基于S32K144的電控制動系統(tǒng)固件升級系統(tǒng)開發(fā)

許金鵬，李軍偉*，李連強，汪志瑩，董文龍

1.山東理工大學交通與車輛工程學院,山東 淄博 255049;2.一汽解放青島汽車有限公司,山東 青島 266217;3.北京裕峻汽車技術(shù)研究院,北京 100016

0 引言

電控制動系統(tǒng)(electronic brake system，EBS)的制動性能與人們的行車安全密切相關(guān)，EBS控制器的升級優(yōu)化是行車安全的重要保障。傳統(tǒng)的升級方式是拆開EBS控制器的外殼，利用各種調(diào)試接口，使用寫入器對控制器進行升級維護。這種升級方式的缺點是需要單獨引出下載接口，升級過程操作復(fù)雜，費時費力，同時有泄露源程序的風險?，F(xiàn)在的升級方式主要是通過EBS的控制器局域網(wǎng)絡(luò)(controller area network,CAN)接口升級程序，該升級方式可以提高保密性，減少現(xiàn)場升級維護的時間及成本[1-3]。文獻[4]中基于S32R274芯片開發(fā)汽車電子控制單元引導(dǎo)加載程序，為單片機固件升級系統(tǒng)開發(fā)提供了技術(shù)參考。文獻[5]中將基于S32K148芯片的引導(dǎo)加載程序與汽車網(wǎng)關(guān)結(jié)合，實現(xiàn)了車輛網(wǎng)關(guān)模塊開發(fā)。本文中針對S32K144主控芯片，設(shè)計開發(fā)EBS固件升級系統(tǒng)，結(jié)合循環(huán)冗余校驗(cyclic redundancy check，CRC)算法，提高升級過程中的可靠性與穩(wěn)定性，解決實際工程中EBS升級困難的問題。

1 EBS固件升級系統(tǒng)開發(fā)

1.1 工作原理

EBS包括主控制器、前橋控制器和后橋控制器3個控制器。主控制器接收駕駛員發(fā)出的制動信號，信息處理后，發(fā)送給前、后橋控制器。前、后橋控制器接收到主控制器發(fā)來的信號后，控制常閉增壓電磁閥工作，輸出高壓氣體，分別控制前、后制動器工作。主控制器位于車輛內(nèi)部，前、后橋控制器分別位于車輛的前、后橋位置，由于所在位置均不易拆卸，EBS后期升級維護比較困難。本文中采用CAN總線作為通信媒介，通過上位機向指定控制器發(fā)送特定的控制報文，指定控制器調(diào)用Flash模塊實現(xiàn)程序刷寫，實現(xiàn)EBS固件升級。

1.2 底層程序開發(fā)

主控制器、前橋控制器和后橋控制器的主控芯片均為S32K144，控制器升級系統(tǒng)底層程序開發(fā)主要分為CAN模塊、Flash模塊、中斷向量表的重映射、S19文件解析、CRC校驗5部分。

1.2.1 CAN模塊

CAN模塊實現(xiàn)控制器主控芯片S32K144與上位機的通信。CAN模塊時鐘頻率設(shè)置為8 MHz，波特率設(shè)置為500 kbit/s，報文傳輸格式設(shè)置為標準幀，上位機向EBS控制器發(fā)送報文的標識符(identification，ID)定義為0x601，EBS控制器向上位機發(fā)送報文的ID定義為0x602。CAN模塊的接收緩沖區(qū)開啟ID濾波器，只接收固定ID的報文，防止升級過程中其他報文干擾，提高工作效率。

1.2.2 Flash模塊

Flash模塊實現(xiàn)對控制器單片機內(nèi)存空間的擦除和寫入。S32K144芯片擁有512 kB的P_Flash內(nèi)存空間，P_Flash內(nèi)存空間主要存儲運行程序，斷電時不丟失數(shù)據(jù)，分為128個扇區(qū)，最小擦除單位為1個扇區(qū)，S32K144芯片的Flash不支持邊讀邊寫，需將執(zhí)行擦除和寫入部分的代碼復(fù)制到隨機存取存儲器(random access memory，RAM)中運行，設(shè)置Flash通用命令寄存器FTFC_FCCOB0為0x09，可擦除某個扇區(qū)。設(shè)置FTFC_FCCOB0寄存器的為0x07，可寫入數(shù)據(jù)至單片機內(nèi)存中。在單片機寫入前必須將該區(qū)域擦除，才能保證數(shù)據(jù)正確寫入。

