái)軟件上選中需要升級(jí)的單臺(tái)或多臺(tái)設(shè)備，平臺(tái)軟件按照既定的HEX文件解析方式將數(shù)據(jù)包逐一發(fā)送至監(jiān)管終端，發(fā)送完成且校驗(yàn)通過(guò)之后，設(shè)備復(fù)位并開(kāi)始正常工作[5]。

本文設(shè)計(jì)的船載監(jiān)管終端已在漁船、游船等各型船舶上獲得廣泛應(yīng)用，為船員和監(jiān)管部門(mén)提供了很大的便利。終端自帶的遠(yuǎn)程升級(jí)功能可以很好地輔助設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，提高作業(yè)效率，降低人員開(kāi)銷(xiāo)。

圖3 遠(yuǎn)程升級(jí)平臺(tái)界面

4 結(jié)語(yǔ)

船載監(jiān)管終端以其靈活、實(shí)用、免維護(hù)等特性，逐步在船舶領(lǐng)域推廣應(yīng)用。本文以船載監(jiān)管終端的遠(yuǎn)程升級(jí)功能為研究對(duì)象，主要完成以下4項(xiàng)工作：（1）應(yīng)用程序HEX文件解析。（2）文件傳輸中的數(shù)據(jù)校驗(yàn)。（3）遠(yuǎn)程升級(jí)流程的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。（4）對(duì)所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程升級(jí)功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)效果表明，本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程升級(jí)功能達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序的遠(yuǎn)程更新和維護(hù)。

圖4 船載監(jiān)管終端安裝示意

[參考文獻(xiàn)]

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