孫曉楊伊僑朱浩

電動叉車遠(yuǎn)程升級系統(tǒng)的研究

孫曉1，楊伊僑1，2，朱浩2

（1.湖南工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2.湖南宏迅億安新能源科技有限公司，湖南 株洲 412007）

針對目前電動叉車系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級困難的問題，設(shè)計了一個基于飛思卡爾16位微控制器MC9S12XEP100的遠(yuǎn)程升級系統(tǒng)。該系統(tǒng)由傳統(tǒng)的BootLoader升級程序改進(jìn)而來，利用GPRS模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，解決了系統(tǒng)升級的距離問題。深入研究了數(shù)據(jù)傳輸可靠性的問題，設(shè)計出基于BCH編碼的數(shù)據(jù)可靠性傳輸機制與代碼分區(qū)機制，制定了數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，解決了系統(tǒng)升級的安全與可靠性問題。將遠(yuǎn)程升級系統(tǒng)實施至電動叉車上運行，實驗證明，該遠(yuǎn)程升級系統(tǒng)具有穩(wěn)定性、安全性、可靠性等優(yōu)點，能很好地完成遠(yuǎn)程升級任務(wù)。

電動叉車；遠(yuǎn)程升級；數(shù)據(jù)通訊；升級流程

近年來，新能源工程機械以其節(jié)能環(huán)保、智慧互聯(lián)等特性得到了迅速的發(fā)展，新型電動叉車的應(yīng)用也越來越廣[1]。如何實現(xiàn)數(shù)量龐大叉車的維護(hù)運營，滿足系統(tǒng)升級需求成為了一個難題。

一種比較傳統(tǒng)的方法是將CAN總線作為通信介質(zhì)，利用BootLoader下載應(yīng)用程序。但當(dāng)產(chǎn)品分布于全國各地時，如果繼續(xù)使用BootLoader，每次進(jìn)行應(yīng)用程序升級時都需廠家派遣技術(shù)人員去到現(xiàn)場，維護(hù)成本大大提高，因此使用基于GPRS傳輸?shù)倪h(yuǎn)程升級系統(tǒng)就變得十分有意義。

本文設(shè)計了一個基于GPRS傳輸?shù)倪h(yuǎn)程升級系統(tǒng)，實現(xiàn)了在不用去到現(xiàn)場的情況下完成軟件自更新和引導(dǎo)用戶程序運行的功能，有效解決了這個行業(yè)難題。

1 遠(yuǎn)程升級系統(tǒng)概述

BootLoader程序是固化在微控制器里，復(fù)位后最先運行的一段程序。它的主要功能是初始化嵌入式系統(tǒng)的軟、硬件，引導(dǎo)應(yīng)用程序的運行[2]。嵌入式設(shè)備復(fù)位后首先進(jìn)入BootLoader程序，通過判斷關(guān)鍵字標(biāo)志位，選擇進(jìn)行程序升級或跳轉(zhuǎn)進(jìn)入應(yīng)用程序，這個關(guān)鍵字標(biāo)志位存放在Flash中的一個特定位置。如果進(jìn)入程序升級模式，則通過CAN總線從主機端將應(yīng)用程序的S19文件下載到Flash中；否則就將儲存在Flash中的應(yīng)用程序加載到RAM里面運行。

遠(yuǎn)程升級系統(tǒng)由改進(jìn)后的BootLoader程序、上位機軟件和Web端組成，上位機程序運行在服務(wù)器上，主要負(fù)責(zé)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，并實時保存信息到數(shù)據(jù)庫。Web端實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)的顯示，嵌入式設(shè)備的BootLoader程序負(fù)責(zé)啟動升級程序，接收上位機發(fā)來的數(shù)據(jù)，并對程序區(qū)域進(jìn)行擦除與寫入操作。

針對現(xiàn)在國內(nèi)外遠(yuǎn)程升級系統(tǒng)升級故障率高、傳輸數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，本系統(tǒng)設(shè)計了一個數(shù)據(jù)可靠性傳輸機制。

2 遠(yuǎn)程升級系統(tǒng)方案

2.1 軟件整體設(shè)計

上位機包括數(shù)據(jù)庫模塊、TCP/Socket通信模塊。數(shù)據(jù)庫支持Access及SQlServer連接，通信模塊支持多線程監(jiān)聽，Web端支持HTML5的頁面顯示。

