面向電動車車載監(jiān)控終端的嵌入式軟件遠程升級系統(tǒng)研究與設(shè)計

徐洋，鄭繼敏

(重慶郵電大學(xué)自動化學(xué)院，重慶 400065)

0 引言

車載終端的嵌入式軟件部分，由于其靈活性較大，往往是最容易出錯的地方,因此在車載終端的使用過程中，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在一些可以修復(fù)的軟件問題。另外，即使終端產(chǎn)品在使用過程中不存在軟件上的錯誤，但用戶提出了新的軟件需求，在這些情況下都需要對終端軟件程序進行升級。由于車輛流動性大且隨機分布在不同區(qū)域，當(dāng)要給這些安裝在車輛上的車載終端進行程序升級時，通常要派出大量技術(shù)支持人員趕赴現(xiàn)場對終端進行代碼更新，這會極大地影響車載終端程序升級的及時性，可能會造成不可預(yù)計的損失[1]。同時，也給汽車生產(chǎn)商增加了大量的開支成本，給企業(yè)收益帶來影響。為了解決車載終端執(zhí)行文件升級的不及時、成本較高等問題，作者設(shè)計了一套針對電動車車載終端的遠程升級系統(tǒng)。該系統(tǒng)在GPRS和因特網(wǎng)的支持下，從遠程服務(wù)器上下載最新的程序文件來替換舊的程序文件。其優(yōu)勢在于利用網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，而無須趕赴現(xiàn)場對車載終端進行升級。

1 遠程升級基本原理

在微處理器中，程序存儲器的編程方法通常有兩種：通過串口或JTAG等接口進行編程的在系統(tǒng)編程(In System Programming,ISP)模式、在應(yīng)用程序控制下的在應(yīng)用編程(In Application Programming，IAP)模式。ISP模式由于其調(diào)試的方便性得到眾多廠家的支持。IAP模式是應(yīng)用Flash程序存儲器的一種編程模式，該模式將Flash存儲區(qū)分為兩部分：一部分用于存放引導(dǎo)加載程序，即BootLoader程序；另一部分用于存放用戶應(yīng)用程序，即APP程序[2]。APP程序通過GPRS或其他無線傳輸技術(shù)遠程傳輸?shù)轿⑻幚砥鞯耐鈬鎯υO(shè)備中。BootLoader程序即引導(dǎo)程序，當(dāng)處理器上電或復(fù)位后首先運行引導(dǎo)程序。BootLoader程序檢測終端是否需要升級，如果不需要升級程序，則直接跳轉(zhuǎn)運行原來的APP程序；如果需要升級，BootLoader程序首先通過Flash存儲器的擦除、讀、寫機制對APP程序區(qū)進行擦除并將要升級的程序從外圍存儲設(shè)備中寫入到APP程序區(qū)，然后跳轉(zhuǎn)執(zhí)行新的APP程序。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由遠程服務(wù)器和基于STM32微控制器的車載終端組成。當(dāng)車載終端需要升級時，服務(wù)器通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)浇K端，終端將收到的數(shù)據(jù)寫入到終端外圍存儲設(shè)備中，終端重新上電后將存儲設(shè)備中升級文件拷貝到STM32內(nèi)部Flash，實現(xiàn)車載終端自動跳轉(zhuǎn)升級功能。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 遠程升級系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 升級文件傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式

為了達到準(zhǔn)確升級的目的，首先要對升級代碼文件進行組包，給每組數(shù)據(jù)包加入包序號、起始標(biāo)志、結(jié)束標(biāo)志、校驗位。并且要保證數(shù)據(jù)包的長度不大于256個字節(jié)以適應(yīng)GPRS通信方式對數(shù)據(jù)包長度的要求[3]，避免出現(xiàn)頻繁掉線和發(fā)送不出去的情況。如果數(shù)據(jù)包和校驗碼字段中出現(xiàn)了和起始結(jié)束標(biāo)志位相同的數(shù)據(jù)，則要進行轉(zhuǎn)義處理。校驗碼采用異或校驗，從升級數(shù)據(jù)包開始，同后一字節(jié)異或，直到校驗碼前一個字節(jié)。具體數(shù)據(jù)包格式如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)包格式

