關鍵詞 LPC2124 遠程IAP軟件升級 GPRS監控終端
引 言
用電現場監控終端是一種與多功能計量設備同步計量并全方位監控用電狀況的智能化設備，在目前全國電力緊缺的情況下，起到了削峰填谷，提高電網運行效率的作用，尤其適合于對用電大戶的用電監控。
市場的需求和應用技術的成熟往往是矛盾的，用戶總希望盡快用到功能完善、技術先進的產品，但從新技術到應用總有一個過程。這個過程的長短最大程度上決定了產品的市場前景，如果要好好把握市場，常常不得不一邊開拓市場一邊完善技術。實踐是檢驗真理的唯一標準，要做出好的產品，必須與用戶形成互動的關系，利用用戶的反饋信息對產品不斷完善。另外，產品長時間使用后，終端程序設計上的缺陷也就慢慢浮出水面，這就要求對終端系統程序進行升級。如果對幾百個終端進行現場ISP升級，那么不但浪費大量的人力、財力，更重要的是浪費了寶貴的時間，延誤了開拓市場的機遇，降低了用戶對產品的信譽度。
在Internet飛速發展的時代，將終端接入到Internet是解決上述問題的可靠、現實的方案。本設計方案應用于用電現場監控終端，采用高性能Philips ARM MCULPC2124，結合GPRS技術實現終端系統程序的遠程升級。
1 LPC2124芯片簡介
1．1 功能介紹
LPC2124基于一個支持實時仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-SCPU，并帶有236 KB嵌入的高速Flash存儲器和16 KB RAM。對于內嵌Flash存儲器支持JTAG、ISP、IAP等多種編程方式。
LPC2124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9個外部中斷，且內置了寬范圍的串行通信接口，使它們特別適用于工業控制中。因為用電監控終端對硬件資源要求高，軟件功能復雜，實時性強，所以采用LPC2124可以提高產品的性價比。
1．2 Flash存儲系統
LPC2124存儲系統包含256 KB的17個扇區。Flash存儲器從O地址開始并向上增加，17個扇區的大小也不連續分布，17個扇區總容量為248 KB，剩下的8 KB存儲空間為Boot扇區。Boot扇區位于Flash存儲系統的頂端部分，地址空間是0x0003 EO00～0x0003FFFF。LPC2124存儲系統的地址分配如圖1所示。
Boot Block占用第17扇區，即Boot扇區。該扇區的存儲空間專用來存放B00t裝載程序，控制復位后的初始化操作，并提供Flash的編程方法(代碼)。B00t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中由應用程序對Flash存儲器進行編程。
1.3 Flash存儲系統的編程
LPC2124支持多種方式對Flash進行編程，用來寫入用戶代碼或數據。第一種是通過內置的串行JTAG接口；第二種是通過UART0進行在系統編程(ISP)；第三種是通過在應用編程(IAP)實現。
1.3.1 JTAG編程
LPC2124的JTAG Flash編程可方便下載程序到片內Flash，但JTAG接口更主要的是提供硬件系統調試功能，諸如實現軟件的斷點、單步。JTAG Flash編程要中斷應用軟件的正常運行，連線較多，通信距離較短，而且要現場編程，只適應于產品在開發期的調試使用。
1.3.2 在系統編程
ISP(In-Svstam Programming)技術，即在系統可編程技術，是指電路板上的空白器件可以編程寫入最終用戶代碼，而無需從電路板上取下器件；已編程的器件也可用ISP方式擦除或再編程。LPC2124支持ISP的Flash編程，但要巾止應用軟件的正常運行，且需要提供一定的硬件資源+包括UARTO口、RS232驅動和CPU特殊引腳的狀態；編程要求現場操作，非常適用于便攜式智能儀器的升級，但顯然不適用于用電監測終端這類安裝環境特殊的設備。ISP編程原理詳見參考文獻。
1.3.3 在應用編程
在應用編程IAP(In-Application Programming)是應用在F1ash程序存儲器的一種編程模式。簡單地說就是在應用程序控制下，對程序某段存儲空間進行讀取、擦除或寫入操作。與ISP操作非常相似。具有在線編程功能，且克服了ISP的不足之處。它可以在應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、某頁甚至某個字節的讀／寫操作。這為數據存儲和固件的現場升級帶來了極大的靈活性。
