一種射頻單元中FPGA的遠(yuǎn)程升級方法

彭磊磊 辛利

針對TD-LTE無線通信系統(tǒng)中遠(yuǎn)端射頻單元的維護(hù)升級問題，提出一種FPGA固件遠(yuǎn)程升級方法。該方法采用CPRI接口的以太網(wǎng)信道傳輸固件數(shù)據(jù)、控制命令和狀態(tài)信息，利用FPGA內(nèi)部邏輯完成Flash的識別、擦除和寫入，并在Flash分區(qū)存儲的基礎(chǔ)上，通過控制FPGA加載起始地址實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程升級和失敗回退。經(jīng)驗(yàn)證，該方法具有易操作、可移植性強(qiáng)和可靠性高的特點(diǎn)。

當(dāng)前，TD-LTE無線通信系統(tǒng)憑借通信效率、抗干擾性以及QoS業(yè)務(wù)保證等方面的技術(shù)優(yōu)勢，成為城市軌道交通系統(tǒng)中CBTC、PIS和CCTV綜合業(yè)務(wù)承載的主要無線通信技術(shù)體制，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。TD-LTE無線通信系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)，將基帶處理單元集中部署在機(jī)房，而射頻單元通過光纖拉遠(yuǎn)后沿軌道線路部署，形成全線的無線信號覆蓋。雖然此種部署方式減少了射頻信號在傳輸過程中的衰減，提升了信號覆蓋的質(zhì)量，卻給壁掛于隧道內(nèi)或架高于塔架上的射頻單元在維護(hù)升級方面帶來一定困難，間接影響了軌道交通的運(yùn)營效率和安全。因此，有必要設(shè)計(jì)一種針對射頻單元中FPGA固件的遠(yuǎn)程升級方法，降低維護(hù)難度，提高維護(hù)效率。

射頻單元遠(yuǎn)程升級示意圖

射頻單元遠(yuǎn)程升級示意圖如圖1所示。系統(tǒng)維護(hù)升級時(shí)，控制中心將新版本（1.2版）的FPGA固件通過網(wǎng)線和光纖介質(zhì)傳輸?shù)缴漕l單元。射頻單元將新版本固件更新到閃存，替換舊版本（1.1版）。升級成功后斷電重啟，射頻單元的FPGA將以新版本啟動(dòng)。如果升級失敗，F(xiàn)PGA將以備份版本啟動(dòng)。

硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)如圖2所示，主要包括三部分：微控制單元（MCU）、Xilinx 公司7系歹]FPGA以及SPI Flash。

射頻單元的FPGA通過CPRI協(xié)議接收上層傳來的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)（包含控制命令、固件數(shù)據(jù)），并以媒體無關(guān)接口發(fā)送到MCU。MCU接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)并處理，再以本地總線（localbus）發(fā)送到FPGA。FPGA通過內(nèi)部邏輯完成SPI Flash的識別、擦除和寫入，并將狀態(tài)信息通過以太網(wǎng)信道反饋給上層。

SPI Flash采用Spansion公司的s25fl256，該芯片是串行NOR Flash。FPGA 采用Xilinx 公司的XC7K325T-2FFG900I，該芯片屬于Kntex7系列，具有高性價(jià)比、低功耗的特點(diǎn)。FPGA需要配置成主SPI加載模式，配置電路如圖3所示。

Flash分區(qū)設(shè)計(jì)

本文的FPGA遠(yuǎn)程升級方法具備升級失敗后自恢復(fù)的能力，設(shè)計(jì)思路是Flash存儲分區(qū)。如表1所示，SPI Flash的存儲區(qū)域分成三部分：FPGA加載地址控制區(qū)、備份區(qū)以及升級區(qū)。FPGA加載地址控制區(qū)存放一組用于IPROG命令的比特流，備份區(qū)存放備份固件，升級區(qū)存放升級固件。

Spansion公司的s25fl256存儲空間是32MByte，其扇區(qū)類型有2種規(guī)格，一種是統(tǒng)一64KyteB大小，另一種是統(tǒng)一256KByte大小，本文選取后者。FPGA芯片XC7K325T- 2FFG900I生成的固件大小約為11.9MByte，備份固件和升級固件可同時(shí)存放在s25fl256中。

首先分配IPROG命令比特流，如表2所示。

這組比特流中，“AA995566”是同步頭。FPGA只有在收到同步頭后才開始接收配置數(shù)據(jù)，而同步頭之前的數(shù)據(jù)后被FPGA忽略。本方案把“AA995566”放到Flash第一個(gè)扇區(qū)的最后四個(gè)字節(jié)上。同步頭后的比特流按次序從Flash的第二個(gè)扇區(qū)開始位置存放并執(zhí)行16個(gè)字節(jié)對齊，不足的比特流用空操作指令填充。其中熱啟動(dòng)起始地址（WBSA）是升級固件的起始地址，本方案確定該地址為0X00B40000。

IPROG命令比特流之后開始放置備份固件。備份固件結(jié)束之后升級固件開始之前的空間放置比特1。升級區(qū)從指定地址0X00B40000開始，并按512byte對齊，不足的比特填充‘1。升級區(qū)最后的32bit是CRC32校驗(yàn)碼，計(jì)算升級區(qū)域所有比特的CRC32值，但不包括最后的32bit。

