基于485總線(xiàn)的STM32遠(yuǎn)程固件更新與實(shí)現(xiàn)

陳 峰,劉鵬飛,徐明陽(yáng),伍 能,邢宇鵬,謝 征

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004)

0 引言

STM32系列微控制器具備性能高、成本低、功耗低、兼?zhèn)鋵?shí)時(shí)功能和數(shù)字信號(hào)處理等特點(diǎn)，使其成為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的首要選擇，以高集成度和開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單著稱(chēng)的ARM Cortex-M0、M3、M4以及M7內(nèi)核的控制器，已在消費(fèi)電子、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、工業(yè)控制和安全產(chǎn)品等場(chǎng)景中被廣泛應(yīng)用[1-5]。STM32F103系列是ST公司發(fā)布的基于ARM Cortex-M3 32位內(nèi)核的微控制器芯片。其中STM32F103RCT6是增強(qiáng)型微控制器，高達(dá)72 MHz的工作主頻，是同類(lèi)產(chǎn)品中性能高好的產(chǎn)品，片內(nèi)Flash和RAM的容量分別為256 k和48 k，具有64個(gè)IO端口以及集成SPI、UART、ADC和TIMER等模塊，同時(shí)具備十分豐富實(shí)用的外設(shè)[1-3]，可滿(mǎn)足一般工業(yè)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)對(duì)微控制器經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性需求，使其成為微控制器中的理想器件。

RS-485總線(xiàn)是一種串行總線(xiàn)推薦性標(biāo)準(zhǔn)(RS,rcommended standard)，采用平衡驅(qū)動(dòng)器與差分接收器的方式進(jìn)行信號(hào)傳輸[5]。由于RS-485總線(xiàn)具有布線(xiàn)簡(jiǎn)單、傳輸距離遠(yuǎn)、支持節(jié)點(diǎn)多(32個(gè))、傳輸線(xiàn)成本低以及抑制共模干擾能力強(qiáng)的特性，使得RS-485成為工業(yè)應(yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標(biāo)準(zhǔn)，被廣泛應(yīng)用在汽車(chē)電子、電信設(shè)備局域網(wǎng)、航空電子、智能控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域中[16-21]。然而當(dāng)RS-485總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)上的STM32設(shè)備需要進(jìn)行軟件升級(jí)或軟件維護(hù)時(shí)，將設(shè)備一一拆裝，逐一采用編程器進(jìn)行嵌入式軟件更新，將會(huì)十分耗費(fèi)人力、物力和時(shí)間。更為致命的是，有些設(shè)備一旦集成完畢后，甚至不允許拆卸，就算將每臺(tái)設(shè)備的下載口都連接到設(shè)備外殼上，由于使用環(huán)境因素的制約，有時(shí)候人工已經(jīng)無(wú)法觸及到設(shè)備，這將給設(shè)備的升級(jí)維護(hù)帶來(lái)極大的困難與挑戰(zhàn)。為了解決RS-485總線(xiàn)上設(shè)備固件更新困難的問(wèn)題，本文提出基于RS-485總線(xiàn)，采用應(yīng)用內(nèi)編程IAP(in-application programming)的方式[6-12]對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程固件更新的方法，為STM32控制器在線(xiàn)升級(jí)提供一個(gè)方便快捷、穩(wěn)定可靠的解決方案。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

RS-485串行總線(xiàn)允許一對(duì)雙絞線(xiàn)上一個(gè)發(fā)送器驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載設(shè)備，由于發(fā)送和接收共用同一組物理信道，在任何時(shí)刻只允許一臺(tái)設(shè)備處于發(fā)送狀態(tài)，其它設(shè)備必須在總線(xiàn)上信號(hào)已經(jīng)發(fā)送完成后才能進(jìn)行應(yīng)答。在本系統(tǒng)中，PC端為主設(shè)備，即主機(jī)，經(jīng)USB轉(zhuǎn)RS-485模塊后連接到485總線(xiàn)上。其余設(shè)備為從設(shè)備，從設(shè)備出廠(chǎng)時(shí)自帶有系統(tǒng)內(nèi)部唯一的設(shè)備流水號(hào)，根據(jù)系統(tǒng)容量，流水號(hào)分別固化為1到N。主設(shè)備需要與從設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)，所有的從設(shè)備都接收到主設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，由于通信協(xié)議上攜帶設(shè)備流水號(hào)信息，只有流水號(hào)正確的設(shè)備才能進(jìn)行響應(yīng)?；?85總線(xiàn)的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

