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实用的CAN总线分布式嵌入式系统升级设计方案

电子设计 2018-01-13 07:30 次阅读

嵌入式系统具有智能化程度高、体积小、可靠性高、实时性强等诸多优点,已经越来越多地应用于消费电子、工业控制、汽车电子等各个行业。往往一个大的系统又由许多小的嵌入式系统共同构成,它们之间通过相互通信协同完成各种检测控制任务,构成分布式嵌入式系统。汽车电子系统中的车载GPS、倒车雷达、发动机控制、仪表盘系统等,数控机床中的键盘显示系统、马达控制系统等,这些无一不是嵌入式系统的具体应用。

众多嵌入式系统的应用也为软件升级带来了诸多困难,主要有以下几点:

①这些系统分处于大系统的各个位置,单独对每个系统进行升级比较困难;

②某些系统为了满足保密和可靠性的要求,对系统进行了永久密封,只预留了通信和电源端口,这就更不可能单独对它进行升级。

针对这些问题,本文提出一种利用CAN总线的分布式嵌入式系统升级方案,实现了多点、单点甚至全系统的升级,其他种类的通信端口与此类似。

1 系统架构

系统结构框图如图1所示。

整个系统由多个独立的完成一定功能的嵌入式模块、CAN总线和一个用于对整个系统进行升级的控制模块组成。其中,控制模块也可以是其中一个功能模块。在每个功能模块上安装有独立的引导程序,可以看作该模块的Bootloader,该引导程序永久固化在模块内,不随程序升级而升级。在该引导程序中嵌入CAN总线通信程序。正常工作情况下每个功能模块单独或通过CAN总线与其他模块协同工作。当需要对某个模块进行软件升级时,通过系统升级控制模块向该模块发送升级命令,该模块接收到命令后即跳转至引导程序,并等待系统升级模块发送升级数据,升级结束后再跳回至应用程序。

2 系统实现

2.1 在线升级的实现原理

采用ST公司基于ARM Cortex-M3核心的32位嵌入式处理器STM32F103VC,其片上Flash为主存储区。应用程序代码是存储在闪存(Flash)中的(0x0800C3000~0x0807FFFF),而Flash是按Page来管理的,所以可以把Flash分成几个区域来使用。在本系统中将Flash分成两个区域,其中一个为前面提到的引导程序区,另外一个为应用程序区。Flash分区如图2所示。

图2 Flash分区

芯片上电后,STM32F103VC会自动跳转到0x08000000地址执行后面的程序。而一个工程的起始位置(也就是main函数的地址)具体映射到Flash的地址是可以设置的。在本系统的设计中,在Flash放了两个main函数。引导程序用于对应用程序的升级和上电后跳转至应用程序,应用程序则完成相应的模块功能。这两个区域通过特定的指令可以实现相互的跳转,并以此实现在线升级。

 2.2 硬件系统

STM32F103VC处理器具有高性能、低成本、低功耗等特点。该处理器片上外设丰富,具有多个系统定时器、CAN通信接口、USART通信接口、DMA等丰富的资源,并且借助于ST公司提供的固件库,可以很容易地对系统资源进行操作。该处理器集成了256 KB片上Flash和64KB片上SRAM,足以应对大多数任务。为实现CAN总线通信,只需要为STM32F103VC添加一片CAN驱动芯片进行电平转换。

系统硬件结构框图如图3所示。

2.3 软件系统

为实现在线升级功能,首先需要编写引导程序,然后将它烧入Flash引导区中。为防止应用程序升级失败,在引导程序中需判断Flash指定位置是否有程序完好标志,该标志由完整的应用程序在每次上电后写入。应用程序可采用烧写方式和升级方式写入相应程序区。为实现引导程序和应用程序之间的相互跳转,采取指向函数指针的方式来实现。可以将Flash中的引导程序和应用程序作为两个普通函数,这两个函数的进入位置分别为0x08000000和0x08004000,然后在引导程序中设置一个指向函数的指针,其指针值为0x08004000;同理,在应用程序中设置一个函数指针,其值为0x08000000.这样在相应的程序中调用函数指针时就可以实现程序跳转。

CAN总线采用多主竞争工作方式和非破坏性总线仲裁技术,总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息而不分主次,各节点之间实现自由通信。当多个节点同时向总线发信息时,优先级较低的节点会主动退出发送,而优先级较高的节点不受影响,从而大大节省了总线冲突仲裁时间,即使在网络负载很重的情况下,也不会出现网络瘫痪的情况。因此,适用于分布式监控系统的数据通信。由于CAN总线协议规范只定义了物理层和数据链路层,所以在实际应用中必须根据实际系统制定合适的应用层协议。本系统中根据数据传输要求自定义了几个应用层命令,分别是升级相关命令和数据收发校验相关命令,限于篇幅在此就不一一详述。