S32K144單片機Flash內(nèi)存空間存儲地址分為2部分：升級系統(tǒng)分配地址段為0x00000000～0x00008FFF，用來存儲固件升級系統(tǒng)的底層程序；用戶程序分配地址段為0x00009000～0x0007FFFF，用來存儲用戶程序。

1.2.3 中斷向量表的重映射

EBS固件升級系統(tǒng)底層程序的中斷向量表使用默認地址，地址段為0x00000000～0x00000400，將用戶程序中鏈接文件m_interrupts起始位置修改為0x00009000，可實現(xiàn)用戶程序中斷向量表重映射，用戶程序中斷向量表地址為0x00009000～0x00009400。

1.2.4 S19文件解析

S19文件由S32DS IDE開發(fā)環(huán)境編譯生成，用來存儲用戶程序。S19文件包括記錄數(shù)據(jù)的類型、剩余數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)、存儲地址、數(shù)據(jù)及校驗和,前2個字符用ASCII碼表示，其余數(shù)據(jù)用十六進制表示。記錄數(shù)據(jù)的類型字節(jié)數(shù)為2個,用S0、S1、S2、S3、S5、S7、S8、S9表示，S0表示記錄的開始，代表S19文件開始；S1、S2、S3分別表示需要寫入至單片機內(nèi)存中的數(shù)據(jù)存儲地址長度為2個字節(jié)、3個字節(jié)、4個字節(jié)；S5不是每個S文件必須包含的，表示S1、S2、S3的個數(shù)；S7、S8、S9表示中止記錄，代表S19文件結(jié)束；剩余數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)表示存儲地址、數(shù)據(jù)以及校驗和的總字節(jié)數(shù)，字節(jié)數(shù)為1個；存儲地址表示該行S19數(shù)據(jù)在單片機中的具體地址；數(shù)據(jù)表示需更新寫入的代碼，字節(jié)數(shù)為0～32；校驗和字節(jié)數(shù)為1[6]。

S19文件寫入單片機內(nèi)存時，要對S19文件每行數(shù)據(jù)解析與校驗，保證每行數(shù)據(jù)正確傳輸，具體流程如圖1所示。

圖1 解析與校驗一行S19記錄流程圖

由圖1可知：解析S19文件時先判斷該行寫入的數(shù)據(jù)首字符是否為S，若是則解析記錄數(shù)據(jù)的類型，確定存儲地址的長度，若不是S會返回錯誤指令；對剩余數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)、存儲地址、數(shù)據(jù)、校驗和分別進行解析；解析完畢后根據(jù)校驗和對該行需要寫入的數(shù)據(jù)進行校驗，校驗通過該行S19數(shù)據(jù)會寫入至單片機內(nèi)存中，不通過則返回錯誤指令。

1.2.5 CRC校驗

EBS固件升級系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的通信安全要求非常嚴格，如果用戶程序不能正確升級，控制器無法正常工作。CRC是數(shù)據(jù)通信中常用的查錯校驗方法，該方法基于線性編碼理論，對傳輸數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則進行多項式計算，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院驼_性[7]。基本原理為:將發(fā)送方發(fā)送的m位信息序列作為1個多項式的系數(shù)，按照某種規(guī)則產(chǎn)生CRC碼并發(fā)送出去；接收方接收到CRC碼，根據(jù)接收到的信息序列按照一定規(guī)則進行解析，確定傳輸過程是否出現(xiàn)錯誤。

發(fā)送方在編碼前由原始數(shù)據(jù)產(chǎn)生原始多項式p(x)，p(x)最高次冪為m-1，選用CRC_16查表校驗法，生成多項式k(x)=x16+x15+x2+1，最高次冪為16，將原始多項式p(x)與x16相乘后除以k(x)，所得的余式為q(x)[8]，即為產(chǎn)生的CRC碼，將CRC碼按照一定的規(guī)則編碼后，得到的多項式