在基于RS-485總線(xiàn)的系統(tǒng)中，傳輸路徑上如果存在不連續(xù)阻抗或者出現(xiàn)阻抗不匹配的現(xiàn)象，極易引起信號(hào)傳輸過(guò)程中的電磁反射，反射的電磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)疊加，將使傳輸信號(hào)出現(xiàn)畸變，極易導(dǎo)致通信過(guò)程出現(xiàn)誤碼。因此，需要在總線(xiàn)遠(yuǎn)端線(xiàn)路上增加端接電阻，通常端接電阻的阻值為120 Ω，利用端接電阻來(lái)吸收噪聲并減少電磁反射，可以大幅度提高RS-485通信的可靠性[5]。

由于RS-485為半雙工通信方式，采用主-從結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行通信時(shí)，總線(xiàn)通信受主機(jī)控制，從設(shè)備不能主動(dòng)發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，所有的通信都應(yīng)由主機(jī)發(fā)起，各從設(shè)備之間也不能相互進(jìn)行通信。這種通信方式限制了不能對(duì)系統(tǒng)中的設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一集中升級(jí)。因此，在對(duì)系統(tǒng)中設(shè)備進(jìn)行固件在線(xiàn)升級(jí)時(shí)，只能逐一對(duì)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)，且在升級(jí)過(guò)程中不能對(duì)其它設(shè)備進(jìn)行操作，否則有可能會(huì)引起RS-485總線(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致遠(yuǎn)程固件更新不成功。

2 STM32遠(yuǎn)程固件更新方案

2.1 STM32固件更新方式

通常對(duì)STM32進(jìn)行固件更新的方式有以下3種。

1)在電路內(nèi)編程ICP(in-circuit programming)：ICP是STM32電路調(diào)試時(shí)最為常用的，一般有兩種調(diào)試方式，分別是JTAG仿真調(diào)試和串行單線(xiàn)調(diào)試SWD。標(biāo)準(zhǔn)的JTAG協(xié)議接口需要4根信號(hào)線(xiàn)(TDO、TDI、TCK、TMS)和硬件復(fù)位RST信號(hào)，JTAG主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試；而SWD需要2根信號(hào)線(xiàn)，分別為SWCLK和SWDIO。由于SWD方式具備調(diào)試速度快、占用IO口少的特點(diǎn)，因此，在電路板調(diào)試時(shí)，通常利用MDK等編譯工具以及STM32 ST-LINK Utiliyt下載助手等工具，便可實(shí)現(xiàn)通過(guò)SWD協(xié)議接口下載器更新固件。

2)在系統(tǒng)內(nèi)編程ISP(in-system programming)：使用ISP方式更新固件不需要下載器，是使用STM32系統(tǒng)存儲(chǔ)器中自帶的自舉引導(dǎo)程序(bootloader)進(jìn)行燒錄，可以通過(guò)STM32控微制器的接口，例如USB/UART/SPI/I2C/RS-485/CAN等，利用微控制器接口接收數(shù)據(jù)并將其內(nèi)部的APROM、數(shù)據(jù)閃存(DataFlash)和用戶(hù)配置(Config)區(qū)域進(jìn)行更新。無(wú)論是電路板上的空白控制器還是已經(jīng)編程過(guò)的微控制器，都可以通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)編程的方式達(dá)到固件更新的目的。