下位機設(shè)計可以分為硬件層和軟件層。硬件層主要完成一些接口函數(shù)的定義，設(shè)置硬件參數(shù)和讀取寄存器狀態(tài)。軟件層主要實現(xiàn)硬件層函數(shù)封裝與任務(wù)調(diào)度等一些系統(tǒng)功能。

2.2 代碼分區(qū)設(shè)計

為了保證升級程序能夠順利執(zhí)行，防止程序升級中途因數(shù)據(jù)鏈路中斷、線路板突然停止供電等意外情況導(dǎo)致原程序也無法使用，需要將單片機的Flash內(nèi)存區(qū)域進(jìn)行劃分，主要分為BootLoader區(qū)域、應(yīng)用程序1區(qū)域、應(yīng)用程序2區(qū)域和控制參數(shù)區(qū)域。應(yīng)用程序存儲區(qū)域分為2個區(qū)域，分別為1區(qū)和2區(qū)。引導(dǎo)程序儲存在Bootloader區(qū)域，其作用是選擇執(zhí)行1區(qū)或2區(qū)的應(yīng)用程序。為了避免核心數(shù)據(jù)的丟失，控制參數(shù)區(qū)域不會在升級過程中被擦除[3]，所以用來存儲例如跳轉(zhuǎn)標(biāo)志、應(yīng)用程序配置參數(shù)等內(nèi)容[4]。

代碼分區(qū)控制流程如下：①燒寫程序時，將應(yīng)用程序1區(qū)域代碼與BootLoader合并共同燒寫到單片機中。②程序需要升級時，1區(qū)域與2區(qū)域交替升級。在1區(qū)域代碼執(zhí)行期間，收到遠(yuǎn)程升級指令，在代碼2區(qū)域進(jìn)行升級。同樣在2區(qū)域代碼執(zhí)行期間，收到遠(yuǎn)程升級指令，在代碼1區(qū)域進(jìn)行升級。③當(dāng)上位機發(fā)送啟動命令后，復(fù)位系統(tǒng)。系統(tǒng)復(fù)位后，進(jìn)入引導(dǎo)程序，然后通過引導(dǎo)程序中的關(guān)鍵字判斷進(jìn)入1區(qū)應(yīng)用程序還是2區(qū)應(yīng)用程序。確認(rèn)進(jìn)入相應(yīng)的應(yīng)用程序區(qū)域后，再擦除另一個區(qū)域內(nèi)的代碼。

2.3 整體升級流程

每當(dāng)系統(tǒng)上電時，會通過標(biāo)志位選擇執(zhí)行BootLoader程序或應(yīng)用程序。如果不需要升級，則不進(jìn)入BootLoader程序，再檢查地址區(qū)間標(biāo)志位，如果是0x0A，則進(jìn)入應(yīng)用程序1區(qū)間；如果是0x0B，進(jìn)入應(yīng)用程序2區(qū)間。當(dāng)進(jìn)入應(yīng)用程序后，系統(tǒng)給遠(yuǎn)程升級分配一個任務(wù)，之后系統(tǒng)會周期性地去查詢該任務(wù)，當(dāng)檢查收到升級命令，確認(rèn)無誤后擦除指定FALSH區(qū)域并回應(yīng)上位機。之后等待接收代碼，當(dāng)在接收代碼過程中檢測到錯誤時，會回應(yīng)NG來請求重新開始升級，否則每接收一行代碼回應(yīng)OK，直至接收所有代碼。代碼接收完畢，不會立即啟動，會輪詢啟動命令，當(dāng)檢測到啟動命令，系統(tǒng)會立即復(fù)位，進(jìn)入新的應(yīng)用程序。升級流程如圖1所示。

圖1 升級流程圖

2.4 數(shù)據(jù)傳輸可靠性設(shè)計

加強數(shù)據(jù)傳輸機制的糾錯能力可有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院瓦h(yuǎn)程升級的效率。之前版本的遠(yuǎn)程升級系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過程中使用CRC校驗碼，在升級過程中下位機對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗，如果出錯則重傳，無法糾錯，導(dǎo)致升級過程偶發(fā)性中斷。因此本文進(jìn)行了算法改進(jìn)，采用了改良的BCH糾錯碼來代替CRC校驗碼，有效提高了傳輸效率。其設(shè)計內(nèi)容包括數(shù)據(jù)協(xié)議制訂、BCH編碼和無線傳輸后校驗等。

數(shù)據(jù)協(xié)議制訂。數(shù)據(jù)協(xié)議包括起始ID（用“*”作為幀頭起始符）、總包數(shù)、包序號、S19文件、結(jié)束ID（用“#”作為幀頭起始符）等。其中，除了S19文件是64位外，其他都是16位。

