基于Vxworks網絡遠程更換程序設計

賀濤　王定濤　柴介雄

摘要：針對機車上設備的現場應用與軟件升級，本文借助VxWorks系統平臺，運用網絡通信技術實現網絡一鍵更換所有插件應用程序的方法，為現場提供了快捷簡便地更換應用程序解決方案。

關鍵詞：更換應用程序；網絡通信技術；VxWorks系統；現場應用

文獻標識碼：A

機車上設備大部分是基于組匣的設計模式，內部由各個插件拼組而成，而各個插件的通信連接都掛載在以太網交換機中。每個插件都接入組匣的卡槽中，在組匣后背端按照某種通信介質連接起來，形成一個整體（設備）。

每個插件都有自己的CPU處理器和操作系統，為了簡化系統的復雜性，每個插件都采用相同的CPU架構，本文采用的CPU為飛思卡爾公司提供的MPC5125處理器，它提供豐富的外設資源，如10路串口、2路CAN以及兩路FEC網絡控制器等。它片內只有32KRAM資源，沒有片內FLASH，因此每個插件都擴展了FLASH和RAM內存，其FLASH容量為16M，RAM為128M。采用VxWorks操作系統，系統在上電復位后，利用Bootloader程序，把FLASH中的應用執行程序拷貝到RAM運行，在啟動應用程序執行。

在應用程序啟動前，首先需要通過下載工具把程序固化到FLASH中。目前，FLASH燒寫方式主要分為兩種，一種是借助下載工具（風河仿真器），直接下載到板級FLASH中，這種為編程器燒寫方式，這種方式適用于開發員進行仿真調試和下載程序；另外，風河公司的仿真工具價格昂貴，大量采用仿真工具更換應用程序使得費用成本增高；且不適用于組匣現場更換應用程序。另一種方式為是適用于現場特定環境燒寫方式，運用板子上自帶的通信媒介直接更換應用程序。本文采用第二種方式，運用無線網絡技術和VxWorks系統網絡通信，實現無線遠程應用程序下載和升級。

1 系統平臺

本設計的機車設備采用組匣機箱，其硬件結構如圖1所示。本組匣有五個插件，四個應用插件，一個交換機插件。其中應用插件處理不同的應用功能，它的每個網絡口都連接在交換插件上。交換機對外網提供一個公共網絡接口，該接口可以連接無線網絡路由器，PC機間接地與組匣進行連接。

2 軟件設計

實現網絡更換程序，需要實現三部分，分別分為應用程序加載模塊、Vxworks網絡通信模塊、PC機側應用模塊。PC機側應用程序這部分提供人機交互界面，可以是通過WEB網頁，也可以窗口界面進行程序下載操作，本設計采用窗口界面進行開發。Vxworks網絡通信模塊，實現數據交互，按照設定的協議進行網絡通信，保證下載程序的完整性和保密性。Vxworks提供的TCP/IP協議、Socket套接字模式，方便網絡程序應用開發。應用程序加載模塊提供程序加載方式，包括校驗程序數據，提供指定入口加載。其中后面兩個模塊為插件的軟件設計。

2.1 應用程序加載模塊

插件程序在啟動時，加載FLASH Boot啟動代碼，完成CPU相關初始化和內存配置等等，然后拷貝應用程序到RAM區運行。為了把應用程序和維護代碼隔離開來，需要對FLASH進行合理劃分，這也是程序下載的關鍵部分，其應用程序加載過程如圖2所示。從圖中把FLASH劃分了四個部分，兩個相同的應用程序加載部分，一個文件區和系統配置部分。

插件在硬件設計時，設定在FLASH啟動。Flash劃分為兩個相同的應用程序部分，分別為A和B。其中應用程序A部分提供系統維護功能、應用程序B部分提供應用程序功能。當檢測到0xFC400000位置應用程序不存在或者系統崩潰，則拷貝應用程序A到RAM區間，然后啟動應用程序A部分維護代碼。這兩個應用程序在下載時，存在文件區，等完成所有文件下載并校驗成功后，文件區自動把兩個應用程序拷貝B區，然后重新啟動系統。這樣備份了應用程序，不容易丟失。

2.2 Vxworks網絡通信模塊

Vxworks網絡通信模塊完成PC與插件之間的通信協議，是網絡下載的關鍵部分。它們之間采用UDP協議，采用SOCKET編程，主要由VXWORKS提供，這里主要實現應用協議層，它主要實現五個功能，分別是建立連接、驗證與認可、數據傳輸，數據校驗及程序燒寫，其通信過程如圖3所示。