T(x)=x16p(x)+q(x)。

接收方將T(x)除以k(x)，若余數(shù)為0，則傳輸正確，否則傳輸錯誤。S19所有傳輸數(shù)據(jù)寫入單片機內(nèi)存后，對寫入的所有數(shù)據(jù)進行CRC計算，得到校驗碼A。上位機對發(fā)送給控制器的S19數(shù)據(jù)也進行同樣的CRC算法，得到校驗碼B，對比校驗碼A、B，若相同則證明寫入到控制器單片機內(nèi)存的程序和S19文件完全相同，不同則證明寫入錯誤。

1.3 工作流程

S32K144單片機使用ARM Cortex M系列的內(nèi)核，每次單片機上電或復(fù)位后從Reset_Handler復(fù)位向量開始，對內(nèi)部系統(tǒng)及RAM等進行初始化后再跳轉(zhuǎn)到main函數(shù)執(zhí)行程序[9]。EBS 3個控制器芯片相同，升級工作流程相同，控制器升級工作流程如圖2所示。

圖2 控制器升級工作流程

1)當控制器上電或復(fù)位后，對單片機應(yīng)用環(huán)境初始化，對時鐘模塊、CAN模塊、Flash模塊等初始化。

2)在主函數(shù)中等待3 s，如果3 s內(nèi)收到來自上位機的升級指令，進入用戶升級程序，如果未收到來自上位機的升級指令，跳出升級程序，直接執(zhí)行用戶程序。

3)執(zhí)行用戶升級程序，對原來用戶程序的Flash區(qū)域進行擦除，擦除地址為0x9000～0x7FFFF。

4)單片機內(nèi)存接收來自上位機傳輸?shù)腟19數(shù)據(jù)，接收1幀S19文件數(shù)據(jù)后保存至數(shù)組中，同時應(yīng)答上位機。

5)上位機發(fā)送完1行S19數(shù)據(jù)后，發(fā)出完畢命令，控制器接收到命令后，將保存在數(shù)組中的整行S19文件數(shù)據(jù)進行解析校驗，校驗通過后應(yīng)答上位機。

6)循環(huán)往復(fù)，直至上位機發(fā)送完畢所有S19文件數(shù)據(jù)。

7)單片機接收完來自上位機S19文件的所有數(shù)據(jù)后，對寫入至單片機內(nèi)部所有數(shù)據(jù)進行CRC校驗，并與S19文件數(shù)據(jù)CRC校驗碼對比；若校驗通過，則回應(yīng)上位機升級成功，跳轉(zhuǎn)至新用戶程序的開始地址執(zhí)行程序；若校驗未通過，則回應(yīng)上位機升級失敗，不執(zhí)行新的用戶程序。

2 EBS固件升級系統(tǒng)上位機開發(fā)

調(diào)用某公司CAN分析儀的相關(guān)庫函數(shù)，發(fā)送和接收CAN報文，實現(xiàn)上位機與控制器之間的信息交互[10]。

2.1 上位機界面設(shè)計

使用PyCharm中的工具包pyqt5調(diào)用QT Designer庫[11]，搭建EBS固件升級系統(tǒng)上位機圖形界面，對搭建好的界面生成對應(yīng)的Python界面配置代碼，如圖3所示。

圖3 上位機界面

由圖3可知，上位機界面主要分為CAN配置、下載設(shè)置2部分。CAN配置功能包括配置波特率、打開CAN卡、復(fù)位CAN卡以及關(guān)閉CAN卡。下載設(shè)置功能包括發(fā)送指定控制器(主控制器、前橋控制器、后橋控制器)升級命令報文、加載S19文件、開始更新、導(dǎo)出信息。發(fā)送指定控制器(主控制器、前橋控制器、后橋控制器)升級命令報文對應(yīng)上位機3個不同按鍵，對應(yīng)的升級命令分別為0xFF01、0xFF02、0xFF03。上位機顯示界面分為3個部分：顯示運行狀態(tài)、進度條、運行窗口。顯示運行狀態(tài)將上位機當前運行狀態(tài)在窗口中顯示，進度條顯示當前下載進度，運行窗口實時顯示S19文件下載到第幾行。

2.2 上位機通信協(xié)議

為實現(xiàn)上位機與控制器的正常通信，需要自定義通信協(xié)議[12-13]。本通信協(xié)議使用的CAN報文為標準幀，上位機使用CAN分析儀分別與主控制器、前橋控制器及后橋控制器進行通信，上位機與主控制器通信過程如圖4所示。

