STM32双核板的应用设计与ISP的从机软件升级

摘要：针对单片机应用设计中的资源不足、可靠性差和软件升级问题，设计了一款基于Cortex—M3内核的双核板。该双核板在不增加开发难度的情况下使单片机资源翻倍;通过两个MCU之间的任务合理分工和相互监督，提高了整体系统的可靠性;利用CAN总线完成主机与上位机的通信和升级程序的下载，并通过控制引脚实现基于ISP功能的从机软件升级。

引言

在单片机的应用设计中，常常会遇到如下问题：其一，某一熟悉类型的单片机功能可用，性价比也很好，但限于某种内部资源(如串口数、A/D路数等)不足，不得不选用更高档或不太熟悉的单片机，造成资源的浪费和开发周期的延长。其二，在海洋远程监测等重要领域，对控制器的可靠性要求较高，而单片机存在死机的可能性，即使可以通过配备看门狗来避免这种情况，但这种“粗暴”的复位方式并不合理(首先，复位打乱了正常的数据采集和处理工作，导致重要数据丢失;其次，即便能记录下复位时间和次数，但复位原因和复位前状态等信息无法侦测，一些本该解决的BUG被掩盖，导致频繁复位)。其三，由于开发周期不足或测试不充分，导致设备投入运行后出现故障，而这些故障往往通过软件升级的方式可以解决，但由于设备的应用场所比较特殊(如水下)，导致软件升级的成本很高。

针对上述3种情况，在实际的项目应用中设计了基于STM32的双核板，较好地解决了资源不足、稳定性差和基于CAN总线的远程升级等问题，具有性价比高、开发周期短等优点。

1 双核板设计

STM32系列单片机具有高性能Cortex—M3内核和外设，功耗低，集成度高，性价比高。另外，ST公司还提供了外设的标准库函数，屏蔽了底层硬件细节，能够使开发人员轻松完成产品的开发，缩短系统开发时间。正因为如此，STM32系列单片机得到了开发者的青睐。其应用领域和客户群不断扩大。其中的 STM32F107属于互联型系列，具有以太网和CAN总线接口，在数据通信方面具有独特的优势。一种基于STM32F107的双核板如图1所示。

图1中，两个STM32F107最小系统模块分别称为A-CORE和M-CORE，A-CORE具有外看门狗，为主机模块;M-CORE不具有外看门狗，但其RST/BOOT0引脚受A-CORE的控制，可以通过串口实现ISP总线升级，为从机模块。由于A-CORE和M-CORE均具有电源系统、复位电路和下载接口等调试所需的基本要素，因此可以预先焊接和调试好。在具体项目的开发应用中，将双核板作为一个独立的元件嵌入，一些软件可以提前验证和编写，大大缩短了产品的开发周期。

在正常工作时，主从机两个模块独立工作，两者通过SPI总线相互通信。SPI接口传输速率可达到18 Mbps，比I2C和UART通信要快得多。由于采用双核，通用I/O引脚显著增多，不仅可以完成更加复杂的设计，而且降低了布局布线的难度。对于熟悉 STM32的开发者来说，开发难度基本不变，而可使用的资源却几乎成倍增加。

在该双核板的设计中，还考虑了A—CORE对M—CORE的在线升级问题。图1中M—CORE的RST、BOOT0两个引脚受A—CORE控制，来实现 M-CORE的复位和复位地址选择;而ISP-AT-MR和ISP-AR-MT两个引脚则是作为USART接口，实现对M-CORE的ISP升级。

2 可靠性设计

在本文的应用中，A—CORE和M—CORE分工合作。A—CORE主要完成系统的管理工作，如人机交互、数据存储、通信等;M—CORE主要完成信息采集、外部设备控制等功能，这样设计的优点是功能分明、负荷分担。负责采集控制的M—CORE可以集中精力完成数据采集和辅助的控制工作;而负责管理的A— CORE除了完成人机交互、数据存储和通信外，还需要定期发起与M—CORE的通信，以保证相互监督。

M—CORE收到A—CORE的指令后，会将当前的工作状态报告给A—CORE，再由A—CORE通过CAN总线等手段上传给更高层的通信主机。如果A— CORE发现M—CORE不能正常回复信息，则说明M—CORE处于不正常状态，必要时可实现对M—CORE的“危机干预”。例如，在连续多次均不能正常通信的情况下，可以认为M—CORE已处于死机状态，A—CORE将复位M-CORE。A—CORE和M—CORE的状态转换图如图2所示。

显然，这种双核结构和定时通信机制，可以使每个MCU知道对方的工作情况。虽然在结构上分出了A—CORE和M—CORE，但由于每个MCU都有CAN总线与通信主机相连，因此每个MCU都可以单独通向主机汇报工作状态，汇报的内容都可以通过CAN总线接收到，因此起到了相互监督的作用。

3 基于CAN总线的软件升级