2.2.1 建立連接

在沒有進行通訊前，并不知道對方設備是否存在，也不知道對方是什么插件設備，因此需要建立查詢機制，首先PC網絡端發送廣播幀，給各個設備，等待設備應答。當檢測到設備應答后，將周期性發送檢測信息，查詢設備是否一直存在，當周期通信5次沒有收到應答信息，建立連接自動斷開，并提示無設備連接。

2.2.2 驗證與認可

更換程序時，由于沒有驗證過程，因此技術人員可以隨意進行更換，這樣將不能把控程序更換的版本與正確性。因此在程序進行下載時，需要驗證與認可，密鑰由管理人員分配，發送密文后，插件驗證密文的正確性，當驗證密文正確后，才可以進行程序下載，這樣保證程序更換不能擅自下載。

2.2.3 數據傳輸

由于網絡一包最大傳輸不超過1K字節，而通常一個系統代碼遠遠大于包數，因此需要進行分包傳輸。然而數據傳輸在沒有通信機制下，是無法保證數據的完整性，本設計在進行數據傳輸時，每一個包都進行CRC校驗，并附加包序號信息。當接收端接收數據后，解析包序號，當出現不連續的包序號，接收端把丟包的數據包序號加載到請求幀里，發送端檢測接收端的請求后重傳丟包數據，實現數據包完整傳輸。

2.2.4 數據校驗與程序燒寫

發送端在進行發送拆包時，先對整個文件加入校驗信息和配置信息。當接收端獲取到完整的數據包后，數據存放在RAM區，先對這個接收的數據解析校驗，并讀取配置信息是否與本插件的參數一樣。若數據匹配，進行下一步程序燒寫，按照應用程序加載過程，程序會保存在文件當中，并更改啟動信息。當斷電重啟后，系統自動加載應用程序，完成程序燒寫。

2.3 PC機端應用程序

PC機端程序采用面向對象設計，主要有以下幾類組成，包括文件格式轉換類、密文驗證類、網絡通信類、數據傳輸類、文件數據分包類以及用戶界面類等。其類關系圖如圖4所示。

網絡通信類采用Socket通信，創建兩個網絡線程，一個發送網絡線程和一個接收網絡線程。這個線程管理網絡接收和發送 ，當用戶需要發送數據時，先把數據放入數據傳輸緩沖區，網絡發送線程檢測緩沖區有數據，啟動網絡發送，直到緩沖區為空，網絡接收過程同理。 文件格式轉換類實現燒寫數據格式轉換，轉換格式對象是HEX文件，由于Vxworks開發工具編譯后生成HEX文件格式，因此把HEX文件轉換為BIN文件，并在BIN文件里加載校驗信息，形成新的BIN燒寫文件。密文驗證完成與插件驗證認可，包括密文生成、校驗密文操作。文件數據分包和數據傳輸類，實現與Vxworks網絡模塊通信，文件數據分包類分解BIN文件，把BIN文件拆分許多幀網絡數據包，并在網絡數據包加載校驗數據和包序號。在經過數據傳輸類，運用重傳機制和校驗回執等方法，保證程序文件可靠傳輸。

3 結語

本設計為了簡化對機車上設備的現場應用與軟件升級，設計了一種遠程更換程序的設計方案，通過該軟件替換使用仿真工具更換應用程序的方法，特別是在組匣箱里避免了拆卸機箱更換程序。用戶只要操作該軟件，一次性更換組匣箱內的所有程序，提高了現場人員的工作效率。本軟件可以推廣到類似工程現場較復雜的系統中，具有較強延伸性和實用性。

參考文獻：

[1]周平，張楊.VxWorks下設備驅動程序及BSP開發指南[M].北京：中國電力出版社， 2004.

[2]孔祥營，張寶山.VxWorks驅動及分布式編程[M].北京：中國電力出版社， 2007.

[3]胡鳴.Windows 網絡編程技術[M].北京：科學出版社，2008.

[4]劉芳，臧威.TMS320C672x DSP 引導加載系統的設計與實現[J].微電子學與計算機，2013，30（10）.

[5]肖磊.VxWorks下基于Socket的網絡通信設計[J].計算機與網絡，2013，24（12）： 666.