3 软件升级过程

软件升级包括升级控制模块部分和待升级模块部分。

升级控制模块部分的工作过程为:向待升级模块发送升级命令,待接收到模块返回的确认标志后,再通过CAN应用层协议向待升级模块发送升级数据,升级完成后向待升级模块发送完成命令。

待升级模块工作流程如图4所示。分为引导程序部分和应用程序部分,这两部分内容在开发的时候是作为两个独立的工程项目来完成的。

为确保在线升级的安全性,在Flash指定位置设置了一个程序完好标志。由于Flash的擦写是按照Page进行的,所以这个标志即使只有一位也需占用一个Page的大小。本系统中将标志设置在Flash最后一个Page.如果应用程序区没有空余的Page来写入该标志,就要考虑换用更大Flash容量的产品或者外扩存储器。程序完好标志在应用程序进入的时候写入,在接收到升级命令时擦除。若在引导程序中检测该标志不合法,就一直处于升级状态,直到最后收到升级成功命令为止。

程序跳转示例性跳转代码如下:

typedef void(*pFunc)(vold); //自定义函数指针数据类型

pFunc Jump_To_App; //定义一个指向应用程序的指针

Jump_To_App=(pFunc)0x08004000;

Jump_To_App();

需要注意的是,在程序执行跳转代码前,需要关闭中断响应,以避免发生不可预测的异常。同时,当程序跳转前,需要将堆栈指针设置到相应的程序区域。

结语

通过CAN总线对分布式嵌入式系统进行在线升级非常具有代表性,随着越来越多的芯片集成了丰富多样的片上通信外设(如以太端口、I2C总线等),使得嵌入式系统的升级也具有更多样式,甚至可以通过公用网络(如因特网、GPRS等)进行远程升级。

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现在正在使用的f103不能支持usb和can同时使用,只能分时复用,现在因项目需要usb和can同时使用(用can采集数据,然后用usb实时上...
发表于 01-03 09:46 244次 阅读
请问stm32哪块芯片可以支持usb和can同时使用?

SKM82B GPS引擎模块数据手册免费下载

SKM82B是一个完整的GPS引擎模块,具有超灵敏度、超低功率和小外形系数。将GPS信号应用于模块的....
发表于 01-03 08:00 37次 阅读
SKM82B GPS引擎模块数据手册免费下载

SKM80D GNSS一体式解决方案模块的数据手册免费下载

SKM80D是一款高性能GNSS一体式解决方案模块,具有超灵敏度、超低功耗和小体积因数。射频信号应用....
发表于 01-03 08:00 26次 阅读
SKM80D GNSS一体式解决方案模块的数据手册免费下载

嵌入式系统是嵌入式软件和集成电路发展的根本

嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定....
发表于 01-02 15:06 496次 阅读
嵌入式系统是嵌入式软件和集成电路发展的根本

通过无人机取证来获得操控者身份

无人机可以被很好地利用,但这取决于谁在驾驶它们。最近发生在伦敦盖特威克机场(Gatwick Airp....
的头像 无人机网 发表于 01-02 13:43 545次 阅读
通过无人机取证来获得操控者身份

基于ARM处理器的汽车尾气遥测仪

一种以ARM处理器为核心的汽车尾气遥测仪的设计。对该遥测仪的工作原理、系统设计与嵌入式软硬件实现作了....
发表于 01-01 13:08 141次 阅读
基于ARM处理器的汽车尾气遥测仪

美军装备首台抗干扰GPS接收机,关键在波束可控天线

数字式GPS抗干扰接收机(DIGAR),其关键技术是业界领先的GPS抗干扰/防欺骗天线电子产品。其1....
的头像 射频百花潭 发表于 12-31 15:16 585次 阅读
美军装备首台抗干扰GPS接收机,关键在波束可控天线

嵌入式系统测试的三道复习题资料概述

一请论述复杂的嵌入式软件系统架构模型的组成,以及这种模型的优点。 二请论述常见的特殊目的寄存器的作....
的头像 嵌入式ARM 发表于 12-31 11:47 454次 阅读
嵌入式系统测试的三道复习题资料概述

关于嵌入式系统可视化集成开发平台的详细剖析

嵌入系统开发已经趋于规范化,但是嵌入式系统的开发并不像在普通PC机上进行软件开发那样容易,它同样需要....
发表于 12-29 15:22 404次 阅读
关于嵌入式系统可视化集成开发平台的详细剖析

STM32单片机bxCAN的工作模式解析

在硬件复位后,bxCAN工作在睡眠模式以节省电能,同时CANTX引脚的内部上拉电阻被激活。软件通过对....
发表于 12-29 14:47 399次 阅读
STM32单片机bxCAN的工作模式解析