3)在應(yīng)用內(nèi)編程IAP(in-application programming)：通過(guò)通信接口實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)固件更新，它不需要使用任何工具，僅僅是通過(guò)軟件的方法來(lái)更新FLASH中的數(shù)據(jù)，即利用用戶(hù)編寫(xiě)的引導(dǎo)程序在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)User Flash的部分區(qū)域進(jìn)行在線(xiàn)電擦除和再編程[9]。因此，IAP需要在程序設(shè)計(jì)時(shí)編寫(xiě)兩個(gè)項(xiàng)目工程，第一個(gè)項(xiàng)目程序作為更新引導(dǎo)程序，執(zhí)行對(duì)第二部分真正用戶(hù)代碼的更新或超時(shí)跳轉(zhuǎn)至用戶(hù)程序，以實(shí)現(xiàn)器件固件更新功能以及用戶(hù)程序的正常啟動(dòng)[7-16]。

使用ICP升級(jí)固件時(shí)，需要將常用的下載工具，比如JLINK、ULINK、CMSIS-DAP、STLINK等通過(guò)下載線(xiàn)纜連接到目標(biāo)器件的下載接口上，該方法是硬件調(diào)試階段較為合理的器件固件更新方法。當(dāng)硬件調(diào)試結(jié)束封裝成模塊或設(shè)備后，后期如果需要再次更新固件時(shí)，就必須對(duì)設(shè)備進(jìn)行拆裝或者將每一個(gè)設(shè)備的下載口引到設(shè)備機(jī)殼外部，這樣都不利于總線(xiàn)上設(shè)備的高效升級(jí)。ISP的優(yōu)勢(shì)是不需要編程器就可以實(shí)現(xiàn)STM32的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，該技術(shù)通過(guò)器件出廠(chǎng)時(shí)自帶的升級(jí)引導(dǎo)程序，原則上支持遠(yuǎn)程固件更新，但是在升級(jí)時(shí)需要對(duì)器件啟動(dòng)模式進(jìn)行選擇，不可避免地引入對(duì)硬件的物理連接操作。一般ISP的步驟為：電腦通過(guò)USB轉(zhuǎn)232線(xiàn)連接控制器的USART1，打開(kāi)下載軟件，設(shè)置跳線(xiàn)或使用按鍵，使控制器的BOOT0為高電平，BOOT1為低電平，從而復(fù)位控制器使其進(jìn)入bootloader模式，通過(guò)下載軟件更新程序，程序更新完畢后，再將BOOT0設(shè)置為低電平，確保器件重啟后從內(nèi)部FLASH啟動(dòng)程序。ISP模式的引導(dǎo)程序是器件出廠(chǎng)時(shí)自帶的，使用固定的硬件接口，用戶(hù)無(wú)法對(duì)其進(jìn)行修改和重定義，這也在一定程度上限制了ISP方式的大量應(yīng)用。而IAP遠(yuǎn)程固件更新則完全不需要對(duì)器件進(jìn)行任何額外的硬件連接操作，IAP技術(shù)從結(jié)構(gòu)上將Flash存儲(chǔ)器劃分成兩個(gè)相互獨(dú)立的存儲(chǔ)區(qū)域，一個(gè)區(qū)域用來(lái)存放升級(jí)引導(dǎo)程序Bootloader，另外一個(gè)區(qū)域用來(lái)存放用戶(hù)應(yīng)用程序。IAP升級(jí)引導(dǎo)程序是由用戶(hù)編寫(xiě)的，可根據(jù)實(shí)際使用需求選擇不同的硬件外設(shè)以及自定義數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，相對(duì)ISP的方式，IAP方式在升級(jí)時(shí)，顯得更加靈活方便。IAP的一般實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：設(shè)備上電后首先進(jìn)入引導(dǎo)程序，引導(dǎo)程序在確認(rèn)無(wú)固件更新需求后跳轉(zhuǎn)到用戶(hù)應(yīng)用程序。當(dāng)需要對(duì)總線(xiàn)上的某一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行固件更新時(shí)，可向該設(shè)備發(fā)送軟件重啟命令，使其再次進(jìn)入升級(jí)引導(dǎo)程序，接收來(lái)自主機(jī)的待升級(jí)固件數(shù)據(jù)，并寫(xiě)入控制器指定的Flash區(qū)域，待所有數(shù)據(jù)接收完畢并編程成功后跳轉(zhuǎn)到新程序入口地址，執(zhí)行新寫(xiě)入的程序，達(dá)到遠(yuǎn)程固件更新的目的。

