地鐵自動售檢票系統(tǒng)中IO控制板固件遠(yuǎn)程升級新型方案的研究

摘要：單片機(jī)的在應(yīng)用編程（In-ApplicationProgramming，IAP）功能指的是在應(yīng)用中編程，即允許單片機(jī)在運(yùn)行自己的應(yīng)用程序時自我更新，通過特定的機(jī)制對程序存儲器進(jìn)行更新或修改，其目的就是為了在產(chǎn)品在使用后可以方便地通過預(yù)留的通信接口可遠(yuǎn)程對產(chǎn)品中的固件進(jìn)行升級更新。在工程應(yīng)用中經(jīng)常會出現(xiàn)產(chǎn)品被安裝在某個特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)中，更新程序的時候拆機(jī)很不方便，使用IAP技術(shù)能很好地降低工作量。產(chǎn)品MCU選擇STM32F405RG，該系列芯片面向需要在小至4mm×4.2mm的封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)高集成度、高性能、嵌入式存儲器和外設(shè)的醫(yī)療、工業(yè)與消費(fèi)類應(yīng)用。STM32F405/415提供了工作頻率為168MHz的Cortex?-M4內(nèi)核（具有浮點(diǎn)單元）的性能。

關(guān)鍵詞：地鐵自動售檢票系統(tǒng)IO控制板在應(yīng)用編程自動化控制

ResearchonanewschemeofremoteupgradeofIOcontrolboardfirmwareinMetroAutomaticFareCollectionSystem

HUJingfeng

FujianUrbanConstructionIntelligentControlCO.，LTD.Fuzhou，F(xiàn)ujianProvince，350001China

Abstract：Thein-applicationProgramming（IAP）functionofthesinglechipmicrocomputerreferstoprogrammingIntheApplication，thatis，allowingthesinglechipmicrocomputertoself-updatewhenrunningitsownapplication，andupdateormodifytheprogrammemorythroughaspecificmechanism.Itspurposeistoconvenientlyupgradethefirmwareintheproductthroughthereservedcommunicationinterfaceafteruse.Inengineeringapplications，ourproductsareofteninstalledinaspecific&nbTdkMhrX9PXW9afTJL1emUA==sp;mechanicalstructure，anditisveryinconvenienttodisassemblethemachinewhenupdatingtheprogram.TheuseofIAPtechnologycanreducetheworkload.WehaveselectedtheSTM32F405RGfortheMCUformedical，industrialandconsumerapplicationsthatrequirehighlyintegrated，high-performance，embeddedmemoryandperipheralsinpackagesassmallas4mmx4.2mm.TheSTM32F405/415providestheperformanceofaCortex?-M4kernel（withfloatingpointunit）operatingat168MHz.

KeyWords：MetroAutomaticFareCollectionSystem；IOcontrolpanel；In-ApplicationProgramming；AutomationControl

目前，國內(nèi)地鐵自動售檢票系統(tǒng)，已經(jīng)非常成熟且應(yīng)用范圍之廣，由于業(yè)務(wù)需求較多，其功能也是日益更新，軟件升級也比較頻繁，所以在軟件自動升級功能中，就凸顯出特別的重要，以提高工作效率和降低維護(hù)成本。

在一些終端設(shè)備中，使用了很多模塊，這些模塊一般都是采用單片機(jī)來控制，基于單片機(jī)的產(chǎn)品一般是沒有內(nèi)置操作系統(tǒng)。要完成升級，產(chǎn)品發(fā)布投入使用后，如果要對產(chǎn)品進(jìn)行軟件升級時，要是沒有遠(yuǎn)程升級功能，則需要工程師到現(xiàn)場一臺一臺的設(shè)備上進(jìn)行拆卸，工作極其煩瑣，這樣會增加大量的維護(hù)成本和浪費(fèi)開發(fā)人員的時間，效率也極低。

此產(chǎn)品，從電路設(shè)計(jì)到嵌入式系統(tǒng)，為自主研發(fā)，在AFC設(shè)備上大量的使用，比如自動售票機(jī)TVM、自動檢票機(jī)CTM等設(shè)備使用過程中，通過技術(shù)攻關(guān)和不間斷測試，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程在線升級功能，此功能能大量節(jié)省人工成本以及提高工作效率[1]。

精益求精，嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致，以此作為研發(fā)的宗旨。下面以這個產(chǎn)品的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，來討論和實(shí)現(xiàn)單片機(jī)（STM32）遠(yuǎn)程自動在線升級功能。

1創(chuàng)新設(shè)計(jì)構(gòu)想

STM32單片機(jī)系列的MCU自帶有bootloader程序，需借助專業(yè)編程器，人為方式，進(jìn)行下載更新升級，此方法不滿足生產(chǎn)環(huán)境上的需求，在大量現(xiàn)場使用的設(shè)備上進(jìn)行更新操作，其效率太低，工作量繁瑣。在此背景下，我們公司自主研發(fā)的IO控制板，采用全自動的升級方式，將需要升級的固件從控制中心通過FTP的方式，下載至嵌入式系統(tǒng)中進(jìn)行自身的更新操作，即在應(yīng)用編程（In-ApplicationProgramming，IAP）[2]。

