基于CAN总线的ECU在线编程技术

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随着IAP技术的出现以及Flash价格的降低，一般的电控单元(ECU)都具有IAP(In Application Programming)功能和较大的Flash空间，为实现ECU在线编程功能提供了必要条件。目前基于IAP技术的在线编程的方案有很多，采用的通信方式和具体实现方法也各不相同。参考文献[2]采用RS232总线和YMODEM协议开发的用于智能终端的在线升级系统，但是RS232总线的传输速率有限。参考文献[3]采用LIN总线实现的适用于汽车ECU的在线升级系统，LIN总线除了传输速率有限以外，同时它只是一种辅助总线，并不是所有车身ECU都采用LIN接口。参考文献[1][4]采用基于CCP(CAN Calibration Protoc01)协议的在线升级系统，兼具CAN总线传输速率快和CCP协议可扩展性好的优点。本文采用CAN总线，基于CCP原理自定义协议的在线升级系统，具有传输速度快的特点。自定义协议各命令基本沿用CCP协议，但内容做了改动，这样通过改动协议内容能够很好地适合特定环境的应用。同时在升级过程中加入升级请求标志位，能够很好地改进程序下载过程中命令延时等待、应用程序下载失败以后下次无法连接的问题。
1 在线编程系统设计
在线编程系统硬件主要包含三个部分：带有下载上位机软件的PC机、USB—CAN接口卡和安装有Bootloader程序的ECU。上位机通过USB—CAN接口卡与ECU通信，并进行代码的升级。软件主要包含两个部分：上位机的Bootloader下载程序和下位机的Bootloader程序。
1.1 通信协议与上位机程序设计
1.1.1 通信协议的制定
系统通信协议的以CCP协议原理为基础，结合实际操作过程的需求来制定。CCP协议提供11个基本命令和17个可选命令，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。本协议采用其中CONNECT、DISCONNECT、CLEAR_MEMORY、PROGRAM、SETMTA。命令内容根据实际需要自定义；消息应答信号有连接成功应答、编程准备就绪应答、页编程完成应答、编程完成应答、编程失败应答、SECTION擦除就绪应答、SEC—TION擦除完成应答等。本套自定义协议能够很好地应用在实际下载过程中。
1.1.2 PC端下载程序的组成
PC端的Bootloader下载程序主要功能是实现对目标文件的解析和与下位机软件通信。下载程序采用VisualC++6．0编写，主要分成目标文件加载与解析以及Flash编程两个模块。
(1)目标文件的生成和解析
系统应用程序文件采用*．HEX格式文件，该文件是记录文本行的ASCII文本文件，每一行是一条记录，每条记录是16进制数组成的机械码或数据常量。记录格式：：LL ADDR TT[DDD…]CC
其中，冒号是记录开始；LL表示数据长度，即[DDD…]的字节数；ADDR表示地址信息；TT表示记录的类型；[DDD…]表示数据内容；CC表示校验和。
利用Tasking开发环境，能够生成包含应用程序的*．HEX文件，文件中的记录类型只有数据记录、线性扩展地址记录和文件结束记录。通过上位机载入目标文件，逐条检索文件内容将带有地址信息的数据解析出来，并以CAN数据帧(8字节)的形式存放，每16帧数据组合成一个页，同时记录每个数据页的首地址。
(2)Flash编程模块
Flash编程模块实现与下位机的通信，主要包含命令的解析、CAN总线驱动、数据发送和状态显示等部分。CAN总线驱动采用广州周立功单片机发展有限公司的USB—CAN采集卡的驱动程序，加入提供的库函数，来实现对于CAN总线数据的发送和接收。上位机软件提供相关命令的按钮，下载过程中通过按动相应按钮来实现命令的发送。下载过程中如果接收到连接成功、编程完成或者编程失败等信号以后，显示相应状态。
1.1.3 PC端下载程序的运行流程
PC端程序运行以后，通过上位机界面上的“载入文件”按钮，将要升级程序HEX文件载入，点“解析按钮”，程序自动将HEX文件分成包含有效数据长度为128字节的页，同时将页首地址保存。根据已经制定好的协议，上位机将这些命令封装成CAN总线消息发送到下位机。编程过程中，上位机将所需要发送的程序页总数发送给下位机，然后从第一页开始发送，每一页发送完成以后，等待下位机发送页编程完成信号，完成以后继续发送下一页，直到所有程序页都发送完成，这时如果无错误，接收下位机编程完成应答消息，显示编程完成；否则显示编程失败。程序流程图如图l所示。