2.2 IAP遠(yuǎn)程固件更新方案

2.2.1 IAP實(shí)現(xiàn)技術(shù)原理

IAP的實(shí)現(xiàn)技術(shù)原理如圖2所示，其IAP實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。

1)STM32微控制器在復(fù)位后，首先從基地址0x0800 0000開(kāi)始啟動(dòng)，然后從內(nèi)部閃存地址0x0800 0004取出復(fù)位中斷向量的地址，并跳轉(zhuǎn)到IAP復(fù)位中斷服務(wù)程序[2-4]，在運(yùn)行完復(fù)位中斷服務(wù)程序之后跳轉(zhuǎn)到IAP中main(void)函數(shù)。IAP的main(void)函數(shù)的主要功能是啟用時(shí)鐘、初始化串口以及解除存儲(chǔ)區(qū)域的寫(xiě)保護(hù)等，當(dāng)需要升級(jí)固件時(shí)按協(xié)議規(guī)范接收固件數(shù)據(jù)并寫(xiě)到相應(yīng)的FLASH區(qū)域；當(dāng)不需要升級(jí)時(shí)跳轉(zhuǎn)至0x0800 0004+N+M處執(zhí)行真正的用戶(hù)APP(User-application)程序；

2)IAP代碼執(zhí)行結(jié)束之后，即新的用戶(hù)APP代碼已成功寫(xiě)入STM32的FLASH中，此時(shí)，用戶(hù)程序的復(fù)位中斷向量表起始地址變?yōu)?x0800 0004+N+M，取出新程序的復(fù)位中斷向量表的地址，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)至用戶(hù)APP的main(void)函數(shù)[2-4]；

3)在用戶(hù)APP的main(void)函數(shù)執(zhí)行過(guò)程中，如果微控制器得到一個(gè)新的中斷請(qǐng)求，PC指針仍強(qiáng)制跳轉(zhuǎn)到地0x0800 0004中斷向量表處，而不是用戶(hù)程序的0x0800 0004+N+M中斷向量表處[2-4]；

4)執(zhí)行完步驟1)后，程序再根據(jù)設(shè)置的中斷向量表偏移量，跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)中斷源新的中斷服務(wù)程序中，在執(zhí)行完新的中斷服務(wù)程序后，程序返回用戶(hù)程序main(void)函數(shù)繼續(xù)運(yùn)行程序[2-4]。

圖2 IAP實(shí)現(xiàn)技術(shù)原理圖

2.2.2 Flash空間分配

將STM32啟動(dòng)模式配置為用戶(hù)Flash啟動(dòng)，控制器Flash區(qū)域劃分如圖3所示。根據(jù)IAP和用戶(hù)程序占用空間大小，將IAP升級(jí)引導(dǎo)程序存放于0x0800 0000起始的12 kB地址空間中，當(dāng)系統(tǒng)上電后，先從0x0800 0000進(jìn)入IAP升級(jí)引導(dǎo)程序，等待升級(jí)固件確認(rèn)信號(hào)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)設(shè)備接收到升級(jí)信號(hào)，則進(jìn)入升級(jí)處理程序，否則將程序跳轉(zhuǎn)至用戶(hù)應(yīng)用程序。升級(jí)引導(dǎo)程序和用戶(hù)程序Flash空間分配具體設(shè)置如下。

1)引導(dǎo)程序空間設(shè)置：在MDK編譯器的Target options-Target標(biāo)簽下的IROMl的起始地址設(shè)置為0x0800 0000，空間大小配置為0x2FFF；

