采用CAN總線的ECU在線編程系統(tǒng)的設計方案介紹

隨著IAP技術的出現(xiàn)以及Flash價格的降低，一般的電控單元（ECU）都具有IAP（In Application Programming）功能和較大的Flash空間，為實現(xiàn)ECU在線編程功能提供了必要條件。目前基于IAP技術的在線編程的方案有很多，采用的通信方式和具體實現(xiàn)方法也各不相同。采用RS232總線和YMODEM協(xié)議開發(fā)的用于智能終端的在線升級系統(tǒng)，但是RS232總線的傳輸速率有限。采用LIN總線實現(xiàn)的適用于汽車ECU的在線升級系統(tǒng)，LIN總線除了傳輸速率有限以外，同時它只是一種輔助總線，并不是所有車身ECU都采用LIN接口。參考文獻[1][4]采用基于CCP（CAN Calibration Protoc01）協(xié)議的在線升級系統(tǒng)，兼具CAN總線傳輸速率快和CCP協(xié)議可擴展性好的優(yōu)點。本文采用CAN總線，基于CCP原理自定義協(xié)議的在線升級系統(tǒng)，具有傳輸速度快的特點。自定義協(xié)議各命令基本沿用CCP協(xié)議，但內(nèi)容做了改動，這樣通過改動協(xié)議內(nèi)容能夠很好地適合特定環(huán)境的應用。同時在升級過程中加入升級請求標志位，能夠很好地改進程序下載過程中命令延時等待、應用程序下載失敗以后下次無法連接的問題。

1 在線編程系統(tǒng)設計

在線編程系統(tǒng)硬件主要包含三個部分：帶有下載上位機軟件的PC機、USB-CAN接口卡和安裝有Bootloader程序的ECU.上位機通過USB-CAN接口卡與ECU通信，并進行代碼的升級。軟件主要包含兩個部分：上位機的Bootloader下載程序和下位機的Bootloader程序。

1.1 通信協(xié)議與上位機程序設計

1.1.1 通信協(xié)議的制定

系統(tǒng)通信協(xié)議的以CCP協(xié)議原理為基礎，結(jié)合實際操作過程的需求來制定。CCP協(xié)議提供11個基本命令和17個可選命令，基本命令包括：CONNECT、GET_CCP_VERS lON、EXCHANGE_ID、SET_MTA、DNLOAD、UPLOAD、GET_DAQ_PTR、WRITE_DAQ、START_STOP、DISCONNECT。本協(xié)議采用其中CONNECT、DISCONNECT、CLEAR_MEMORY、PROGRAM、SETMTA.命令內(nèi)容根據(jù)實際需要自定義；消息應答信號有連接成功應答、編程準備就緒應答、頁編程完成應答、編程完成應答、編程失敗應答、SECTION擦除就緒應答、SEC-TION擦除完成應答等。本套自定義協(xié)議能夠很好地應用在實際下載過程中。

1.1.2 PC端下載程序的組成

PC端的Bootloader下載程序主要功能是實現(xiàn)對目標文件的解析和與下位機軟件通信。下載程序采用VisualC++6.0編寫，主要分成目標文件加載與解析以及Flash編程兩個模塊。

（1）目標文件的生成和解析

系統(tǒng)應用程序文件采用*.HEX格式文件，該文件是記錄文本行的ASCII文本文件，每一行是一條記錄，每條記錄是16進制數(shù)組成的機械碼或數(shù)據(jù)常量。記錄格式：：LL ADDR TT[DDD…]CC

其中，冒號是記錄開始；LL表示數(shù)據(jù)長度，即[DDD…]的字節(jié)數(shù)；ADDR表示地址信息；TT表示記錄的類型；[DDD…]表示數(shù)據(jù)內(nèi)容；CC表示校驗和。

利用Tasking開發(fā)環(huán)境，能夠生成包含應用程序的*.HEX文件，文件中的記錄類型只有數(shù)據(jù)記錄、線性擴展地址記錄和文件結(jié)束記錄。通過上位機載入目標文件，逐條檢索文件內(nèi)容將帶有地址信息的數(shù)據(jù)解析出來，并以CAN數(shù)據(jù)幀（8字節(jié)）的形式存放，每16幀數(shù)據(jù)組合成一個頁，同時記錄每個數(shù)據(jù)頁的首地址。