圈1 PC端下载程序流程图


       
1.2 Bootloader设计
Flash编程的机制主要有两种，分别是调用Flash擦写函数法和Flash kernel。Flash kernel法需要在进行软件升级时将Bootloader程序中Flash擦写以及相关的初始化程序都下载到单片机RAM中，这对RAM资源的要求较高，对于单片机来说这是有困难的。采用Flash擦写函数法，只需要在升级程序时调用Flash擦写函数即可。对于某些单片机，在对Flash进行擦写时，加在Flash区的电压高于普通电压，会引起Flash区的操作不稳定，因此也需要将Flash擦写函数放在RAM中运行，这样采用Flash擦写函数能够有效的减少RAM区的占用。In—fineon XC2000单片机支持同时对不同页的读／写操作，不会出现Flash擦写操作不稳定的问题，因此本设计采用Flash擦写函数法。
1.2.1 Flash空间代码分布
本设计中ECU采用XC2785A单片机，其片上集成32 KB的PSRAM和832 KB的Flash(0xC00000～oxCCFFFF)用于代码存储。Flash阵列由4个块组成，分别是F0(256 KB，0xC00000～0xC3FFFF)、F1(256 KB，0xC40000～0xC7FFFF)、F2(256 KB，0xC80000～0xCBFFFF)、F3(64 KB，0xCC0000～0xCCFFFF)。每一个Flash块由若干个大小为4 KB的扇区组成，而每一个扇区可分为32个页(128字节)，可封每个页单独进行擦除和编程操作。Flash区段的最开始存放程序的中断向量表，0xC01000～OxCODFFF区段存放Bootloader代码，0xC0E000～0xC0EFFF区段中的最开始那个页存放升级标志，0xCOF000～0xCOFFFF区段为单片机保留区段，0xCl0000～0xCCFFFF段存放应用程序，代码空间分布如图2所示。


图2 Flash空间代码分布示惹图

1.2.2 Bootloader程序流程
复位中断向量的出口地址是0xC01000，因此单片机上电启动或者软件重启以后，首先跳转到STARTUP．C，通过判断升级标志是否置位来进行跳转。若置位表示有升级请求，则进行Bootloader的初始化，然后执行主函数，升级完成以后擦除标志位；若无升级请求则跳转到用户程序区执行用户程序。用户程序更新时，需要同时更新中断向量，这样保证用户程序能够正常使用中断功能。
参考文献[1]中采用的方法是在用户程序运行时，接受到连接命令，则单片机跳转到Bootloader程序执行升级流程，但是如果升级过程中出现错误，用户程序升级未完成，则下一次上电系统将无法运行。参考文献[4]中，采用上电进入Bootloader之前发送握手信号，等待上位机回复，这样每次上电都要先进行Bootloader的初始化，并且等待这种方式不能很好地保证和上位机连接。本文采用增加升级状态标志位的方法，用户程序在运行时，如有升级请求则置状态标志位，并软件重启。重启以后，单片机先检测状态标志位，有升级请求则进入Bootloader进行软件升级，若升级过程中出现错误导致升级未完成的话，升级状态标志位将不会清除，单片机重启以后仍然进去Bootloader，直接操作上位机上的编程按钮即可进行程序升级操作。这种方法能够有效解决升级过程中出现失败以及握手等待的问题，下位机软件流程如图3所示。


图3下位机软件流程图


       
1.3 在线编程系统工作流程
系统连接完成以后，通过上位机载入需要更新的应用程序文件，点击“CONNECT”按钮，在线编程系统启动，系统工作过程如图4所示。上位机界面中显示连接成功，则可进行下一步操作。点击擦除按钮，上位机发送擦除指令，下位机擦除相应Flash区域以后发送给上位机应答信号。上位机给下位机发送编程命令的同时，发送给下位机需要编程的页总数。下位机在接收到页编程地址以后，连续接收上位机发送过来的16帧数据(一页128字节)，然后擦除相应区域，并将这一页数据写入相应的页，页编程完成以后向上位机发送页编程完成应答，接着接收上位机发送过来的下一页数据，当所有页编程完成以后向上位机发送编程完成应答信号。此时断开连接，ECU将会软件重启。若编程过程中有任一页编程失败，上位机则显示编程失败，断开连接以后ECU重启，仍然进入Bootloader程序，然后直接点击编程即可。


图4 系统工作过程

2 在线编程功能验证
在线升级系统采用PC机(安装有上位机软件)，连接广州周立功单片机发展有限公司的USB—CAN采集卡，ECU的CPU采用Infineon XC2785A单片机，系统连接完成以后进行升级测试。本文设计的在线编程方案测试结果如下：图5为待更新程序的HEX文件(通过Tasking环境生成)，其中有下划线的位HEX文件记录中的数据记录，起始地址为0xCll000；图6为程序下载到Flash以后的数据，通过Tasking软件的Debug状态，来查看Flash地址为0xCll000的数据。通过对比两幅图片，发现程序数据正确下载到了相应的Flash区域。在下载过程中，通过错误操作制造在线编程失败现象，然后断开连接，ECU重启以后仍然进入Bootloader程序，直接在上位机界面上点击“Program”，能够完成在线升级。实验结果表明，所设计的基于CAN总线的在线升级系统能够实现代码在线下载的功能，并且能够有效改善升级过程中下载失败的问题。


图5 目标HEX文件2图6 Flash中的数据

结语
本文提出的基于CAN总线的ECU在线升级系统设计方案，切实可行，并已在Infineon XC2785A单片机上完成实际测试。Infineon XC2000单片机具有相同的内核，因此此方案将对这一系列单片机的Bootloader设计具有指导意义。同时采用升级标志位的方法，对于单片机IAP功能的实现提供一个有益的参考。