2)用戶(hù)程序空間設(shè)置：在MDK編譯器中將IROMl的起始地址設(shè)置為0x08003000，并將剩余空間分配為用戶(hù)程序區(qū)，最重要的是在用戶(hù)程序main()函數(shù)中添加中斷向量表地址偏移量：NVIC_SetVectorTable(NVIC_VectTab_FLASH,0x3000)，或者在system_stm32f10x.c文件下重新定義中斷向量表偏移量：#define VECT_TAB_OFFSET 0x3000，以確保用戶(hù)程序部分從0x8003000開(kāi)始啟動(dòng)，不會(huì)與IAP程序空間造成沖突。

圖3 Flash區(qū)域劃分示意圖

2.2.3 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)使用自定義通信協(xié)議，以提高固件更新過(guò)程中的抗誤碼性能。傳輸協(xié)議見(jiàn)表1和表2。其中，上位機(jī)到設(shè)備端通信協(xié)議中，第1、2字節(jié)為幀頭，第3、4字節(jié)為待傳輸數(shù)據(jù)包總長(zhǎng)度，第5、6字節(jié)為當(dāng)前傳輸幀序號(hào)，第7字節(jié)為設(shè)備流水號(hào)，第8字節(jié)為命令字，用命令字定義所需要執(zhí)行的具體操作，第9到N字節(jié)為所攜帶的數(shù)據(jù)，傳輸升級(jí)固件數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)段固定長(zhǎng)度為256字節(jié)，其它類(lèi)型數(shù)據(jù)長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際需求確定，以避免不必要的開(kāi)銷(xiāo)。然后是校驗(yàn)位，采用和校驗(yàn)的方式，將第3到N字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行和校驗(yàn)，最后兩個(gè)字節(jié)為幀尾。設(shè)備到上位機(jī)通信協(xié)議與上位機(jī)到設(shè)備通信協(xié)議基本一致，不同之處在于第9字節(jié)表示命令執(zhí)行結(jié)果標(biāo)識(shí)，用0x00表示命令執(zhí)行失敗，0xFF表示命令執(zhí)行成功。

表1 上位機(jī)到設(shè)備通信協(xié)議

表2 設(shè)備到上位機(jī)通信協(xié)議

固件更新時(shí)主機(jī)向待升級(jí)設(shè)備發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，等待設(shè)備返回信息或返回信息超時(shí)。設(shè)備根據(jù)幀頭、幀尾以及校驗(yàn)位判斷當(dāng)前幀是否接收成功，并將執(zhí)行結(jié)果上報(bào)主機(jī)。如果當(dāng)前幀接收正確，主機(jī)將發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)，否則將當(dāng)前數(shù)據(jù)幀重新發(fā)送，當(dāng)同一數(shù)據(jù)幀發(fā)送次數(shù)大于5時(shí)，終止發(fā)送，此時(shí)判斷設(shè)備或通信出現(xiàn)故障。當(dāng)固件更新過(guò)程中出現(xiàn)異常情況時(shí)，用戶(hù)程序區(qū)域有可能已遭受破壞，此時(shí)將無(wú)法正常啟動(dòng)用戶(hù)程序。但是，由于升級(jí)過(guò)程中不會(huì)對(duì)引導(dǎo)程序部分區(qū)域進(jìn)行操作，因此可通過(guò)斷電重啟設(shè)備的形式，對(duì)設(shè)備再次進(jìn)行更新升級(jí)即可。