北斗迎来全球化 与美国GPS有何区别

在12月27日下午举行的国新办新闻发布会上,中国卫星导航系统管理办公室主任、北斗卫星导航系统新闻发言....
的头像 每日经济新闻 发表于 12-29 14:45 685次 阅读
北斗迎来全球化 与美国GPS有何区别

使用Linux进行GPS的卫星信号欺骗源码详细资料免费下载

本文档的主要内容详细介绍的是使用Linux进行GPS的卫星信号欺骗源码详细资料免费下载。
发表于 12-28 08:00 209次 阅读
使用Linux进行GPS的卫星信号欺骗源码详细资料免费下载

由于经济下滑损及开发预算减少 嵌入式系统设计者正转向FPGA技术

由于经济下滑损及开发预算减少,嵌入系统设计者正在转向FPGA(现场可编程门阵列)技术,以缩减开发周期....
发表于 12-27 14:54 830次 阅读
由于经济下滑损及开发预算减少 嵌入式系统设计者正转向FPGA技术

在嵌入式系统上的MiniGUI应用开发过程详解

为目标嵌入式产品选择适合的嵌入式图形支持系统成为与选择嵌入式操作系统一样颇具挑战性。本土公司开发的M....
发表于 12-26 15:59 611次 阅读
在嵌入式系统上的MiniGUI应用开发过程详解

基于智能手机无线信号和图像距离感知融合的室内定位算法

针对于目前面向个人使用的手机室内定位精度低、效果差,且成本较高难以拓展的问题,提出了一种利用普通智能....
发表于 12-26 14:16 178次 阅读
基于智能手机无线信号和图像距离感知融合的室内定位算法

如何把电脑和USBCAN集成到一起做成一个屏幕的大小

USBCAN分析仪普遍具有CAN总线调试、分析、诊断功能,因此其是一个最常用而且实用的CAN总线工具....
的头像 广成CAN总线 发表于 12-26 11:44 675次 阅读
如何把电脑和USBCAN集成到一起做成一个屏幕的大小

SN65LBC031 高速控制器局域网 (CAN) 收发器

SN75LBC031是一个CAN收发器,用作CAN控制器和物理总线之间的接口,用于高达500 kBaud的高速应用。该器件为差分总线提供传输能力,并为控制器提供差分接收功能。发送器输出(CANH和CANL)具有内部转换调节功能,可提供受控对称性,从而实现低EMI辐射。两个变送器输出都可以完全防止电池短路和总线上可能发生的瞬态电压。在器件功耗过大的情况下,热关断电路会在大约160°C的结温下禁用输出驱动器。在发送器输入端包含内部上拉电阻可确保在上电和协议控制器复位期间定义输出。对于500 kBaud的正常操作,ASC端子打开或连接到GND。对于125 kBaud的低速运行,可以通过将ASC端子连接到V CC 来增加总线输出转换时间以降低EMI。接收器包括一个集成滤波器,可将信号抑制成小于30 ns的脉冲。 SN75LBC031的工作温度范围为-40°C至85°C。 SN65LBC031的工作温度范围为-40°C至125°C。 SN65LBC031Q的特点是可在-40°C至125°C的汽车温度范围内工作。 特性 SN75LBC031符合标准ISO /DIS 11898(最高500 k波特) 50 mA时的驱动器输出能力 宽输入/输出总输入/输出总线电压范围 总线输出短路保...
发表于 10-16 10:08 57次 阅读
SN65LBC031 高速控制器局域网 (CAN) 收发器

SN65HVD233 具有待机模式和环回功能的 3.3V CAN 收发器

SN65HVD233,SN65HVD234和SN65HVD235用于采用符合ISO 11898标准的控制器局域网(CAN)串行通信物理层的应用中。作为CAN收发器,每个都在差分CAN总线和CAN控制器之间提供发送和接收功能,信号速率高达1 Mbps。 设计用于特别恶劣的环境,设备具有交叉线保护,高达±36 V的过压保护,接地保护丢失,过热(热关断)保护以及±100 V的共模瞬变保护。这些器件可在7 V至12 V的宽共模范围内工作。这些收发器是微处理器上的主机CAN控制器与工业,楼宇自动化,运输和汽车应用中使用的差分CAN总线之间的接口。 模式: R < SN65HVD233,SN65HVD234和SN65HVD235的sub> S 引脚(引脚8)提供三种工作模式:高速,斜率控制和低功耗待机模式。通过将引脚8直接连接到地来选择高速工作模式,允许驱动器输出晶体管尽可能快地接通和断开,而不限制上升和下降斜率。可以通过在R S 引脚和地之间连接一个电阻来调整上升和下降斜率。斜率将与引脚的输出电流成比例。电阻值为10kΩ时,器件驱动器的压摆率约为15 V /μs,值为100kΩ时,器件的压摆率约为2.0 V /μs。有关斜率控制的更多信息,请参阅功能描述。 SN65HVD23...
发表于 10-16 10:08 56次 阅读
SN65HVD233 具有待机模式和环回功能的 3.3V CAN 收发器