圖4 上位機與主控制器間的通信過程

1)上位機通過ID為0x601的報文發(fā)送主控制器開始升級命令(0xFF01)，主控制器接收到命令后進入用戶升級程序。先對保存用戶程序的Flash區(qū)域進行擦除，擦除成功后，通過ID為0x602的報文向上位機發(fā)送0xAC，表示連接成功。

2)上位機收到0xAC后，通過ID為0x601的報文發(fā)送主控制器要刷寫的S19文件數(shù)據(jù)，主控制器接收數(shù)據(jù)后回應(yīng)0xAC，發(fā)送1行S19數(shù)據(jù)完畢后，上位機通過ID為0x601的報文向主控制器發(fā)送0xFE，表示1行S19發(fā)送完畢。

3)主控制器收到0xFE后，將保存的1行S19數(shù)據(jù)寫入到指定的單片機內(nèi)存，寫入成功后，通過ID為0x602的報文向上位機發(fā)送0xAC，表示刷寫成功。

4)循環(huán)往復(fù)，直至上位機將所有的S19文件數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。

5)上位機通過ID為0x601的報文向主控制器發(fā)送0xFB以及該S19文件的CRC校驗碼，主控制器接收后對寫入到單片機內(nèi)存的數(shù)據(jù)進行CRC校驗，得到另1個校驗碼，比較2個校驗碼，相同則表示數(shù)據(jù)寫入成功，主控制器通過報文ID為0x602的報文發(fā)送0xAB，表示寫入成功；不同表示寫入失敗，主控制器通過報文ID為0x602的報文發(fā)送0xAE，表示CRC校驗失敗，寫入失敗。

6)S19文件數(shù)據(jù)成功寫入后，主控制器跳出用戶升級程序，執(zhí)行新的用戶程序，實現(xiàn)用戶程序在線升級。

7)某控制器在用戶程序刷寫時，另2個控制器正常工作。如3個控制器都需進行程序?qū)懭?，先選擇1個控制器進行程序?qū)懭耄瓿珊髮ο?個控制器進行程序?qū)懭?，依次完成在線升級。

3 臺架試驗驗證

在商用車氣壓制動系統(tǒng)臺架上進行EBS固件升級試驗。通過S32DS軟件對用戶程序編譯后生成S19文件，上位機CAN卡配置完畢后，點擊主控制器按鍵，完成上位機與主控制器的連接，之后點擊“加載文件”“開始更新”按鈕，主控制器開始升級用戶程序。升級后所有的按鈕變?yōu)椴豢墒褂脿顟B(tài)，防止誤觸導(dǎo)致程序下載失敗。當上位機的運行狀態(tài)框中出現(xiàn)“S文件更新完成”后，主控制器完成升級，使用相同的方式對前橋和后橋的控制器進行程序更新。

EBS系統(tǒng)的3個控制器升級完畢后，使用J_Link讀取單片機內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，并與下載的S19文件進行對比，驗證程序下載的完整性以及準確性。通過對比用戶程序的S19文件以及讀取的單片機內(nèi)存數(shù)據(jù)，二者完全一致，用戶程序正確下載至單片機內(nèi)存中。

將EBS的3個控制器安裝在商用車氣壓制動系統(tǒng)臺架上，進行制動試驗，踩下制動踏板后，前、后制動控制器工作，打開電磁閥，氣罐中的壓縮氣體被輸送到對應(yīng)管路中實現(xiàn)制動，完成EBS控制器系統(tǒng)升級。

4 結(jié)語

1)EBS固件升級系統(tǒng)實現(xiàn)了基于CAN總線通信技術(shù)的在線升級，方便了后期技術(shù)人員對EBS控制器的升級維護。

2)EBS固件升級系統(tǒng)對用戶程序進行了雙重校驗，S19文件每行數(shù)據(jù)按照S19文件解析校驗方式進行校驗，所有數(shù)據(jù)寫入單片機內(nèi)存后進行1次CRC校驗，提高了升級系統(tǒng)的準確性。

3)EBS固件升級系統(tǒng)能夠滿足實際工程要求，解決了實車環(huán)境中EBS控制器升級困難的問題，提升了后期維護升級的便利性、安全性。