實(shí)現(xiàn)思路，需要在單片機(jī)的ROM中，設(shè)計(jì)并運(yùn)行兩個項(xiàng)目程序代碼，第一個程序叫Bootloader，其作用是通過遠(yuǎn)程通信，通過上位機(jī)的串口相連，接收編譯好的固件二進(jìn)制代碼（稱為第二段代碼，即APP），之后在相應(yīng)地址上擦除FLASH并更新數(shù)據(jù)，再通過軟件方式，即可啟動APP，也就是真正的應(yīng)用軟件，這樣就能起到全自動升級的效果。

我們設(shè)計(jì)的新型方案是可相互升級Bootloader和App，Bootloader程序也可以在產(chǎn)品出廠時，先更新上去。也可以從第二段代碼去更新第一段代碼。這樣就能實(shí)現(xiàn)用Bootloader來升級App，或用App升級Bootloader的雙向升級的效果。在產(chǎn)品中，支持這2個種相互升級的功能，在我們的生產(chǎn)環(huán)境中，測試和運(yùn)行的效果良好[3]。

對總體設(shè)計(jì)做簡潔說明：

（1）上電從棧頂?shù)刂?x08000000運(yùn)行，執(zhí)行到地址0x08000004，再進(jìn)入mabcdec8689d9fe0525fb019f5471ad1a7f8fd19fe62691e16a61fce6a7ab8b3a9in函數(shù)，在main里停留3s，檢查0x08010000地址上的數(shù)據(jù)是否合法。如果合法，將進(jìn)入App程序，正常執(zhí)行。如非法數(shù)據(jù)或未下載，LED顯示“E-99”提示，等待上位機(jī)升級指令。

（2）在App運(yùn)行中，如有升級需求時，上位機(jī)發(fā)命令I(lǐng)O控制板，判斷是升級bootloader還是App，如是升級App，則自動復(fù)位進(jìn)入bootloader程序，接收升級包后處理相應(yīng)扇區(qū)的擦除寫入，再跳轉(zhuǎn)到App地址空間，升級完畢[4]。

（3）如是升級bootloader，則就在App內(nèi)部，進(jìn)行相應(yīng)扇區(qū)的擦除寫入，再跳轉(zhuǎn)到bootloader的地址空間，重新啟動，升級完畢。

2硬件設(shè)計(jì)

我們先來熟悉一下STM32F405系列單片機(jī)的內(nèi)部FLASH的分層架構(gòu)。

查詢MCU的技術(shù)文件得知其內(nèi)部ROM的物理空間地址如上圖1所示，F(xiàn)lashMemory空間從0x08000000～0x080FFFFF，總共1MByte。因要運(yùn)行2個程序，所以我們先對內(nèi)部物理空間做個分配，電路圖不作詳細(xì)講解。

（1）第一個bootloader程序的物理地址空間，我們設(shè)計(jì)從0x08000000～0x0800FFFF，占4個扇區(qū)（Sector0-4），每個扇區(qū)16K，總共64K，可通過SWD接口燒入。

（2）第二個App程序的物理空間，設(shè)計(jì)從地址0x08010000開始到0x080FFFFF（1M-16K=1008KByte），扇區(qū)從Sector4-11，占用8個扇區(qū)[5-6]。

3軟件設(shè)計(jì)

詳細(xì)解讀流程圖上的細(xì)節(jié)。

（1）上電后，系統(tǒng)自動運(yùn)用bootloader程序，檢查0x08010000上數(shù)據(jù)的合法性。

（2）如果0x08010000空間上的代碼不合法，進(jìn)入錯誤等待，LED上一直顯示：E-99。

（3）檢查標(biāo)志位，是否有升級需求，判斷是升級App還是Bootloader，則發(fā)送升級確認(rèn)包，進(jìn)入下載固件包的流程，下發(fā)，擦除相應(yīng)的扇區(qū)，更新。

（4）通信下發(fā)流程，需取得雙向認(rèn)證后（密鑰認(rèn)證），才可以下發(fā)固件包。

（5）升級完畢后，系統(tǒng)復(fù)位再次進(jìn)入bootloader，形成一個環(huán)流程[7]。

（6）如何進(jìn)入App應(yīng)用，參考如圖4部分代碼。

4結(jié)語

在產(chǎn)品研發(fā)過程中，得到了很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，通過深入的分析和探討，不僅增加了對學(xué)術(shù)研究的認(rèn)知，還鍛煉了解決問題的能力。將繼續(xù)發(fā)揚(yáng)科學(xué)求真精神，勇于創(chuàng)新、追求真理。精益求精，嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致，作為研發(fā)產(chǎn)品的宗旨，貴在創(chuàng)新。只有創(chuàng)新，才能學(xué)有所成，有所突破。只有發(fā)揮創(chuàng)新精神，才能在如此競爭激烈的浪潮中脫穎而出。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊菁，劉伊敏，張燁宇.城市軌道交通信號電源系統(tǒng)的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢[J].電池，2024，54（2）：295-296.

[2] 金利，杭州市軌道交通站點(diǎn)發(fā)展水平評價(jià)及影響因素研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2023.

[3] 鮑賀文，BM城市軌道交通工程咨詢公司發(fā)展戰(zhàn)略研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2021.

[4] 劉斌，地鐵自動售檢票（AFC）系統(tǒng)及其發(fā)展趨勢[J].華東科技，2022（1）：111-113.

[5] 韓宇淇，電氣自動化技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2021（20）：92-93.

[6] 劉昊杰，自動化技術(shù)在軌道交通工程中的應(yīng)用[J].集成電路應(yīng)用，2022，39（7）：244-245.

[7] 施仲衡，馮愛軍.城市軌道交通技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略探討[J].都市快軌交通，2004（4）：4-8.