2 IAP功能的硬件設計
基于LPC2124的以上3種編程方法的分析，IAP實現對終端程序升級自然是最佳選擇方案。下面介紹一種基于GPRS的遠程IAP系統方案，系統框圖如圖2所示。
AT45DB08081B，8Mb串行Flash存儲器，兼有ROM的掉電數據保存和RAM的讀／寫速度，最快支持20MHz的時鐘頻率，擦寫次數達10000次，內置2個264字節SRAM緩沖器，使得對主存儲體的編程可以連續進行，省去編程等待時間。AT45DB081B采用CASON-8封裝，支持2.5～3.6 V低電壓，操作功耗低，支持模式O和3的SPI總線接口，與MCU接口簡單，穩定可靠，非常適用于數字語音、圖像、程序代碼和數據的存儲應用中。在本設計中采用模式0與LPC2124通信，速度可達MCU主頻的1／8。
GPRS模塊使用Wavecom公司生產的Q2406B，雙頻GPRS／GSM模塊(EGSM900／1800 MHz或EGSM900／l900 MHz)，內置TCP／IP，與標準AT指令完全兼容；其設計開發符合ETSI GSM Phase 2+標準。
3 IAP功能的軟件設計
3．1 IAP編程接口
LPC2124的IAP程序位于Boot扇區，復位后整個Bool扇區被映射到存儲地址Ox7FFFFE000～Ox7FFFFFFF處；而IAP的入口地址為0x7FFFFFFFo，程序為Thumb代碼。IAP編程命令使用RAM的最高端32字節，所以應用程序應保留這部分RAM。在使用IAP擦除／編程操作過程中，片內Flash存儲器不可訪問。當用戶應用程序運行時，用戶F1ash區域的中斷向量有效，所以在調用Flash擦除／寫IAP之前，用戶應當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。
3．2 IAP編程C語言實現
對于在應用編程，LPC2124是通過寄存器R0中的字指針指向存儲器(RAM)包含的命令代碼和參數來調用IAP程序。IAP命令的結果返回到寄存器R1所指向的存儲器(RAM)。
調用LPC2124的IAP可使用如下C語言代碼：
◆定義IAP程序入口地址
#definc lAP_LOCATl0N Ox7FFFFFFFl
◆定義數據結構來傳遞IAP命令表和結果給IAP程序
unslgned long Command[5];
unsigncd long Result[2]；
◆定義函數類型指針，函數包括兩個參數，無返回值
typcdef void(*IAP)(unsigned int[]，unsigncdim int[])；
IAP iap_entry； ／／定義函數指針
◆設置函數指針
iap_entry=(IAP)IAP_LOCATION；
◆使用下面的語句來調用IAP
iap_entry(command，result)；
本系統是基于LPC2124工程模板進行移植的，在ADSl.2嵌入式軟件開發平臺上，用C語言直接調用IAP程序代碼實現IAP編程。IAP的命令碼、狀態碼和命令詳解以及IAP功能的詳細應用見參考文獻。
4 遠程升級在用電現場監控終端的應用
終端軟件系統的設計包括用戶引導程序設計(與Boot裝載程序有區別，前者由用戶設計，后者由芯片生產商設計并固化)和應用程序的設計。它們在LPC2124中的入口地址不同，終端復位后，如果未進入ISP編程狀態，則首先執行用戶引導程序，由用戶引導程序決定執行IAP升級還是正常運行；應用程序實現終端的各種功能，包括新版本應用程序升級包的下載。
4．1 終端用戶引導程序設計
終端用戶引導程序是基于文件系統的思想來設計的。終端的應用程序代碼存放在LPC2124的Flash存儲器中，終端正常運行時，MCU不停地從Flash中讀取指令。如果對應用程序升級，即對應用程序占用的Flash存儲器扇區進行擦除和再編程，顯然執行Flash編程的代碼占用的Flash扇區不能被擦除，那么升級程序的代碼只能用單獨的扇區存放，升級程序的執行可由應用程序調用，也可作為單獨的程序執行。由于LPC2124的IAP代碼采用16位Thumb指令集，執行IAP的過程中應禁止或者關閉中斷。如果將升級程序采用應用程序調用的方式來設計，會增加應用程序設計的復雜性，升級的可靠性較差。LPC2124復位后，由于Boot程序總是從Flash的0地址讀取指令，所以升級程序代碼放在起始扇區內，設計為用戶引導程序的一部分，而用戶引導程序總是不被修改的。如果升級過程失敗，MCU復位后應用程序可以重新升級，增強了升級的可靠性。
