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[導(dǎo)讀]介紹IAP功能及其相關(guān)應(yīng)用,以及采用GPRS遠程實現(xiàn)IAP功能的現(xiàn)實意義;結(jié)合某地區(qū)地下水遠程監(jiān)控系統(tǒng),著重闡述采用GPRS網(wǎng)絡(luò)遠程執(zhí)行IAP升級系統(tǒng)的思想和實現(xiàn)方法

摘要:介紹IAP功能及其相關(guān)應(yīng)用,以及采用GPRS遠程實現(xiàn)IAP功能的現(xiàn)實意義;結(jié)合某地區(qū)地下水遠程監(jiān)控系統(tǒng),著重闡述采用GPRS網(wǎng)絡(luò)遠程執(zhí)行IAP升級系統(tǒng)的思想和實現(xiàn)方法,以及應(yīng)用中應(yīng)注意的一些關(guān)鍵技術(shù);論述采用GPRS通信簡單實用的應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計的方法,重點強調(diào)通信中校驗碼和重傳機制;討論影響本系統(tǒng)遠程IAP升級可靠性的一些因素和所采取的針對性解決辦法。

關(guān)鍵詞:GPRS IAP 遠程升級 在線編程 遠程監(jiān)控

引 言


  針對地下水資源已經(jīng)嚴重透支,水資源受到嚴重破壞的問題設(shè)計本系統(tǒng),目的就是為了監(jiān)控農(nóng)用機井的用水情況。農(nóng)用機井分布站點廣,站點之間距離幾十m到一兩百km,采用人工抄表監(jiān)控會浪費大量的人力和物力,而且實時性差。以前采用GSM方式也存在實時性差、控制困難的問題。

  目前,對此類問題可靠的、現(xiàn)實的解決方案就是,將現(xiàn)場設(shè)備接入Internet上的服務(wù)器,在上層實現(xiàn)實時監(jiān)控、管理;但是現(xiàn)場沒有專門Internet接入點和設(shè)備。采用GPRS接入Internet進行遠程數(shù)據(jù)傳輸,是近兩年企業(yè)、研究所等科研機構(gòu)的熱門課題。隨著GPRS技術(shù)的日益成熟,GPRS已經(jīng)成功地應(yīng)用在遠程抄表、夜燈照明、油田監(jiān)測、自動測量、智能儀表等不方便甚至根本不可能人工操作的遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中。因此,本系統(tǒng)選用GPRS和GSM混合工作模式:在網(wǎng)絡(luò)狀況通暢的情況使用GPRS工作模式;反之可以切換到GSM工作模式。每個站點數(shù)據(jù)傳輸終端定時登陸到GPRS,接入Internet上的主機服務(wù)器,把采集數(shù)據(jù)和站點狀態(tài)下載到服務(wù)器硬盤上;上層采用B/S瀏覽器方式供地級、區(qū)級、市級等不同級別設(shè)置權(quán)限瀏覽;同時可以隨時監(jiān)控站點的實時狀態(tài),報告實時現(xiàn)場狀況,調(diào)用系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)信息。

  市場的機遇和應(yīng)用技術(shù)的成熟常常是一對矛盾,尤其對于GPRS這類新技術(shù),通常不得不一邊開拓市場一邊完善技術(shù)。然而實踐是檢驗真理的唯一標準。系統(tǒng)交接使用之后,用戶反饋一些改善功能的意見,另外,長時間使用之后,終端程序隱藏的“bug”也可能會隨之浮出水面。這就需要對數(shù)據(jù)傳輸終端的程序進行升級,但是設(shè)想一下,假如投入使用了200個站點,就算用ISP現(xiàn)場在線編程,工作人員得到每個站點把程序更新一遍。不但浪費大量的人力、物力,而且直接貽誤了開辟市場的時機,對企業(yè)造成的后果可能是致命的。

  本設(shè)計方案就是應(yīng)用在此類GPRS遠程監(jiān)控系統(tǒng)上,融合GPRS網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)解決數(shù)據(jù)傳輸終端程序升級問題的。

1 IAP功能簡介與系統(tǒng)應(yīng)用

  IAP(In?Application Programming)是應(yīng)用在Flash程序存儲器的一種編程模式。簡單地說就是在應(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(In?System?Programming)操作非常相似,都不需要從電路板上取下芯片用編程器燒寫再安裝上去運行新程序,即具有在線編程功能。但是它們有其不同點:ISP通常是整片擦除、編程,在手工操作下通過PC串口下載程序到Flash,需要簡單的硬件資源——串口RX、TX和RS232驅(qū)動芯片;而IAP卻是在某段程序的控制下對另外一段程序Flash進行讀寫操作,可以控制對某段、某頁甚至某個字節(jié)的讀寫操作。
根據(jù)IAP的功能特點,可以制作仿真軟件替代仿真器功能。在PC上做個簡單的界面應(yīng)用程序就可以直接實現(xiàn)用戶程序在線仿真:設(shè)置斷點、單步運行、改變運行結(jié)果調(diào)試等功能。同理,根據(jù)ISP的功能特點可以替代編程器。本系統(tǒng)就是把IAP模式融入到GPRS通信系統(tǒng)中,用GPRS遠程升級指定目標芯片的軟件。