（2）Flash編程模塊

Flash編程模塊實現(xiàn)與下位機的通信，主要包含命令的解析、CAN總線驅(qū)動、數(shù)據(jù)發(fā)送和狀態(tài)顯示等部分。CAN總線驅(qū)動采用廣州周立功單片機發(fā)展有限公司的USB-CAN采集卡的驅(qū)動程序，加入提供的庫函數(shù)，來實現(xiàn)對于CAN總線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。上位機軟件提供相關命令的按鈕，下載過程中通過按動相應按鈕來實現(xiàn)命令的發(fā)送。下載過程中如果接收到連接成功、編程完成或者編程失敗等信號以后，顯示相應狀態(tài)。

1.1.3 PC端下載程序的運行流程

PC端程序運行以后，通過上位機界面上的“載入文件”按鈕，將要升級程序HEX文件載入，點“解析按鈕”,程序自動將HEX文件分成包含有效數(shù)據(jù)長度為128字節(jié)的頁，同時將頁首地址保存。根據(jù)已經(jīng)制定好的協(xié)議，上位機將這些命令封裝成CAN總線消息發(fā)送到下位機。編程過程中，上位機將所需要發(fā)送的程序頁總數(shù)發(fā)送給下位機，然后從第一頁開始發(fā)送，每一頁發(fā)送完成以后，等待下位機發(fā)送頁編程完成信號，完成以后繼續(xù)發(fā)送下一頁，直到所有程序頁都發(fā)送完成，這時如果無錯誤，接收下位機編程完成應答消息，顯示編程完成；否則顯示編程失敗。程序流程圖如圖l所示。

圈1 PC端下載程序流程圖

1.2 Bootloader設計

Flash編程的機制主要有兩種，分別是調(diào)用Flash擦寫函數(shù)法和Flash kernel.Flash kernel法需要在進行軟件升級時將Bootloader程序中Flash擦寫以及相關的初始化程序都下載到單片機RAM中，這對RAM資源的要求較高，對于單片機來說這是有困難的。采用Flash擦寫函數(shù)法，只需要在升級程序時調(diào)用Flash擦寫函數(shù)即可。對于某些單片機，在對Flash進行擦寫時，加在Flash區(qū)的電壓高于普通電壓，會引起Flash區(qū)的操作不穩(wěn)定，因此也需要將Flash擦寫函數(shù)放在RAM中運行，這樣采用Flash擦寫函數(shù)能夠有效的減少RAM區(qū)的占用。In-fineon XC2000單片機支持同時對不同頁的讀/寫操作，不會出現(xiàn)Flash擦寫操作不穩(wěn)定的問題，因此本設計采用Flash擦寫函數(shù)法。

1.2.1 Flash空間代碼分布

本設計中ECU采用XC2785A單片機，其片上集成32 KB的PSRAM和832 KB的Flash（0xC00000~oxCCFFFF）用于代碼存儲。Flash陣列由4個塊組成，分別是F0（256 KB,0xC00000~0xC3FFFF）、F1（256 KB,0xC40000~0xC7FFFF）、F2（256 KB,0xC80000~0xCBFFFF）、F3（64 KB,0xCC0000~0xCCFFFF）。每一個Flash塊由若干個大小為4 KB的扇區(qū)組成，而每一個扇區(qū)可分為32個頁（128字節(jié)），可封每個頁單獨進行擦除和編程操作。Flash區(qū)段的最開始存放程序的中斷向量表，0xC01000~OxCODFFF區(qū)段存放Bootloader代碼，0xC0E000~0xC0EFFF區(qū)段中的最開始那個頁存放升級標志，0xCOF000~0xCOFFFF區(qū)段為單片機保留區(qū)段，0xCl0000~0xCCFFFF段存放應用程序，代碼空間分布如圖2所示。

圖2 Flash空間代碼分布示惹圖

1.2.2 Bootloader程序流程

復位中斷向量的出口地址是0xC01000,因此單片機上電啟動或者軟件重啟以后，首先跳轉(zhuǎn)到STARTUP.C，通過判斷升級標志是否置位來進行跳轉(zhuǎn)。若置位表示有升級請求，則進行Bootloader的初始化，然后執(zhí)行主函數(shù)，升級完成以后擦除標志位；若無升級請求則跳轉(zhuǎn)到用戶程序區(qū)執(zhí)行用戶程序。用戶程序更新時，需要同時更新中斷向量，這樣保證用戶程序能夠正常使用中斷功能。