3.2 服務(wù)器端軟件設(shè)計

服務(wù)器端程序流程圖如圖2所示：服務(wù)器端啟動套接字監(jiān)聽連接，等待車載終端主動連接；車載終端連接服務(wù)端成功后，服務(wù)端首先下發(fā)升級指令，若收到終端升級準(zhǔn)備就緒的應(yīng)答，則服務(wù)端將要下發(fā)的升級文件按照表1所示的格式進行分組打包，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)杰囕d終端，直到整個升級文件發(fā)送完為止。

圖2 服務(wù)端流程圖

3.3 車載終端程序設(shè)計

將BootLoader引導(dǎo)程序和APP程序分別存放在STM32 Flash的不同地址范圍，低地址存放BootLoader引導(dǎo)程序，緊跟其后的是APP程序[4]。車載終端控制芯片是STM32F105RBT6，F(xiàn)lash大小為128 kB，APP和BootLoader程序在Flash中存儲位置如圖3所示。設(shè)計的BootLoader程序和APP程序功能獨立，兩個程序模塊互不干擾。相對于其他設(shè)計中所采用的通過標(biāo)志位置位來實現(xiàn)兩個程序的相互跳轉(zhuǎn)來說，軟件設(shè)計更加簡潔、功能更穩(wěn)定。

圖3 STM32 Flash存儲區(qū)劃分

3.3.1 BootLoader程序設(shè)計

BootLoader引導(dǎo)程序流程圖如圖4所示，終端上電后，首先運行BootLoader程序,檢測TF卡中是否有待升級的文件，如果有則將TF卡中升級文件復(fù)制到Flash中APP地址處替換掉原來的APP程序，然后再跳轉(zhuǎn)執(zhí)行新的APP程序。

圖4 BootLoader引導(dǎo)程序流程圖

3.3.2 接收升級文件程序設(shè)計

APP程序除了執(zhí)行車載終端設(shè)備功能外，還負(fù)責(zé)接收服務(wù)器端下發(fā)的升級文件，并將升級文件寫入到TF卡中，因此需要在APP程序中設(shè)計代碼接收程序。大多數(shù)設(shè)計將接收到的升級文件直接存放在控制器Flash中，這樣不僅要求控制芯片F(xiàn)lash容量要足夠大，也增加了軟件設(shè)計的難度。采用TF卡等外圍存儲設(shè)備接收升級文件不僅可以解決控制芯片F(xiàn)lash容量不足的問題，還可使軟件設(shè)計更加容易。代碼接收程序流程圖如圖5所示。

圖5 升級代碼接收程序流程圖

4 遠程升級可靠性設(shè)計

在升級文件遠程傳輸過程中，會面臨被截取、篡改等安全問題，通過加密技術(shù)能為數(shù)據(jù)安全提供很好的解決方法[5]。同時在升級過程中必須要保證升級數(shù)據(jù)的正確性和完整性，文中還采用斷線續(xù)傳等措施，保證了升級的可靠性和高效性。

4.1 安全傳輸設(shè)計

在數(shù)據(jù)幀通過GPRS傳輸?shù)倪^程中，可能會受到各種干擾，如數(shù)據(jù)被截斷、篡改等。針對上述可能出現(xiàn)的情況，作者對升級包進行了加密處理，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的安全傳輸。目前數(shù)據(jù)加密算法有很多種，主要分為對稱加密與非對稱加密兩種。對稱加密算法加密和解密用的密鑰相同，常用的對稱加密算法有DES(Data Encryption Standard)、AES(Advanced Encryption Standard)等。非對稱加密算法加密和解密的秘鑰是不同的，比如RSA(Rivest-Shamir-Adleman)算法。在資源有限、計算能力較差的嵌入式控制系統(tǒng)中，需要選取一種易于實現(xiàn)、占用資源少的加密算法[6-7]。文中采用TEA(Tiny Encryption Algorithm)加密算法，該算法是一種非常簡單高效的加密算法，以加密解密速度快、實現(xiàn)簡單著稱。相對于其他設(shè)計中采用DES或AES等算法來對數(shù)據(jù)進行加密，文中采用的輕量級TEA加密算法不僅能有效地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，而且占用資源少，更加適合用于電動車車載終端嵌入式軟件平臺。