FPGA固件修改

初始化Flash

實(shí)現(xiàn)在線升級功能，需要初始化Flash，即用JTAG線把修改后的固件燒錄進(jìn)Flash。該初始化工作只需要執(zhí)行一次。修改后的固件包含IPROG命令比特流、備份固件比特流和升級固件比特流，它們的起始地址按Flash分區(qū)方案確定。

固件修改可由Matlab或C語言實(shí)現(xiàn)，流程如下：

1.以寫模式打開一個(gè)init.bin文件，寫入0x3FFFC個(gè)“FF”，并在后面的四個(gè)字節(jié)寫入0x“AA995566”。

2.繼續(xù)寫入IPROG比特流，以16個(gè)字節(jié)對齊，不足的字節(jié)填充0x“20000000”。

3.讀取備份固件并寫入imt.bin，其后填充比特‘1直到0X00B40000前一個(gè)地址。

4.讀取升級固件按512byte對齊，不足的比特填充‘1直到最后4個(gè)字節(jié)。計(jì)算加填充的升級固件的CRC32值并放到最后4個(gè)字節(jié)。

5.寫入加CRC32校驗(yàn)的升級固件到init.bin。

升級固件添加CRC32

FPGA從RS232接口接收修改后的升級固件，并寫入到Flash實(shí)現(xiàn)在線升級，該過程不再需要JTAG線。

改寫升級固件只需要添加CRC32，流程如下：

1.以寫模式打開一個(gè)update.bin文件。

2.讀取升級固件按512byte對齊，不足的比特填充‘1直到最后4個(gè)字節(jié)。計(jì)算加填充的升級固件的CRC32值并放到最后4個(gè)字節(jié)。

3.寫入加CRC32校驗(yàn)的升級固件到update.bin。

FPGA邏輯設(shè)計(jì)

媒體無關(guān)接口

本文設(shè)計(jì)中，媒體無關(guān)接口（MII）是CPRI接口的一部分。CPRI采用Xilinx公司的IP核實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)同相/正交數(shù)據(jù)、廠商特定信息、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和高速數(shù)據(jù)鏈路控制的傳輸。MII接口在CPRI接口中的位置如圖4所示。

FPGA的MII接口與MCU的MII接口對接，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)收發(fā)。

SPI Flash讀寫

SPI Flash讀寫模塊包含一個(gè)Flash編程器和一個(gè)基于SPI 協(xié)議的收發(fā)器，如圖5所示。Flash編程器的功能是識別、擦除和燒寫Flash，并通過MCU本地總線向?qū)影l(fā)送升級成功或失敗的指示信號?；赟PI協(xié)議的收發(fā)器功能是向SPI Flash發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，并從SPI Flash中接收數(shù)據(jù)。

Flash編程器實(shí)現(xiàn)在線升級的流程如下：

1.初始化。完成升級過程中指示信號的復(fù)位。

2.檢驗(yàn)Flash ID并上報(bào)上位機(jī)是否正常。

3.擦除第一個(gè)扇區(qū)最后4個(gè)字節(jié)的同步頭0x“AA995566”。

4.擦除升級區(qū)。

5.燒寫升級區(qū)。

6.校驗(yàn)升級區(qū)，看CRC32余式是不是0x“C704DD7B”。

7.更新升級狀態(tài)，指示升級成功或失敗。如果升級成功，第一扇區(qū)最后4個(gè)字節(jié)燒寫同步頭0x“AA995566”。失敗情況下，會給出錯(cuò)誤類型，如超時(shí)或CRC校驗(yàn)有誤，并不燒寫同步頭。

Flash編程器實(shí)現(xiàn)升級失敗返回備份配置的關(guān)鍵是對同步頭的控制。如果升級成功，F(xiàn)PGA掉電重啟，檢測到同步頭后，執(zhí)行后續(xù)的IPROG命令并跳轉(zhuǎn)到升級區(qū)的起始地址開始加載;如果升級失敗，F(xiàn)PGA無法檢測到同步頭，就會忽略預(yù)置的IPROG命令，從備份配置啟動(dòng)。

測試驗(yàn)證

采用多個(gè)不同的固件，在無線通信板卡上對本文方法做驗(yàn)證，這些固件控制板卡上的指示燈以不同的方式閃爍。選取其中2個(gè)固件并制作imt.bm初始化Flash。選取其他的固件制作update.bin做在線升級。多次執(zhí)行在線升級并穿插進(jìn)行人為斷電操作。升級成功后，板卡上的指標(biāo)燈按新固件中的邏輯閃爍。人為斷電致使升級失敗，板卡上的指標(biāo)燈閃爍方式不變。上百次實(shí)驗(yàn)中，沒有出現(xiàn)一次差錯(cuò)，證明本文方法具有較高的可靠性。

本文方法操作簡單的特點(diǎn)體現(xiàn)在init.bin和update.bin制作上。兩個(gè)文件的制作只需要簡單的Matlab或C語言腳本即可實(shí)現(xiàn)。

本文方法的FPGA邏輯使用HDL語言編寫，移植時(shí)，只需修改與Flash和固件加載地址相關(guān)的部分，具有較強(qiáng)的可移植性。本方法的FPGA邏輯已成功移植到以Micron公司MT25Q25做為配置存儲芯片的xc7a200tfbg676-2上。

本文提出的射頻單元中FPGA固件遠(yuǎn)程升級方法，操作簡單、可移植性強(qiáng)和可靠性高，已成功應(yīng)用到多個(gè)TD-LTE無線通信系統(tǒng)產(chǎn)品上，為產(chǎn)品的升級維護(hù)帶來了便利。