[摘 要] 鑒于智能終端的系統(tǒng)軟件遠(yuǎn)程升級和維護困難的問題，提出了一種基于LPC2114和GPRS的遠(yuǎn)程系統(tǒng)軟件升級的設(shè)計方案。介紹了LPC2114的主要性能和特點，片上Flash的構(gòu)成及IAP編程原理，GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議，并系統(tǒng)地闡述了IAP技術(shù)在遠(yuǎn)程配變監(jiān)控終端上的應(yīng)用與實現(xiàn)。實踐證明該方案較好地解決了終端軟件遠(yuǎn)程升級和維護困難的問題，縮短了終端軟件系統(tǒng)的開發(fā)周期。最后對遠(yuǎn)程IAP升級方案的可靠性進行了探討。 關(guān)鍵詞 LPC2114 遠(yuǎn)程IAP GPRS 配變監(jiān)控終端 1 引言 配變監(jiān)控終端是安裝在配電變壓器一次側(cè)，用于全方位監(jiān)控用電狀況的智能化設(shè)備，在目前全國電力缺乏的情況下，起到了削峰填谷，提高電網(wǎng)運行效率的作用，尤其適合于對用電大戶的用電監(jiān)控。 市場的需求和應(yīng)用技術(shù)的成熟是相輔相成的，客戶總希望盡快用到技術(shù)先進和功能完善的產(chǎn)品，而從新技術(shù)到成熟產(chǎn)品有一段過程，過程的周期很大程度上決定了產(chǎn)品的市場前景，通常是一邊開拓市場一邊完善技術(shù)。要做出好的產(chǎn)品則必須與客戶形成互動的關(guān)系，利用客戶的反饋信息對產(chǎn)品不斷完善，另外產(chǎn)品長時間使用后，終端程序設(shè)計上的缺陷也就逐漸顯現(xiàn)，這就要求對終端系統(tǒng)程序進行升級。如果對于幾百個終端進行現(xiàn)場ISP升級，既費時費力，又延誤了開拓市場的機遇，降低了客戶對產(chǎn)品的信譽度。 在Internet飛速發(fā)展的今天，將終端接入到Internet解決上述問題是可靠的、現(xiàn)實的方案。本設(shè)計方案應(yīng)用于遠(yuǎn)程配電監(jiān)控終端，采用高性能Philips ARM I,PC2114，結(jié)合IAP編程技術(shù)和GPRS技術(shù)實現(xiàn)終端系統(tǒng)程序的遠(yuǎn)程升級。 2 LPC2114芯片簡介 2．1 功能簡介 LPC2114基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI—S CPU，并帶有128KB嵌入的高速Flash存儲器和16KBRAM。對于內(nèi)嵌Flash存儲器支持JTAG、ISP、IAP等多種編程方式。 2114具有非常小的64腳封裝、極低的功耗、多個32位定時器、4路10位ADC、PWM輸出、46個GPIO以及多達(dá)9個外部中斷以及內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，使它們特別適用于工業(yè)控制。因為用電監(jiān)控終端對硬件資源要求高，軟件功能復(fù)雜，實時性強，所以采用LPC2114來設(shè)計可以提高產(chǎn)品的性價比。 2．2 存儲系統(tǒng) LPC2114存儲系統(tǒng)包含F(xiàn)lash存儲器和RAM存儲器，F(xiàn)lash存儲器主要用來存放程序代碼，RAM則主要于程序運行期間的堆棧安排和變量空間，LPC2114存儲系統(tǒng)的地址分配如表1所示。 Boot Block占用第15扇區(qū)即Boot扇區(qū)，它位于Flash存儲器的頂部，該扇區(qū)的存儲空間專用來存放Boot裝載程序，控制復(fù)位后的初始化操作，并提供Flash的編程方法（代碼）。Boot裝載器可啟動對空白片的編程、已編程器件的擦除和再編程以及在運行的系統(tǒng)中由應(yīng)用程序?qū)lash存儲器進行編程[2]。 2．3 Flash存儲系統(tǒng)的編程 LPC21l 4支持多種方式對Flash進行編程，用來寫入用戶代碼或數(shù)據(jù)。