TLIN2024-Q1 四路 LIN 收发器

TLIN2024-Q1器件是一款四路局域互连网络(LIN)物理层收发器,集成了唤醒和保护特性,符合LIN 2.0 ,LIN 2.1,LIN 2.2,LIN 2.2A和ISO /DIS 17987-4.2标准.LIN是一根单线制双向总线,通常用于低速车载网络,数据传输速率高达20kbps.LIN接收器支持数据传输速率高达100kbps的内联编程应用.TLIN2024-Q1具有两个独立的双路LIN收发器模块.V SUP1 /2 可控制独立的双路收发器模块.TLIN2024-Q1使用一个可降低电磁辐射(EME)的限流波形整形驱动器将TXD输入上的LIN协议数据流转化为LIN总线信号。接收器将数据流转化为逻辑电平信号,此信号通过开漏RXD引脚发送到微处理器。休眠模式可实现超低电流消耗,该模式允许通过LIN总线或EN引脚实现唤醒。集成电阻器,静电放电(ESD)保护和故障保护功能有助于设计人员节约应用的布板空间 特性 符合汽车类标准 具有符合AEC Q100标准的下列结果: 器件环境温度:-40°C至125°C 器件HBM ESD分类等级:±6kV 器件CDM ESD分类等级:±1.5kV 符合LIN 2.0,LIN 2.1,LIN 2.2,LIN 2.2A和ISO /DIS 17987-4.2标...
发表于 10-16 10:08 43次 阅读
TLIN2024-Q1 四路 LIN 收发器

SN75LBC031 收发器

SN75LBC031是一个CAN收发器,用作CAN控制器和物理总线之间的接口,用于高达500 kBaud的高速应用。该器件为差分总线提供传输能力,并为控制器提供差分接收功能。发送器输出(CANH和CANL)具有内部转换调节功能,可提供受控对称性,从而实现低EMI辐射。两个变送器输出都可以完全防止电池短路和总线上可能发生的瞬态电压。在器件功耗过大的情况下,热关断电路会在大约160°C的结温下禁用输出驱动器。在发送器输入端包含内部上拉电阻可确保在上电和协议控制器复位期间定义输出。对于500 kBaud的正常操作,ASC端子打开或连接到GND。对于125 kBaud的低速运行,可以通过将ASC端子连接到V CC 来增加总线输出转换时间以降低EMI。接收器包括一个集成滤波器,可将信号抑制成小于30 ns的脉冲。 SN75LBC031的工作温度范围为-40°C至85°C。 SN65LBC031的工作温度范围为-40°C至125°C。 SN65LBC031Q的特点是可在-40°C至125°C的汽车温度范围内工作。 特性 SN75LBC031符合标准ISO /DIS 11898(最高500 k波特) 50 mA时的驱动器输出能力 宽输入/输出总输入/输出总线电压范围 总线输出短路保...
发表于 10-16 10:08 37次 阅读
SN75LBC031 收发器

SN65LBC031Q 高速控制器局域网 (CAN) 收发器

SN75LBC031是一个CAN收发器,用作CAN控制器和物理总线之间的接口,用于高达500 kBaud的高速应用。该器件为差分总线提供传输能力,并为控制器提供差分接收功能。发送器输出(CANH和CANL)具有内部转换调节功能,可提供受控对称性,从而实现低EMI辐射。两个变送器输出都可以完全防止电池短路和总线上可能发生的瞬态电压。在器件功耗过大的情况下,热关断电路会在大约160°C的结温下禁用输出驱动器。在发送器输入端包含内部上拉电阻可确保在上电和协议控制器复位期间定义输出。对于500 kBaud的正常操作,ASC端子打开或连接到GND。对于125 kBaud的低速运行,可以通过将ASC端子连接到V CC 来增加总线输出转换时间以降低EMI。接收器包括一个集成滤波器,可将信号抑制成小于30 ns的脉冲。 SN75LBC031的工作温度范围为-40°C至85°C。 SN65LBC031的工作温度范围为-40°C至125°C。 SN65LBC031Q的特点是可在-40°C至125°C的汽车温度范围内工作。 特性 SN75LBC031符合标准ISO /DIS 11898(最高500 k波特) 50 mA时的驱动器输出能力 宽输入/输出总输入/输出总线电压范围 总线输出短路保...
发表于 10-16 10:08 41次 阅读
SN65LBC031Q 高速控制器局域网 (CAN) 收发器