實現(xiàn)基于GPRS的無線遠(yuǎn)程IAP功能

引 言
    針對地下水資源已經(jīng)嚴(yán)重透支，水資源受到嚴(yán)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(jī)井的用水情況。農(nóng)用機(jī)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(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，是近兩年企業(yè)、研究所等科研機(jī)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(yuǎn)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(yuǎn)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(jī)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)。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(jìn)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(jī)，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(yuǎn)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(jìn)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(jìn)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(yuǎn)程升級指定目標(biāo)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(biāo)示與lAP功能相關(guān)部分)P89LPC936是PhiIips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(qiáng)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(qiáng)大串口通信功能，增強(qiáng)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(dá)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O～400 kHz可調(diào)。P89LP(2936的12SCLH和。12SCLL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，12SCLH=12SCLL=75，12C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(biāo)準(zhǔn)AT指令完全兼容；其設(shè)計開發(fā)符合ETSI GSM Phase 2+標(biāo)準(zhǔn)。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。

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(yuǎn)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(jī)設(shè)置、控制命令等正常用戶功能。
    ②IAP工作狀態(tài)，如圖2所示。上位機(jī)發(fā)送升級程序信令，數(shù)傳終端收到并回復(fù)確認(rèn)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FM24C2256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?jǐn)?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(qiáng)行下線，切換到待升級用戶程序運行。如果通信正常，就進(jìn)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(jìn)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(jìn)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：
    MOV A，#04H                    ；A為操作類型(A=04H，告訴IAP 
                                               ；執(zhí)行的是擦除操作)
    MOV R7，#01H                   ；R7刪除操作方式(00H表示刪除
                                               ；頁；01H表示刪除扇區(qū))
    MOV R4，#HIGH                 ；操作的Flash地址高8位
    M0v R5，#L0w                   ；操作的Flash地址低8位
    LCALL FF00H
    JC ERASE_FLASH                ；FO(C)：O表示擦除成功，1表示
                                         ；擦除失敗
3.2 IAP功能系統(tǒng)SFR配置
(1)用戶保密扇區(qū)設(shè)置
    MOV SEC6，#04H；禁止對Flash扇區(qū)6的擦除
    MOV SEC7，#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：
    MOV RO，#OFFH
    MOV @RO，#96H
    IAP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。
3.3 lAP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(rèn)后，準(zhǔn)備擦寫Flash的標(biāo)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(jī)確認(rèn)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(jī)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11 7 kbps，實際上遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒達(dá)到；GPRS與Internet連接建立后，進(jìn)入數(shù)據(jù)透明傳輸階段。本系統(tǒng)在完善的TCP/IP機(jī)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(biāo)數(shù)傳終端。本系統(tǒng)的信令格式采用如下代碼幀格式：

    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(biāo)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(biāo)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OOH?？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 lAP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(jī)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(jī)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。
    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(jī)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。

    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(jī)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(hù)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(qiáng)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。