基于USB的列車車載類設(shè)備軟件升級技術(shù)研究

楊玉春，蘇燕辰，伍川輝，燕春光

（1.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031；2.中車唐山機(jī)車車輛有限公司，唐山 063035）

近年來，高速列車集成了越來越多的電子設(shè)備，例如車載視頻監(jiān)控、故障診斷設(shè)備、失穩(wěn)平穩(wěn)監(jiān)控設(shè)備、弓網(wǎng)監(jiān)控設(shè)備等。當(dāng)前電子設(shè)備軟件升級是通過以太網(wǎng)、CAN總線、串口等通信接口實(shí)現(xiàn)在線升級，同濟(jì)大學(xué)石盼等人提出基于以太網(wǎng)接口的 IAP（In Application Programming）遠(yuǎn)程升級技術(shù)[1]，該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度快；南京郵電大學(xué)王琦和李龍光等人提出基于CAN總線的程序在線升級技術(shù)[2-3]；東南大學(xué)提出基于串口的應(yīng)用程序在線升級技術(shù)[4]。以上技術(shù)均是在線升級技術(shù)，需要攜帶電腦和專用通信線纜，連接設(shè)備和電腦后在線完成設(shè)備升級，該類方式操作不夠便捷，且串口和CAN的實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率相對較低。由于列車車載設(shè)備數(shù)量眾多、操作環(huán)境復(fù)雜、不便拆卸等原因，這種在線升級的方式對工作人員來說無疑是一件繁重的工作。本文以STM32F407為主控芯片，進(jìn)行基于USB的列車車載設(shè)備軟件升級的技術(shù)研究，提出一種傳輸速率更快的，基于USB 2.0通信的離線升級技術(shù)，利用便攜式U盤對多個(gè)車載電子設(shè)備進(jìn)行軟件升級，工作人員只需攜帶裝有bin文件的U盤，插入對應(yīng)主機(jī)上，便可實(shí)現(xiàn)對整列車的同系列設(shè)備的軟件升級。

1 STM32和USB介紹

1.1 STM32F407處理器介紹

STM32F407芯片是32位低功耗、高性能的處理器，該處理器基于ARM Cottex–M4內(nèi)核，集成FPU和DSP指令，支持浮點(diǎn)運(yùn)算，其CPU工作頻率達(dá)168 MHz，F(xiàn)lash為1 024 K，SRAM為192 K，具有豐富的資源（定時(shí)器、內(nèi)部存儲(chǔ)、CAN、485、USB、以太網(wǎng)、串口等）。該處理器使用新內(nèi)核的Thumb–2指令集，使設(shè)計(jì)人員可以把代碼容量降低45%，把應(yīng)用軟件所需內(nèi)存容量降低了近一半[5]。STM32F407內(nèi)部自帶USB OTG FS控制器和USB OTG HS控制器，支持高速HS（USB2.0，傳輸速率480 Mbps）、全速FS（USB1.1，傳輸速率12 Mbps）和低速（USB1.0，傳輸速率1.5 Mbps）傳輸。

1.2 USB總線介紹

USB是一種串行總線通信方式，具有速率高、支持熱插拔、性能可靠、價(jià)格低廉和易于擴(kuò)展等特點(diǎn)[6]。（1）速率高，目前的USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)支持傳輸速率達(dá)到480 Mbps，能很好地滿足大部分的接口需求；（2）支持熱插拔，即插即用；（3）易于擴(kuò)展，通過USB集線器，1個(gè)USB主控制器上最多可以連接126個(gè)外設(shè)；（4）性能可靠，USB系統(tǒng)通過規(guī)范的硬件設(shè)計(jì)和USB協(xié)議中完善的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤檢測機(jī)制來確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤地發(fā)送和接收[7]。

2 USB通信協(xié)議

USB外接設(shè)備從插入主機(jī)到拔出的整個(gè)過程中，共有6種狀態(tài)，包括：連接態(tài)、上電態(tài)、缺省態(tài)、地址態(tài)、配置態(tài)、掛起態(tài)[8]，這個(gè)過程稱為枚舉過程。

2.1 枚舉過程

當(dāng)一個(gè)USB外接設(shè)備被掛接到總線上時(shí),主機(jī)通過枚舉過程識(shí)別和管理新加入的設(shè)備，這個(gè)過程使得USB外接設(shè)備支持熱插拔[9]。圖1展示了枚舉過程的轉(zhuǎn)換流程及轉(zhuǎn)化條件，狀態(tài)切換的因素包括硬件電平變化和設(shè)備軟件或主機(jī)軟件的設(shè)置[10]。

圖1 外接設(shè)備枚舉轉(zhuǎn)換過程示意圖

（1）連接狀態(tài)，USB外接設(shè)備通過USB接口連接主機(jī)或Hub，進(jìn)而改變總線電平，總線由此判斷有新設(shè)備接入。

（2）上電狀態(tài)，USB外接設(shè)備連接后，總線給其供電，但由于設(shè)備未被分配地址，尚不能進(jìn)行通信，該狀態(tài)稱為供電狀態(tài)。