第一種是通過內(nèi)置的串行JTAG接口；第二種是通過UARTO進行在系統(tǒng)編程（ISP）；第三種是通過在應(yīng)用編程（IAP）實現(xiàn)。下面簡單介紹IAP的編程原理。 IAP（In-Application Programming）是應(yīng)用在Flash程序存儲器的一種編程模式。即在應(yīng)用程序控制下，對程序某段存儲空間進行讀取、擦除、寫入操作。與ISP操作非常相似，具有在線編程功能。且克服了ISP不足之處，它可以在應(yīng)用程序正常運行的情況下對另外一段程序Flash進行讀寫操作，甚至可以控制對某段、某頁、甚至某個字節(jié)的讀寫操作。這為數(shù)據(jù)存儲和固件的現(xiàn)場升級帶來了極大的靈活性。 3 IAP功能的硬件設(shè)計 由以上分析可知，使用IAP對Flash存儲器進行編程是合適的方案。下面介紹一種基于GPRS的遠(yuǎn)程IAP系統(tǒng)方案，系統(tǒng)框圖如圖1所示。 AT45DB041B為4MB串行Flash存儲器，兼有ROM的掉電數(shù)據(jù)保存和RAM的讀寫速度，最快支持20MHz的時鐘頻率，擦寫次數(shù)達(dá)10000次，內(nèi)配置了兩個264BSRAM緩沖器，使得對主存儲體的編程可以連續(xù)進行，省去編程等待時間；AT45DB041B采用CASON-8封裝，支持2.5～3.6V低電壓，操作功耗低，支持模式0和3的SPI總線接口，與MCU接口簡單，穩(wěn)定可靠。非常適用于數(shù)字語音、圖像、程序代碼和數(shù)據(jù)的存儲應(yīng)用中。 GPRS模塊使用Siemens公司生產(chǎn)的MC35i，雙頻GPRS/GSM模塊（EGSM900/1800MHz或EGSM900/1900MHz），內(nèi)置TCP/IP，與標(biāo)準(zhǔn)AT指令完全兼容；其設(shè)計開發(fā)符合ETSI GSM Phase2＋標(biāo)準(zhǔn)。 4 IAP功能的軟件設(shè)計 4．1 IAP編程接口 LPC2114的IAP程序位于Boot扇區(qū)，復(fù)位后整個Boot扇區(qū)被映射到存儲地址0x7FFFE000～0x7FFFFFFF處，而IAP的入口地址為0x7FFFFFF0，程序為Thumb代碼。IAP編程命令使用RAM的最高端32B，所以應(yīng)用程序應(yīng)保留這部分RAM。在使用IAP擦除/編程操作過程中，片內(nèi)Flash存儲器不可訪問。當(dāng)用戶應(yīng)用程序運行時，用戶Flash區(qū)域的中斷向量有效，所以在調(diào)用Flash擦除/寫IAP之前，用戶應(yīng)當(dāng)禁止中斷或確保用戶中斷向量在RAM中有效和中斷處理程序位于RAM中。IAP代碼不使用或禁止中斷。 4．2 IAP編程C語言實現(xiàn) 對于在應(yīng)用編程，LPC2114是通過寄存器RO中的字指針指向RAM存儲單元包含的命令代碼和參數(shù)來調(diào)用IAP程序。IAP命令的結(jié)果返回到寄存器R1所指向的RAM空間。 LPC2114的IAP調(diào)用可使用如下C語言代碼調(diào)用： （1）定義IAP程序入口地址。 # define IAP_ LOCATION 0x7FFFFFF1 （2）定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來傳遞IAP命令表和結(jié)果給IAP程序。 unsigned long Command[5]；//輸入?yún)?shù)最多為5個 unsigned long Result[2]；//輸出參數(shù)最多為2個 （3）定義函數(shù)類型指針，函數(shù)包括兩個參數(shù)，無返回值。 typedef void （＊IAP） （unsigned int[ ]，unsigned int[ ]）； IAP iap_entry；//定義函數(shù)指針 （4）設(shè)置函數(shù)指針。 iap_entry = （IAP）IAp_ LOCATION； （5）使用下面的語句來調(diào)用IAP。 