2.2.4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

Visual C++6.0在可視化編程和數(shù)據(jù)管理方面功能十分強(qiáng)大，它以類(lèi)和事件驅(qū)動(dòng)為核心，具有程序框架自動(dòng)生成、代碼編寫(xiě)和界面設(shè)計(jì)集成交互操作的優(yōu)點(diǎn)，非常適合于嵌入式軟件人員進(jìn)行上位機(jī)軟件的編程[18-22]。因此上位機(jī)控制程序采用VC++6.0設(shè)計(jì)，利用Microsoft公司提供的簡(jiǎn)化Windows下串行通信編程的ActiveX控件，各個(gè)控件的觸發(fā)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的協(xié)議數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)串口通信功能。通信接口具體配置為：波特率：9 600，校驗(yàn)位：無(wú)，數(shù)據(jù)位：8位，停止位：1位。上位機(jī)控制軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能包括通信串口號(hào)配置、設(shè)備流水號(hào)設(shè)置、確認(rèn)更新、下載或上傳固件、啟動(dòng)用戶(hù)程序、軟件重啟、發(fā)送文件、執(zhí)行用戶(hù)程序以及一些升級(jí)過(guò)程中的關(guān)鍵輔助信息提示。上位機(jī)程序操作界面如圖4所示，程序界面簡(jiǎn)潔直觀，指引性強(qiáng)，易于操作，即便是對(duì)軟件、硬件一點(diǎn)都不熟悉的人員，都能通過(guò)該界面輕易地實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程固件更新。

圖4 上位機(jī)程序操作界面

2.2.5 生成目標(biāo)下載固件

MDK編譯器將嵌入式程序代碼經(jīng)編譯后一般生成AXF格式文件，經(jīng)配置編譯選項(xiàng)后，也可以生成HEX和BIN格式文件。AXF文件是編譯器默認(rèn)生成的目標(biāo)代碼文件，它不僅包含了有效代碼數(shù)據(jù)，而且還包含了全部調(diào)試信息，通常在MDK進(jìn)行在線(xiàn)調(diào)試時(shí)使用該文件。一般情況下，AXF格式文件并不適合用來(lái)當(dāng)作待升級(jí)固件文件。而HEX和BIN文件都是由AXF格式文件生成的，屬于AXF文件的簡(jiǎn)化版本，HEX格式文件的數(shù)據(jù)內(nèi)容如圖5(a)所示。HEX文件使用十六進(jìn)制符號(hào)表示的數(shù)據(jù)記錄，其數(shù)據(jù)具體定義見(jiàn)表3。以圖5(a)第二行為例，表明該行數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為0x10字節(jié)(N=0x10)，地址偏移量為0x3000，數(shù)據(jù)類(lèi)型為0x00，表示該數(shù)據(jù)為普通數(shù)據(jù)，從0xD0到0x08的16個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)內(nèi)容，即需要寫(xiě)到0x8003000起始地址的具體數(shù)據(jù)值，最后一個(gè)字節(jié)是校驗(yàn)和，用來(lái)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

表3 HEX文件數(shù)據(jù)定義

由于HEX格式文件在數(shù)據(jù)上增加了額外的開(kāi)銷(xiāo)，數(shù)據(jù)量較多、文件所占空間通常較大，而B(niǎo)IN文件是最小可運(yùn)行的文件，其包含了最直接的代碼映像，BIN格式文件數(shù)據(jù)內(nèi)容如圖5(b)所示。從第一行可以看出，其第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)是0xD0，第十六個(gè)字節(jié)為0x08，剛好與HEX文件中第二行的數(shù)據(jù)部分完全一致。因此，固件程序文件選擇BIN文件，以盡量減少升級(jí)過(guò)程中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，提高升級(jí)效率。由AXF到BIN文件轉(zhuǎn)換需要在MDK編譯器上添加類(lèi)似如下命令：fromelf--bin-o".in_file@L.bin" "#L"。值得注意的是，固件選用BIN格式文件時(shí)，由于BIN格式文件不攜帶地址信息，燒寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，必須從設(shè)置好的地址偏移量開(kāi)始燒錄，否則將會(huì)導(dǎo)致升級(jí)后的程序無(wú)法正常運(yùn)行。