BCH編碼。BCH碼是一種有限域中的線性分組碼，糾錯能力強、易實現(xiàn)，通常用于通信和存儲領(lǐng)域中[5]。由于本系統(tǒng)所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度不大，所以設(shè)定二進(jìn)制BCH（15，7）編譯糾錯碼，碼長= 15，0~6位為有效數(shù)據(jù)位，7~14位為BCH校驗碼，糾錯能力= 2。BCH生成多項式為（）=LCM[1（），2（），…，（2t-1）（）]，其中，LCM為最小公倍式，為糾錯個數(shù)，i（）為最小多項式。 BCH編碼方法如下：①查不可約多項式表可得（）=1（）·3（）=8+7+6+4+1，系數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼為111010001，且由（）可得出生成矩陣；②將7~14位的BCH校驗碼位補8位0，與生成多項式的二進(jìn)制碼進(jìn)行邏輯與，得到的結(jié)果邏輯異或，即得到BCH（15，7）的校驗碼。

無線傳輸后校驗。本系統(tǒng)利用GPRS模塊進(jìn)行無線傳輸，下位機與上位機之間的傳輸模式為主從模式，下位機利用中斷來控制GPRS模塊的接收與發(fā)送。因一般叉車工作環(huán)境惡劣，所以通訊干擾大，采用接收端檢驗糾錯后，通訊效率有明顯提高。

3 功能測試

為了測試新版遠(yuǎn)程升級系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使用10臺下位機進(jìn)行新老版本的對比實驗：分別使新老程序輪流下載到下位機內(nèi)，記錄在升級過程中的升級成功臺數(shù)、代碼重傳次數(shù)、升級時間，對升級結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。

表 1 對比測試結(jié)果

升級種類成功數(shù)代碼重傳次數(shù) 升級時長/min 新版程序100.5 10.2 老版程序81.7 11.1

從成功數(shù)來看，新版遠(yuǎn)程升級系統(tǒng)在成功率上優(yōu)于老版遠(yuǎn)程升級系統(tǒng)，新版遠(yuǎn)程升級系統(tǒng)的代碼重傳次數(shù)也要低于老版，說明在可靠性上，新版程序要高于老版程序，新版升級時長會相較于老版會略短。原因是雖然新版遠(yuǎn)程升級系統(tǒng)在代碼重傳次數(shù)上要低于老版系統(tǒng)，但新版遠(yuǎn)程升級系統(tǒng)中加入了具有糾錯功能的BCH碼，相較于老版的CRC校驗碼，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性上提升不少，但BCH碼編碼與譯碼過程復(fù)雜，耗時會有所增加。綜合來說，新版程序的升級速度還是要略快于老版程序。

4 結(jié)論

本文實現(xiàn)了電動叉車的遠(yuǎn)程升級系統(tǒng)的開發(fā)，通過制訂自定義傳輸協(xié)議、設(shè)計數(shù)據(jù)可靠性傳輸機制與代碼分區(qū)機制，能夠有效、穩(wěn)定地實現(xiàn)S19文件的傳輸、Flash模塊的擦寫、遠(yuǎn)距離地進(jìn)行應(yīng)用程序的升級。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)有很高的穩(wěn)定性、安全性、可靠性，極大地提高了遠(yuǎn)程升級的成功率。此外，不同信號芯片只需要經(jīng)過微小更改就能直接使用本系統(tǒng)，可移植性強。

［1］孫慧，王春利，高耀南.鉛酸蓄電池電動叉車電池改造技術(shù)的研究［J］.科技通報，2017，33（12）：96-98.

［2］張艷，鮑可進(jìn).整車控制器BootLoader的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機工程，2011，37（12）：233-235.

［3］朱偉斌，張濤，顧海濤，等.基于CDMA網(wǎng)絡(luò)的嵌入式設(shè)備遠(yuǎn)程升級系統(tǒng)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2014（2）：135-138.

［4］MENG H，PAN L.Realization of remote update technology for embedded equipment based on μC/OS-II［J］.Journal of Measurement Science and Instrumentation，2014（3）：69-72.

［5］李璐，周海燕.一種含BCH編解碼器的SLC/MLC NAND FLASH控制器的VLSI設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（7）：167-170.

TP273

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.15.034

2095－6835（2019）15－0087－02

孫曉，男，教授。楊伊僑（1995—），男，湖南岳陽人，碩士研究生，主要從事電動汽車電池管理系的研究。

〔編輯：王霞〕