（3）缺省狀態(tài)，USB外接設(shè)備插入接口等待100 ms，待供電穩(wěn)定后，主機(jī)給端口發(fā)送復(fù)位命令，完成寄存器復(fù)位后，給設(shè)備分配地址0，該地址為USB總線公共地址，稱為缺省地址。此時(shí)，USB外接設(shè)備可通過該地址與主機(jī)通信，完成設(shè)備配置。

（4）地址狀態(tài)，主機(jī)通過缺省地址0與USB外接設(shè)備通信，獲取設(shè)備描述符、配置參數(shù)、配置通道，同時(shí)配一個(gè)總線地址，之后各種數(shù)據(jù)傳輸都是通過該地址。USB外接設(shè)備獲得唯一地址的狀態(tài)稱為地址狀態(tài)。

（5）配置狀態(tài)，主機(jī)獲得設(shè)備描述符之后，開始配置USB外接設(shè)備，此時(shí)設(shè)備處于配置狀態(tài)。

（6）掛起狀態(tài)，當(dāng)總線無任何活動(dòng)的時(shí)間達(dá)到3 ms，USB外接設(shè)備將自動(dòng)切換為低功耗掛起狀態(tài)，此時(shí)，USB接口處電流小于0.5 mA，USB接口保持其地址信息和配置信息，等待總線活動(dòng)將其喚醒。

2.2 USB的通信流

主機(jī)與USB外接設(shè)備通信是通過端點(diǎn)和管道來實(shí)現(xiàn)的，主機(jī)緩沖區(qū)和設(shè)備端點(diǎn)間的通信數(shù)據(jù)形成通信流。USB通信流如圖2所示。

（1）端點(diǎn)：USB外接設(shè)備端點(diǎn)是設(shè)備的標(biāo)識(shí)。設(shè)備端點(diǎn)號有多個(gè)，設(shè)備地址只有一個(gè)。端點(diǎn)按種類分為輸入、輸出端點(diǎn)；按功能分為0端點(diǎn)和非0端點(diǎn)。

（2）管道：管道是主機(jī)存儲(chǔ)緩沖器與設(shè)備端點(diǎn)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ繹11]。主機(jī)與設(shè)備0端點(diǎn)進(jìn)行通信的管道稱為缺省管道。

2.3 USB接口電路設(shè)計(jì)

很多車載監(jiān)控設(shè)備需進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸，故選用USB OTG HS通信模式，外接PHY芯片。本文選用USB 3300芯片作為USB通信的物理芯片，該芯片兼容USB 2.0協(xié)議，傳輸速率最高達(dá)480 Mbps，采用并行接口與STM32F407連接，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速交互；外接24 MHz晶振，將DP和DM引腳連接至USB–A型接口完成數(shù)據(jù)傳輸。USB電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖2 USB通信流示意圖

圖3 USB電路設(shè)計(jì)圖

3 IAP技術(shù)

3.1 IAP實(shí)現(xiàn)原理

IAP技術(shù)將F1ash映射為System Memory和User Flash Memory 2個(gè)存儲(chǔ)體。當(dāng)運(yùn)行System Memory存儲(chǔ)體上的IAP程序時(shí)，可對User Flash Memory存儲(chǔ)體重新燒寫[12]，這樣做是方便在使用一段時(shí)間后，通過預(yù)留的接口（USB、CAN、USART等）對產(chǎn)品進(jìn)行升級。實(shí)現(xiàn)IAP時(shí)，需要設(shè)計(jì)2個(gè)程序，即IAP程序和App程序，IAP程序通過特定通信方式接收App程序，將App程序存儲(chǔ)到指定位置，實(shí)現(xiàn)程序更新；App程序是功能程序，用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的功能。

3.2 IAP工作模式

程序一般存放在STM32內(nèi)部Flash中，IAP程序從最低位置（0X08000000）開始存放，App程序通過USB接口讀入并存儲(chǔ)在IAP程序的后面。加載IAP程序后，程序運(yùn)行流程如圖4所示。STM32F407控制器復(fù)位后，從0X08000004處取出IAP復(fù)位中斷向量的地址，如標(biāo)號①所示，并跳轉(zhuǎn)到IAP復(fù)位中斷服務(wù)程序執(zhí)行；執(zhí)行完后，跳轉(zhuǎn)到0X08000004+N的位置執(zhí)行IAP中main函數(shù)，如標(biāo)號②所示；IAP中main函數(shù)讀取App更新標(biāo)志，如標(biāo)號③所示，并判斷是否需要升級，若需要升級，則讀取IAP升級程序，并存儲(chǔ)到Flash的0X08010000位置[13]，如果不需要，則直接執(zhí)行App程序，如標(biāo)號④所示；從0X08000004+N+M位置讀取App復(fù)位中斷向量的地址，并跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)復(fù)位中斷服務(wù)程序執(zhí)行，之后跳轉(zhuǎn)到App main函數(shù)執(zhí)行用戶程序，如標(biāo)號⑤所示[14]。在App main函數(shù)執(zhí)行過程中，如果接收到1個(gè)中斷請求，PC指針強(qiáng)制跳轉(zhuǎn)到0X08000004中斷向量表位置，如標(biāo)號⑥所示，之后程序再根據(jù)App程序偏移量，跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)中斷服務(wù)程序，如標(biāo)號⑦所示[15]。中斷服務(wù)程序執(zhí)行結(jié)束后，返回到App main函數(shù)繼續(xù)執(zhí)行應(yīng)用程序，如標(biāo)號⑧所示。