2 IAP功能系統(tǒng)架構(gòu)

  IAP功能系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。
 
           圖1系統(tǒng)架構(gòu) (只標示與IAP功能相關(guān)部分)

  P89LPC936是Philips公司推出的一款高穩(wěn)定性、多功能的51內(nèi)核MCU;集成了I2C總線,讀寫操作I2C器件FM24C256速度快、穩(wěn)定性高;增強型UART,具有幀錯誤檢測、幀間隔檢測、可選雙緩沖、接收和發(fā)送中斷可選分開等強大串口通信功能,增強了和GPRS模塊串口通信的可靠性;內(nèi)置AD/DA轉(zhuǎn)換器;16 KB Flash存取器,支持ISP和IAP;采用TSSOP28或HWQFN28低成本封裝。設(shè)計系統(tǒng)的外圍電路可以減少到最少,不但提高了系統(tǒng)的性能,甚至可以IAP升級終端部分功能而不用改變外圍硬件電路。

  FM24C256,256 Kb的FRAM (鐵電存儲器),兼有ROM的掉電數(shù)據(jù)保存特性和RAM的讀寫速度和次數(shù),讀寫次數(shù)達到1000億次,采用I2C總線讀寫操作,使用穩(wěn)定可靠;用8腳SOIC封裝,與MCU的接口電路簡單、通信可靠。通信速率0~400 kHz可調(diào)。P89LPC936的I2SCLH和I2SCLL 兩個SFR的值就是確定串行時鐘發(fā)生器占空比。本系統(tǒng)選擇7.372 8 MHz晶振,I2SCLH=I2SCLL=75,I2C速率為25 Kbps。

  GPRS模塊使用WAVECOM公司生產(chǎn)的Q2406B,雙頻GPRS/GSM模塊(EGSM900/1 800 MHz或EGSM900/1 900 MHz),內(nèi)置TCP/IP,與標準AT指令完全兼容;其設(shè)計開發(fā)符合ETSI GSM Phase 2+標準。本系統(tǒng)模塊使用9.6 kbps波特率,而模塊出廠波特率為115 200 bps,用串口終端初始化模塊時,特別要注意這一點。

                 圖2IAP功能實現(xiàn)工作狀態(tài)
3 IAP功能的軟件編程

3.1系統(tǒng)工作狀態(tài)分析

① 用戶程序工作狀態(tài),在遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中,用戶程序完成數(shù)據(jù)采集、存儲、發(fā)送,系統(tǒng)監(jiān)控、報警,接收執(zhí)行上位機設(shè)置、控制命令等正常用戶功能。

② IAP工作狀態(tài),如圖2所示。上位機發(fā)送升級程序信令,數(shù)傳終端收到并回復(fù)確認信息后,開始等待下載信令;收到正確下載信令后開始下載代碼到FM24C256暫存。按幀順序號發(fā)送、接收數(shù)據(jù),校驗幀的正確性,采用握手數(shù)據(jù)流保證每幀完全正確接收、存儲。代碼發(fā)送完畢后,發(fā)送下載完畢信令,包括代碼總長度和塊校驗碼;每階段都采取延時處理:延時時間到繼續(xù)重發(fā)過程三次,還沒收到就報告出錯信息,強行下線,切換到待升級用戶程序運行。如果通信正常,就進入最關(guān)鍵一步——Flash擦除和編程。

  Philips在P89LPC936地址FF00H~FFFFH的空間里固化一個256字節(jié)的引導(dǎo)ROM,所有MCU對內(nèi)部Flash的操作都可以調(diào)用這個子程序完成。使用IAP功能時就是提供這個子程序的入口參數(shù)(參考Philips的數(shù)據(jù)手冊),然后調(diào)用程序的入口地址FF00H,就可以實現(xiàn)讀、寫、擦除Flash。擦除、編程Flash時需要關(guān)閉所有中斷,不能對同一塊Flash同時進行擦除和編程,而且編程之前要先把扇區(qū)清除。對Flash的扇區(qū)進行擦除操作的程序清單(入口參數(shù)A、R7、R4和R5,返回參數(shù)(F0(C)、R7)如下:ERASE_FLASH:
MOVA,#04H  ; A為操作類型(A=04H,告訴IAP
       ; 執(zhí)行的是擦除操作)
MOVR7,#01H  ; R7刪除操作方式(00H表示刪除
       ; 頁;01H表示刪除扇區(qū))
MOVR4,#HIGH??; 操作的Flash地址高8位
MOVR5,#LOW  ; 操作的Flash地址低8位
LCALLFF00H
JCERASE_FLASH; F0(C): 0表示擦除成功,1表示
       ; 擦除失敗

3.2IAP功能系統(tǒng)SFR配置

(1) 用戶保密扇區(qū)設(shè)置MOVSEC6,#04H;禁止對Flash扇區(qū)6的擦除
MOVSEC7,#04H;禁止對Flash扇區(qū)7的擦除
扇區(qū)6和扇區(qū)7代碼是控制擦除、編程Flash。為保證不被誤操作,只允許在出廠時用專門的編程器擦寫。