4.2 斷線續(xù)傳設(shè)計

在系統(tǒng)升級時，終端從服務(wù)器下載升級文件需要一段時間。終端下載升級文件的過程中，很可能會出現(xiàn)由于網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量差、地理因素而導(dǎo)致車載終端斷線問題。如果出現(xiàn)終端斷線就重新再傳，而不保存已傳部分并等終端下次上線時續(xù)傳，這必然會影響執(zhí)行文件升級的效率，也會額外增加GPRS數(shù)據(jù)流量的通信費用。為了解決上述問題，在服務(wù)端程序中增加了一個具有斷線續(xù)發(fā)的軟件功能模塊。如果車載終端成功接收到服務(wù)端下發(fā)的數(shù)據(jù)幀，則需要向服務(wù)器發(fā)送應(yīng)答幀，服務(wù)器收到應(yīng)答幀后下發(fā)下一幀數(shù)據(jù)。如果車載終端回復(fù)接收失敗，則服務(wù)器重發(fā)該數(shù)據(jù)幀。若到達一定的次數(shù)服務(wù)端仍沒有收到應(yīng)答，則認(rèn)為車載終端已掉線。這時就需要在服務(wù)端程序中保存車載終端的最近一次通信狀態(tài)，為車載終端控制器下次上線續(xù)發(fā)提供所需信息。該軟件功能模塊流程圖如圖6所示。

圖6 斷線續(xù)傳流程圖

5 遠程升級系統(tǒng)測試

車載終端在進行遠程升級時，首先通過上位機登錄到服務(wù)器，將本地升級文件上傳到服務(wù)器，如圖7所示。車載終端上電運行，主動連接服務(wù)器，如圖8所示。當(dāng)服務(wù)端和終端連接成功后，若服務(wù)端收到終端請求升級指令，則系統(tǒng)開始升級任務(wù)。文中對終端進行了50次升級實驗，分別在文件傳輸?shù)揭欢ㄩL度時人為將車載終端和服務(wù)器連接中斷，分別測試出使用斷線續(xù)傳功能和未使用斷線續(xù)傳功能時整個升級過程需要花費的時間。最終計算出使用斷線續(xù)傳功能時系統(tǒng)平均升級時間為5.41 min，不使用該功能時需要7.67 min。實驗結(jié)果表明：文中設(shè)計的具有斷線續(xù)傳功能的升級系統(tǒng)不但可以完成升級任務(wù)，而且可以提高升級效率以及減少GPRS數(shù)據(jù)流量的消耗。

圖7 登錄到遠程服務(wù)器

圖8 車載終端上電連接服務(wù)器

6 結(jié)束語

詳細介紹了面向電動車車載終端遠程升級系統(tǒng)的軟件設(shè)計與實現(xiàn)。首先介紹了升級系統(tǒng)的整體架構(gòu)及升級文件傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式，然后重點介紹服務(wù)端及車載終端IAP軟件的設(shè)計與實現(xiàn)，最后對升級系統(tǒng)的可靠性設(shè)計進行介紹。在設(shè)計過程中采用應(yīng)答機制、斷線續(xù)傳、TEA加密解密等技術(shù)實現(xiàn)了車載終端嵌入式軟件的遠程在線升級功能，解決了車載終端升級困難不經(jīng)濟等問題，節(jié)約了升級和維護的成本。最后通過大量測試證明：此系統(tǒng)不僅有較高的成功率而且升級效率有了較大的改善。該遠程升級技術(shù)也可用于其他控制系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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