采用的方法是在用戶程序運行時，接受到連接命令，則單片機跳轉(zhuǎn)到Bootloader程序執(zhí)行升級流程，但是如果升級過程中出現(xiàn)錯誤，用戶程序升級未完成，則下一次上電系統(tǒng)將無法運行。參考文獻[4]中，采用上電進入Bootloader之前發(fā)送握手信號，等待上位機回復，這樣每次上電都要先進行Bootloader的初始化，并且等待這種方式不能很好地保證和上位機連接。本文采用增加升級狀態(tài)標志位的方法，用戶程序在運行時，如有升級請求則置狀態(tài)標志位，并軟件重啟。重啟以后，單片機先檢測狀態(tài)標志位，有升級請求則進入Bootloader進行軟件升級，若升級過程中出現(xiàn)錯誤導致升級未完成的話，升級狀態(tài)標志位將不會清除，單片機重啟以后仍然進去Bootloader，直接操作上位機上的編程按鈕即可進行程序升級操作。這種方法能夠有效解決升級過程中出現(xiàn)失敗以及握手等待的問題，下位機軟件流程如圖3所示。

圖3 下位機軟件流程圖

1.3 在線編程系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)連接完成以后，通過上位機載入需要更新的應用程序文件，點擊“CONNECT”按鈕，在線編程系統(tǒng)啟動，系統(tǒng)工作過程如圖4所示。上位機界面中顯示連接成功，則可進行下一步操作。點擊擦除按鈕，上位機發(fā)送擦除指令，下位機擦除相應Flash區(qū)域以后發(fā)送給上位機應答信號。上位機給下位機發(fā)送編程命令的同時，發(fā)送給下位機需要編程的頁總數(shù)。下位機在接收到頁編程地址以后，連續(xù)接收上位機發(fā)送過來的16幀數(shù)據(jù)（一頁128字節(jié)），然后擦除相應區(qū)域，并將這一頁數(shù)據(jù)寫入相應的頁，頁編程完成以后向上位機發(fā)送頁編程完成應答，接著接收上位機發(fā)送過來的下一頁數(shù)據(jù)，當所有頁編程完成以后向上位機發(fā)送編程完成應答信號。此時斷開連接，ECU將會軟件重啟。若編程過程中有任一頁編程失敗，上位機則顯示編程失敗，斷開連接以后ECU重啟，仍然進入Bootloader程序，然后直接點擊編程即可。

圖4 系統(tǒng)工作過程

2 在線編程功能驗證

在線升級系統(tǒng)采用PC機（安裝有上位機軟件），連接廣州周立功單片機發(fā)展有限公司的USB-CAN采集卡，ECU的CPU采用Infineon XC2785A單片機，系統(tǒng)連接完成以后進行升級測試。本文設計的在線編程方案測試結(jié)果如下：圖5為待更新程序的HEX文件（通過Tasking環(huán)境生成），其中有下劃線的位HEX文件記錄中的數(shù)據(jù)記錄，起始地址為0xCll000；圖6為程序下載到Flash以后的數(shù)據(jù)，通過Tasking軟件的Debug狀態(tài)，來查看Flash地址為0xCll000的數(shù)據(jù)。通過對比兩幅圖片，發(fā)現(xiàn)程序數(shù)據(jù)正確下載到了相應的Flash區(qū)域。在下載過程中，通過錯誤操作制造在線編程失敗現(xiàn)象，然后斷開連接，ECU重啟以后仍然進入Bootloader程序，直接在上位機界面上點擊“Program”，能夠完成在線升級。實驗結(jié)果表明，所設計的基于CAN總線的在線升級系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)代碼在線下載的功能，并且能夠有效改善升級過程中下載失敗的問題。

圖5 目標HEX文件2圖6 Flash中的數(shù)據(jù)

結(jié)語

本文提出的基于CAN總線的ECU在線升級系統(tǒng)設計方案，切實可行，并已在Infineon XC2785A單片機上完成實際測試。Infineon XC2000單片機具有相同的內(nèi)核，因此此方案將對這一系列單片機的Bootloader設計具有指導意義。同時采用升級標志位的方法，對于單片機IAP功能的實現(xiàn)提供一個有益的參考。