4 軟件升級實(shí)現(xiàn)

4.1 底包程序設(shè)計(jì)

在車載設(shè)備的IAP設(shè)計(jì)過程中，采用USB接口進(jìn)行通信。（1）執(zhí)行IAP程序中的USB驅(qū)動(dòng)程序，初始化USB接口，并連接U盤；（2）掛載FAT32文件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對U盤的讀寫操作，并檢測U盤中是否存在bin文件；（3）IAP程序通過USB接口讀取提前配置并存儲(chǔ)在U盤中的升級程序，將升級程序存儲(chǔ)到Flash的0X08010000位置，升級后IAP跳轉(zhuǎn)到App程序位置開始執(zhí)行新版App。

以上過程中，若存在U盤連接失敗、文件系統(tǒng)掛載失敗、bin文件讀取失敗或校驗(yàn)不通過等情況，則視為升級失敗，執(zhí)行系統(tǒng)復(fù)位；若U盤中不存在bin文件，則會(huì)跳到Flash0x08010000位置繼續(xù)執(zhí)行舊版應(yīng)用程序。具體升級過程如圖5所示。

圖4 加載IAP后程序運(yùn)行流程圖

4.2 升級程序生成過程

底包程序采用Keil 5開發(fā)平臺(tái)搭建，Keil 5一般生成hex文件，但系統(tǒng)升級需使用bin文件。bin文件生成需3個(gè)步驟，包括：配置升級程序起始地址、配置中斷向量表偏移量、運(yùn)行fromelf.exe。

4.2.1 升級程序起始地址設(shè)置方法

升級程序偏移地址設(shè)置過程為，打開Options for Target 配置軟件，點(diǎn)擊Target 選項(xiàng)卡，軟件界面如圖6所示，在該界面設(shè)置App程序起始地址為0X08010000，即偏移量為0X10000。STM32F4系列芯片內(nèi)部Flash大小為1 024 KB，留給App的存儲(chǔ)空間為0X08010000～0X08100000（960 KB）；留給IAP的存儲(chǔ)空間為：0X08000000～0X0800FFFF（64 KB）。

圖5 車載設(shè)備軟件升級流程圖

圖6 升級程序起始地址設(shè)置界面示意圖

4.2.2 中斷向量表偏移量設(shè)置方法

（1）中斷向量表設(shè)置函數(shù)

NVIC_SetVectorTable(uint32 NVIC_VecTab,uint32 Offset)

（2）IAP中斷向量表設(shè)置

NVIC_SetVectorTable(0x08000000,0x00)

//IAP偏移量為0

（3）App中斷向量表設(shè)置

4.3 軟件升級技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

（1）軟件升級完成時(shí)，在從IAP程序跳轉(zhuǎn)到App程序之前，必須復(fù)位嵌套向量中斷控制器（NVIC，Nested Vectored Interrupt Controller ），防止跳轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)中斷，導(dǎo)致應(yīng)用程序運(yùn)行失敗。

（2）在App程序初始化時(shí)需正確設(shè)置NVIC向量表，將NVIC向量表映射到App程序起始地址；

（3）實(shí)現(xiàn)IAP程序過程中，必須正確處理計(jì)時(shí)器的清零操作，特別是在bin文件讀和寫、Flash擦除和編程過程中，要充分考慮計(jì)時(shí)器清零時(shí)間，在程序關(guān)鍵位置清零，一般在while循環(huán)函數(shù)中進(jìn)行計(jì)時(shí)器清零操作。

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)分析了IAP和USB通信協(xié)議的技術(shù)要點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了基于USB通信的車載設(shè)備軟件升級程序，通過裝有bin文件的U盤，就可完成整列車同系列產(chǎn)品的軟件升級任務(wù)，顯著降低了工作量。自帶USB協(xié)議接口的電子設(shè)備使用該技術(shù)不需要增加額外成本，只需通過軟件的更改，就可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的升級和功能的修復(fù)。目前，該技術(shù)已應(yīng)用于走行部故障診斷、平穩(wěn)失穩(wěn)在線監(jiān)測等車載設(shè)備的系統(tǒng)升級。未來可探索該技術(shù)在智能家居、消費(fèi)電子等更廣泛的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場所的應(yīng)用。