iap_entry （command， result）； 本系統(tǒng)是基于LPC2114工程模板上進行移植，在ASD1.2嵌入式軟件開發(fā)平臺上用C語言直接調(diào)用IAP程序代碼實現(xiàn)IAP編程，IAP的命令碼、狀態(tài)碼和命令詳解以及IAP功能的詳細(xì)應(yīng)用見文獻(xiàn)[2]。 5 LPC2114的IAP遠(yuǎn)程升級在用電現(xiàn)場監(jiān)控終端的應(yīng)用 終端軟件系統(tǒng)的設(shè)計包括用戶引導(dǎo)程序設(shè)計（與Boot裝載程序有區(qū)別，前者由用戶設(shè)計，后者由芯片生產(chǎn)商設(shè)計并固化）和應(yīng)用程序的設(shè)計。它們在LPC2114中的入口地址不同，終端正常復(fù)位后，則首先執(zhí)行用戶引導(dǎo)程序，由用戶引導(dǎo)程序決定是否啟動IAP升級程序；應(yīng)用程序完成終端的各種功能，包括新版本應(yīng)用程序升級包的下載。 5．1 終端用戶引導(dǎo)程序設(shè)計 終端用戶引導(dǎo)程序是基于文件系統(tǒng)的思想來設(shè)計的，用戶引導(dǎo)程序設(shè)計成單獨的程序，裝載于LPC2114的Flash扇區(qū)起始位置處，終端重新啟動時，LPC2114總是從0地址開始讀取指令并執(zhí)行，將IAP升級代碼安排到用戶引導(dǎo)部分，實驗證明這種安排是合理的。如果采用應(yīng)用程序調(diào)用的方式執(zhí)行IAP命令編程Flash，當(dāng)Flash編程遇到失敗時，整個系統(tǒng)就完全崩潰，應(yīng)用程序代碼被破壞，再無能力遠(yuǎn)程更新。采用本文的升級方式可完全避免這種情況的出現(xiàn)，用戶引導(dǎo)程序出廠后固化，而外圍存儲器AT45DB041B中始終保存一份最新的應(yīng)用程序代碼備份，引導(dǎo)程序有能力多次編程Flash扇區(qū)，確保應(yīng)用程序代碼的完整性，增加了升級的可靠性。 終端用戶引導(dǎo)程序運行執(zhí)行后，首先檢查應(yīng)用程序升級標(biāo)志和版本號，當(dāng)升級標(biāo)志被置位且出現(xiàn)新版本號時，MCU通過SPI接口從AT45DB041B中讀取應(yīng)用程序升級代碼，然后調(diào)用IAP命令執(zhí)行Flash編程，實現(xiàn)對應(yīng)用程序的升級，當(dāng)升級任務(wù)完成后，清除升級標(biāo)志和更新應(yīng)用程序版本，最后轉(zhuǎn)移到應(yīng)用程序入口并執(zhí)行應(yīng)用程序代碼，引導(dǎo)過程流程圖如圖2所示。 5．2 終端應(yīng)用程序設(shè)計 終端應(yīng)用程序負(fù)責(zé)完成終端的各項功能，其中包括接收前置機的遠(yuǎn)程升級命令。終端接收到前置機的遠(yuǎn)程升級命令后，應(yīng)用程序?qū)⑸壈凑諑姆绞酵ㄟ^GPRS Modem從前置機下載到終端，并保存到終端的AT45DB041B存儲器，下載成功后置位升級標(biāo)志和記錄升級包版本號以備用戶引導(dǎo)程序升級。 在升級包的下載過程中可看成是數(shù)據(jù)傳輸過程，應(yīng)用程序可同步完成終端的其他各種功能，不影響終端的正常運行。應(yīng)用程序升級包下載成功后，終端進行必要的現(xiàn)場保存并主動復(fù)位，從而執(zhí)行用戶引導(dǎo)程序升級的最后一步——Flash編程。另外也可以在終端里配置升級時間，避開終端任務(wù)重負(fù)荷階段，使得升級過程對終端正常工作影響降低到最低程度。應(yīng)用程序升級包的下載流程如圖3所示。 5．3 通信協(xié)議的設(shè)計 GPRS與Internet連接建立后，進人數(shù)據(jù)透明傳輸階段。本系統(tǒng)在完善的TCP/IP機制基礎(chǔ)上設(shè)計用戶應(yīng)用層協(xié)議。為實現(xiàn)對系統(tǒng)某個終端的系統(tǒng)軟件升級，前置機將要升級的程序代碼轉(zhuǎn)化為寫終端升級代碼幀，接入Internet到GPRS網(wǎng)絡(luò)，透明傳輸下載到目標(biāo)終端[8]。