(2) IAP特許關(guān)鍵值設(shè)置
執(zhí)行擦除或?qū)慒lash的IAP功能,需要在調(diào)用IAP功能程序前,把96H寫入RAM單元FFH來設(shè)置特許關(guān)鍵值。程序代碼如下:MOVR0,#0FFH
MOV@R0,#96HIAP程序處理完功能調(diào)用后,特許關(guān)鍵值被清除。因此在每次調(diào)用IAP功能程序前必須設(shè)置特許關(guān)鍵值。

3.3IAP功能實現(xiàn)流程

  IAP功能實現(xiàn)流程如圖3、圖4所示。flagIAP為下載程序完畢,并且校驗碼確認后,準備擦寫Flash的標志。在FM24C256開辟單元存儲功能很重要:在程序擦寫發(fā)生異常,如掉電復(fù)位,可以在程序啟動后,與上位機確認擦寫后,繼續(xù)完成升級任務(wù)。每次編程的字節(jié)數(shù)和上位機傳輸?shù)?幀數(shù)據(jù)中,代碼字節(jié)數(shù)保持一致,幀序號數(shù)表示程序分成多少幀傳輸和多少次編程操作。

3.4協(xié)議設(shè)計

  GPRS網(wǎng)絡(luò)速度理論上有117 kbps,實際上遠遠沒達到;GPRS與Internet連接建立后,進入數(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,可將要升級的程序代碼通過寫碼軟件轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)信令,接入Internet到GPRS網(wǎng)絡(luò),透明傳輸下載到目標數(shù)傳終端。本系統(tǒng)的信令格式采用如下代碼幀格式:
    
      
                 圖3主程序

  開始信令幀和結(jié)束信令幀代碼數(shù)據(jù)段都是FFH。同步碼設(shè)置為AAH,55H;字節(jié)長度(1B)表示此數(shù)據(jù)幀包含代碼數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù),通常小于64;下載目標地址(5B)設(shè)定為出廠ID號,賦予一個特定代碼含義,只有校驗ID號正確后數(shù)據(jù)傳輸終端才可能接收命令,而且是唯一標識,不可改變;從安全性出發(fā),本系統(tǒng)中設(shè)置為出廠日期和編號的組合:0501160000表示2005年1月16號出廠的第一個產(chǎn)品。幀序號(1B)表明此次升級程序分成的傳送幀數(shù),在命令傳送過程中,此域為00H??刂谱侄?1B)表示傳送的是操作命令還是數(shù)據(jù)。結(jié)束碼設(shè)置55H,AAH。數(shù)據(jù)傳輸終端上行和下行數(shù)據(jù)格式完全相同,上行響應(yīng)數(shù)據(jù)除代碼數(shù)據(jù)段不同之外,其他字段都是下行控制數(shù)據(jù)的復(fù)制,實現(xiàn)數(shù)據(jù)流控制

4 IAP功能可靠性探討

  系統(tǒng)升級過程不免受到環(huán)境的干擾,如系統(tǒng)斷電或網(wǎng)絡(luò)通信阻塞、故障等意外事故,而導(dǎo)致IAP升級失敗。因此必須有一套可靠的軟、硬件機制來保障IAP的完全正常工作。以下介紹本系統(tǒng)所采取的一些措施:

① 掉電情況處理?,F(xiàn)場環(huán)境的電網(wǎng)波動相當(dāng)大,而且經(jīng)常性停電,甚至影響到系統(tǒng)的正常工作??刹捎眯铍姵毓╇?,提供穩(wěn)定的、可靠的工作電源;外加一充電板電路,能在有電的時候直接給電路充電。此外,軟件上還做了完善的握手機制,信令設(shè)置回執(zhí),確保通信正確不會發(fā)生誤操作;下載和擦寫Flash部分時序上隔離,網(wǎng)絡(luò)通信性能和掉電異常對系統(tǒng)正常工作的影響減到最小。
              
                   圖4中斷程序
② 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)校驗碼正確后存入FM24C256,錯誤或超時就發(fā)幀序號請求重發(fā),直到檢測到結(jié)束幀。 3823 最后一幀數(shù)據(jù)長度不夠就用FFH填滿一幀發(fā)送。

③ 數(shù)據(jù)傳輸過程大延遲或阻塞情況處理。數(shù)據(jù)傳輸采用超時處理,三次握手失敗,作異常處理機制。
該技術(shù)方案從根本上解決了本系統(tǒng)現(xiàn)場升級困難的問題,大大提高了系統(tǒng)的可維護性,加速了新產(chǎn)品上市時間,可以提供更快、更完美的用戶服務(wù),增強產(chǎn)品的市場競爭力。以GPRS網(wǎng)絡(luò)為載體,在廣大接入Internet困難的監(jiān)控現(xiàn)場或農(nóng)村地區(qū),該技術(shù)提出了一個解決方案。

                  參考文獻
1 Philips P89LPC936 Data Sheets
2 Forouzan Behrouz A, Sophia Chung Fegan. TCP/IP協(xié)議族.第2版.謝希仁譯.北京:清華大學(xué)出版社,2003

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