圖5 HEX和BIN格式文件構(gòu)成

2.2.6 固件更新詳細(xì)流程

STM32遠(yuǎn)程固件更新詳細(xì)流程如圖6所示。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模式下，設(shè)備上電后初始化系統(tǒng)，首先進(jìn)入IAP升級(jí)引導(dǎo)程序，向主機(jī)發(fā)送開(kāi)機(jī)提示操作信息并檢測(cè)串口輸入，等待主機(jī)發(fā)送確認(rèn)升級(jí)固件字符“Y”。如果在3秒時(shí)間內(nèi)主機(jī)沒(méi)有返回執(zhí)行信息或返回的信息不是字符“Y”，則執(zhí)行超時(shí)操作，自動(dòng)切換到用戶(hù)程序運(yùn)行。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)一旦接收到確認(rèn)升級(jí)字符，程序跳轉(zhuǎn)到固件更新主菜單，提示下一步操作選項(xiàng)，可選擇固件更新、固件上傳或切換到用戶(hù)程序。

圖6 IAP固件更新流程圖

若主機(jī)回復(fù)“1”，選擇固件更新，則設(shè)備端按照通信協(xié)議按幀接收固件數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，并將接收成功與否信息返回主機(jī)。當(dāng)某一數(shù)據(jù)幀接收失敗或檢驗(yàn)失敗時(shí)，重傳該幀，重傳次數(shù)不大于5次。由于所使用STM32的Flash每一頁(yè)的大小為2 k，因此每校驗(yàn)完2 k的數(shù)據(jù)，便將該數(shù)據(jù)按頁(yè)寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的Flash地址空間。當(dāng)所有的數(shù)據(jù)接收完畢后從設(shè)備回復(fù)主機(jī)接收成功信息，否則回復(fù)主機(jī)接收失敗。

若主機(jī)回復(fù)“2”，選擇固件上傳，則將0x0800 3000開(kāi)始的數(shù)據(jù)讀出，并按照上位機(jī)到設(shè)備的通信協(xié)議上傳數(shù)據(jù)，以獲取當(dāng)前設(shè)備內(nèi)部的程序備份。

若主機(jī)回復(fù)“3”，選擇切換到用戶(hù)程序，設(shè)備跳轉(zhuǎn)至0x0800 3000處執(zhí)行用戶(hù)應(yīng)用程序軟件，系統(tǒng)將正常啟動(dòng)設(shè)備。

在RS-485總線(xiàn)模式下，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行固件更新時(shí)，首先發(fā)送指令使待升級(jí)設(shè)備軟件重啟，然后微控制器強(qiáng)制從復(fù)位中斷向量0x0800 0004處進(jìn)入IAP程序，提示主機(jī)執(zhí)行下一步操作。由于在通信協(xié)議中包含了設(shè)備流水號(hào)信息，因此只有被選擇固件更新的設(shè)備才正常響應(yīng)主機(jī)的命令，并與主機(jī)建立通信連接，再利用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信模式實(shí)現(xiàn)固件更新。

3 IAP遠(yuǎn)程固件更新實(shí)現(xiàn)

IAP遠(yuǎn)程更新RS-485總線(xiàn)上STM32設(shè)備固件的具體操作步驟和方法如下。

1)固件更新前準(zhǔn)備工作：從電腦上打開(kāi)上位機(jī)軟件，檢查確認(rèn)當(dāng)前電腦與設(shè)備通信所使用的串口號(hào)，在上位機(jī)軟件的串口配置中選擇正確的串口號(hào)，并打開(kāi)該串口。此時(shí)，上位機(jī)軟件將經(jīng)電腦通過(guò)USB轉(zhuǎn)RS-485總線(xiàn)與設(shè)備建立物理通道連接關(guān)系，固件更新準(zhǔn)備工作就緒；

2)選擇待升級(jí)設(shè)備：當(dāng)總線(xiàn)上的設(shè)備需要升級(jí)固件時(shí)，上位機(jī)軟件首先選擇該設(shè)備對(duì)應(yīng)的流水號(hào)，例如需要升級(jí)5號(hào)設(shè)備的固件，將設(shè)備流水號(hào)“5”寫(xiě)入串口配置里的流水號(hào)空白框中，選擇軟件重啟，將重啟5號(hào)設(shè)備；