參照通信規(guī)約，自定義了前置機升級請求幀、升級代碼數(shù)據(jù)幀和終端回應(yīng)幀，幀格式如表2所示。 在通信協(xié)議的幀格式中，三種數(shù)據(jù)幀的前五項相同，起始字符表示幀的開始，固定用68H表示；終端邏輯地址在通信時用來唯一識別一個通信的最終發(fā)起端和接收端，它包括地市區(qū)碼和終端地址碼兩部分；主站地址在通信時用來唯一識別通信的主站端對象；控制碼表示要求執(zhí)行的操作，8AH表示升級代碼下載操作；數(shù)據(jù)長度則表示此項直到校驗符的前項的所有數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)；廠商編號是與本終端匹配前置機的唯一編號；權(quán)限等級和密碼應(yīng)用于前置機升級請求幀和升級代碼數(shù)據(jù)幀中，權(quán)限和密碼保護機制保證升級幀的可靠性；在升級請求幀中還包括升級軟件版本號，總長度和總校驗和，是升級文件的相關(guān)信息；在升級代碼數(shù)據(jù)幀中還包括當(dāng)前的幀序號和本幀的數(shù)據(jù)內(nèi)容，數(shù)據(jù)長度固定為792B，不足補OOH；在終端回應(yīng)幀中給出錯誤信息和下一幀序號，以便前置機的后續(xù)傳輸處理；檢驗碼CS和幀尾是三種共同的部分，校驗碼是幀頭與校驗碼之間字節(jié)累加和，幀尾固定用16H表示。 6 遠(yuǎn)程IAP應(yīng)用的可靠性探討 終端應(yīng)用程序的升級過程不免要受到環(huán)境的干擾，如終端掉電、異常的終端復(fù)位、網(wǎng)絡(luò)通信阻塞等故障，都會導(dǎo)致終端遠(yuǎn)程升級包下載或者IAP編程的失敗，因此必須提供一套可靠的軟硬件機制來保證終端IAP過程的正常工作。本系統(tǒng)中采取的措施[7]如下。 （1）終端掉電及異常復(fù)位處理 由于終端的停電及電網(wǎng)波動等干擾引起的終端復(fù)位都將中止終端的升級過程，導(dǎo)致升級失敗。本系統(tǒng)采用下載和IAP過程完全分離的升級方式，IAP部分位于用戶引導(dǎo)程序部分，不被擦除，AT45DB041B中總是備份最新版本終端應(yīng)用程序，所以任何階段操作失敗都能保證終端的正常工作。另外，在終端配備蓄電池和充電電路，在終端主電源來電時對蓄電池充電，使得終端掉電時也可正常運行，遠(yuǎn)程IAP過程更為可靠。 （2）遠(yuǎn)程通信的誤碼處理數(shù)據(jù)傳輸過程產(chǎn)生的誤碼。通用的、有效的解決辦法就是用CRC循環(huán)冗余效驗和重傳機制。數(shù)據(jù)校驗碼校驗正確后存入AT45DB041B，錯誤時返回錯誤編碼發(fā)和幀序號請求重發(fā)，直到檢測到結(jié)束幀。結(jié)束幀數(shù)據(jù)長度不夠，用00填充，不影響校驗碼。 （3）網(wǎng)絡(luò)阻塞、故障處理 由于地形和環(huán)境因素的影響，GPRS網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程IAP的通信過程中可能出現(xiàn)阻塞或斷開的情況，這時終端和前置機對無回應(yīng)幀采用延時重發(fā)的機制，連續(xù)五次不成功則斷開GPRS網(wǎng)并重新連接，終端保存升級的下載斷點信息，以待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后繼傳數(shù)據(jù)。 7 結(jié)束語 該設(shè)計方案基本解決了本系統(tǒng)的遠(yuǎn)程代碼升級的困難，提高了系統(tǒng)軟件維護的方便性，加快了新產(chǎn)品的上市時間，也為用戶提供了更安全、快捷的服務(wù)，提高了產(chǎn)品搶占市場的競爭力。用GPRS網(wǎng)絡(luò)為傳輸通道，對接入Internet困難的邊遠(yuǎn)地區(qū)的現(xiàn)場用電監(jiān)控終端的遠(yuǎn)程維護提出了一種全新的、可靠的設(shè)計方案。 來源：電氣應(yīng)用