終端用戶引導程序在系統上電后執行。首先它檢查應用程序升級標志和版本號。當檢查到升級標志置位且出現新版本號時，從AT45DB081B中讀取應用程序升級包，然后執行LPC2124的Flash編程動作，實現對應用程序的升級。升級任務完成后，清除升級標志和更新應用程序版本，最后轉移到應用程序入口并執行應用程序代碼。引導過程流程如圖3所示。
4．2 終端應用程序設計
終端應用程序負責完成終端的數據采集、更新、掃描，并上報告警事件，控制現場執行機構，執行前置機的遠程命令及保存各種歷史數據等。前置機的遠程命令包括讀／寫終端命令、中繼命令和遠程升級命令。當終端接收到前置機的遠程升級命令后，終端分析升級命令幀，讀取升級包信息，包括包總長度、包校驗碼、幀序號和幀校驗碼，然后應答前置機并請求發送后繼數據幀，終端對后繼數據幀進行校驗，校驗正確則應答成功和接收下一幀數據，否則應答失敗并要求終端重發。連續5次重發失敗，則認為網絡通信質量差而取消當前升級操作，保存成功接收到的幀號和數據校驗和以備續傳。應用程序升級包按幀的方式通過GPRS Modem，由前置機下載到終端，并保存到終端的AT45DB081B Flash存儲器。下載成功后，置位升級標志和記錄升級包版本號，以備用戶引導程序升級。
升級包的下載過程可看成是數據的傳輸過程，應用程序可同步實現終端的其他各種功能，不影響終端的正常運行。應用程序升級包下載成功后，終端進行必要的現場保存并主動復位，從而執行用戶引導程序升級的最后一步——Flash編程。另外，也可在終端里配置升級時間，避開終端任務重負荷階段，使得升級過程對終端正常工作的影響降低到最小。
應用程序升級包的下載流程如圖4所示。
4．3 通信協議的設計
GPRS與Internet連接建立后，進入數據透明傳輸階段。本系統在完善的TCP／IP機制基礎上設計用戶應用層協議。為實現系統某個終端的系統軟件升級，前置機將要升級的程序代碼轉化為寫終端升級代碼幀，接入Internet到GPRS網絡，透明傳輸下載到目標終端。根據江西省用電現場服務與管理系統通信規約，將寫終端升級代碼幀分為3種：前置機升級請求幀、升級代碼數據幀和終端回應幀。幀格式在參考文獻中有詳細說明。
5 遠程IAP應用的可靠性探討
終端應用程序的升級過程不免要受到環境的干擾，如終端掉電、異常的終端復位和網絡通信阻塞等故障，都會導致終端遠程IAP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。以下是本系統中采取的措施：
◆終端掉電及異常復位處理。由于終端的停電及電網波動等干擾引起的終端復位，都將中止終端的升級過程，導致升級失敗。本系統采用下載和IAP過程完全分離的升級方式。IAP位于用戶引導程序部分，不被擦除。AT45DB08lB中總是備份最新版本終端應用程序，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，遠程IAP過程更為可靠。
◆遠程通信的誤碼處理。對數據傳輸過程產生的誤碼，通用的、有效的解決辦法，就是用CRC循環冗余校驗和重傳機制。數據校驗碼校驗正確后存入AT45DB081B，錯誤時返回錯誤編碼發和幀序號請求重發，直到檢測到結束幀。結束幀數據長度不夠，用00填充。
◆網絡阻塞、故障處理。由于地形和環境因素的影響，GPRS網絡在遠程IAP的通信過程中可能出現阻塞或斷開的情況。這時終端和前置機對無回應幀采用延時重發的機制，連續5次不成功則斷開GPRS網并重新連接，終端保存升級的下載斷點信息，以待網絡恢復后繼續傳數據。
結語
該設計方案基本解決了本系統的遠程代碼升級的問題，增強了系統軟件維護的方便性，縮短了新產品的上市時間，也為用戶提供了更安全、快捷的服務。用GPRS網絡作為傳輸通道，為接入Internet困難的偏遠地區的現場用電監控終端的遠程維護，提出了一種全新的、可靠的設計方案。