3)5號(hào)設(shè)備重啟后，首先進(jìn)入IAP升級(jí)引導(dǎo)程序，設(shè)備初始化完成后向上位機(jī)發(fā)送升級(jí)主菜單提示信息，如圖7(a)所示，為防止誤升級(jí)，設(shè)備返回升級(jí)主菜單中包括了該設(shè)備的SN碼，流水號(hào)等信息，并提示是否需要對(duì)該設(shè)備進(jìn)行升級(jí)。在核對(duì)設(shè)備的流水號(hào)信息無(wú)誤后，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)點(diǎn)擊“確認(rèn)更新：Y”按鍵進(jìn)行確認(rèn)升級(jí)操作；

4)設(shè)備接收到確認(rèn)升級(jí)的回復(fù)后，將返回下載菜單操作提示信息，如圖7(b)所示。提示本次操作是固件更新、固件上傳還是啟動(dòng)用戶(hù)程序。根據(jù)下載提示信息，此時(shí)應(yīng)選擇“1、固件更新”選項(xiàng)，等待發(fā)送固件數(shù)據(jù)；

5)在文件選擇選項(xiàng)中添加待更新固件.BIN文件所在目錄，然后選擇發(fā)送文件，上位機(jī)將按照已定義的傳輸協(xié)議將固件數(shù)據(jù)分包下發(fā)，并在接收到正確接收回復(fù)后發(fā)送下一數(shù)據(jù)包，控制軟件在信息提示框中打印數(shù)據(jù)包發(fā)送及接收的狀態(tài)信息，同時(shí)通過(guò)進(jìn)度條顯示固件更新的實(shí)時(shí)進(jìn)度情況。固件更新過(guò)程如圖7(c)所示。待固件數(shù)據(jù)全部更新完成后，設(shè)備發(fā)送接收成功通知，并再次返回下載菜單，此時(shí)可以選擇“執(zhí)行用戶(hù)程序”或斷電、軟件重啟設(shè)備，設(shè)備將按照新固件運(yùn)行用戶(hù)程序，至此固件更新完畢。

圖7 遠(yuǎn)程固件更新操作過(guò)程示意圖

由上述遠(yuǎn)程固件更新操作流程可知，通過(guò)IAP遠(yuǎn)程固件更新技術(shù)，利用編寫(xiě)的上位機(jī)控制軟件，對(duì)RS-485總線(xiàn)上設(shè)備遠(yuǎn)程升級(jí)的過(guò)程操作簡(jiǎn)單、方便快捷，僅僅需要幾個(gè)簡(jiǎn)單的人機(jī)交互過(guò)程就可以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)設(shè)備的固件更新，不但省去了拆裝設(shè)備、接插線(xiàn)纜等操作所帶來(lái)的麻煩，而且提高了設(shè)備升級(jí)維護(hù)的效率。經(jīng)長(zhǎng)期驗(yàn)證考核表明，使用該遠(yuǎn)程固件更新方案，包文傳輸出錯(cuò)幾率極低，固件升級(jí)成功可靠性高，取得了良好的實(shí)用效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了RS-485總線(xiàn)及STM32控制器在應(yīng)用中編程的技術(shù)原理和技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了STM32控制器固件在線(xiàn)更新的技術(shù)方案，編寫(xiě)了遠(yuǎn)程固件更新上位機(jī)控制軟件，解析了編譯器生成的程序文件具體數(shù)據(jù)形式，確定了待更新固件的格式，采用自定義串口傳輸通信協(xié)議，確保了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的有效性，實(shí)現(xiàn)了STM32微控制器的遠(yuǎn)程固件更新和維護(hù)。實(shí)踐應(yīng)用表明，通過(guò)VC++編寫(xiě)的上位機(jī)控制軟件，結(jié)合自定義串口通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)的IAP遠(yuǎn)程固件更新，固件更新過(guò)程操作簡(jiǎn)單便捷，程序運(yùn)行穩(wěn)定可靠，解決了RS-485總線(xiàn)上STM32設(shè)備固件更新困難的問(wèn)題，具有極為廣泛的應(yīng)用前景。