基于USB的列車車載類設備軟件升級技術研究

楊玉春，蘇燕辰，伍川輝，燕春光

（1.西南交通大學 機械工程學院，成都 610031；2.中車唐山機車車輛有限公司，唐山 063035）

近年來，高速列車集成了越來越多的電子設備，例如車載視頻監控、故障診斷設備、失穩平穩監控設備、弓網監控設備等。當前電子設備軟件升級是通過以太網、CAN總線、串口等通信接口實現在線升級，同濟大學石盼等人提出基于以太網接口的 IAP（In Application Programming）遠程升級技術[1]，該技術優點是傳輸速度快；南京郵電大學王琦和李龍光等人提出基于CAN總線的程序在線升級技術[2-3]；東南大學提出基于串口的應用程序在線升級技術[4]。以上技術均是在線升級技術，需要攜帶電腦和專用通信線纜，連接設備和電腦后在線完成設備升級，該類方式操作不夠便捷，且串口和CAN的實際數據傳輸速率相對較低。由于列車車載設備數量眾多、操作環境復雜、不便拆卸等原因，這種在線升級的方式對工作人員來說無疑是一件繁重的工作。本文以STM32F407為主控芯片，進行基于USB的列車車載設備軟件升級的技術研究，提出一種傳輸速率更快的，基于USB 2.0通信的離線升級技術，利用便攜式U盤對多個車載電子設備進行軟件升級，工作人員只需攜帶裝有bin文件的U盤，插入對應主機上，便可實現對整列車的同系列設備的軟件升級。

1 STM32和USB介紹

1.1 STM32F407處理器介紹

STM32F407芯片是32位低功耗、高性能的處理器，該處理器基于ARM Cottex–M4內核，集成FPU和DSP指令，支持浮點運算，其CPU工作頻率達168 MHz，Flash為1 024 K，SRAM為192 K，具有豐富的資源（定時器、內部存儲、CAN、485、USB、以太網、串口等）。該處理器使用新內核的Thumb–2指令集，使設計人員可以把代碼容量降低45%，把應用軟件所需內存容量降低了近一半[5]。STM32F407內部自帶USB OTG FS控制器和USB OTG HS控制器，支持高速HS（USB2.0，傳輸速率480 Mbps）、全速FS（USB1.1，傳輸速率12 Mbps）和低速（USB1.0，傳輸速率1.5 Mbps）傳輸。

1.2 USB總線介紹

USB是一種串行總線通信方式，具有速率高、支持熱插拔、性能可靠、價格低廉和易于擴展等特點[6]。（1）速率高，目前的USB 2.0標準支持傳輸速率達到480 Mbps，能很好地滿足大部分的接口需求；（2）支持熱插拔，即插即用；（3）易于擴展，通過USB集線器，1個USB主控制器上最多可以連接126個外設；（4）性能可靠，USB系統通過規范的硬件設計和USB協議中完善的數據錯誤檢測機制來確保數據準確無誤地發送和接收[7]。

2 USB通信協議

USB外接設備從插入主機到拔出的整個過程中，共有6種狀態，包括：連接態、上電態、缺省態、地址態、配置態、掛起態[8]，這個過程稱為枚舉過程。

2.1 枚舉過程

當一個USB外接設備被掛接到總線上時,主機通過枚舉過程識別和管理新加入的設備，這個過程使得USB外接設備支持熱插拔[9]。圖1展示了枚舉過程的轉換流程及轉化條件，狀態切換的因素包括硬件電平變化和設備軟件或主機軟件的設置[10]。

圖1 外接設備枚舉轉換過程示意圖

（1）連接狀態，USB外接設備通過USB接口連接主機或Hub，進而改變總線電平，總線由此判斷有新設備接入。

（2）上電狀態，USB外接設備連接后，總線給其供電，但由于設備未被分配地址，尚不能進行通信，該狀態稱為供電狀態。

（3）缺省狀態，USB外接設備插入接口等待100 ms，待供電穩定后，主機給端口發送復位命令，完成寄存器復位后，給設備分配地址0，該地址為USB總線公共地址，稱為缺省地址。此時，USB外接設備可通過該地址與主機通信，完成設備配置。

（4）地址狀態，主機通過缺省地址0與USB外接設備通信，獲取設備描述符、配置參數、配置通道，同時配一個總線地址，之后各種數據傳輸都是通過該地址。USB外接設備獲得唯一地址的狀態稱為地址狀態。

（5）配置狀態，主機獲得設備描述符之后，開始配置USB外接設備，此時設備處于配置狀態。

（6）掛起狀態，當總線無任何活動的時間達到3 ms，USB外接設備將自動切換為低功耗掛起狀態，此時，USB接口處電流小于0.5 mA，USB接口保持其地址信息和配置信息，等待總線活動將其喚醒。

2.2 USB的通信流

主機與USB外接設備通信是通過端點和管道來實現的，主機緩沖區和設備端點間的通信數據形成通信流。USB通信流如圖2所示。

（1）端點：USB外接設備端點是設備的標識。設備端點號有多個，設備地址只有一個。端點按種類分為輸入、輸出端點；按功能分為0端點和非0端點。

（2）管道：管道是主機存儲緩沖器與設備端點間進行數據傳輸的通道[11]。主機與設備0端點進行通信的管道稱為缺省管道。

2.3 USB接口電路設計

很多車載監控設備需進行高速數據傳輸，故選用USB OTG HS通信模式，外接PHY芯片。本文選用USB 3300芯片作為USB通信的物理芯片，該芯片兼容USB 2.0協議，傳輸速率最高達480 Mbps，采用并行接口與STM32F407連接，可實現數據快速交互；外接24 MHz晶振，將DP和DM引腳連接至USB–A型接口完成數據傳輸。USB電路設計如圖3所示。

圖2 USB通信流示意圖

圖3 USB電路設計圖

3 IAP技術

3.1 IAP實現原理

IAP技術將F1ash映射為System Memory和User Flash Memory 2個存儲體。當運行System Memory存儲體上的IAP程序時，可對User Flash Memory存儲體重新燒寫[12]，這樣做是方便在使用一段時間后，通過預留的接口（USB、CAN、USART等）對產品進行升級。實現IAP時，需要設計2個程序，即IAP程序和App程序，IAP程序通過特定通信方式接收App程序，將App程序存儲到指定位置，實現程序更新；App程序是功能程序，用于實現設備的功能。

3.2 IAP工作模式

程序一般存放在STM32內部Flash中，IAP程序從最低位置（0X08000000）開始存放，App程序通過USB接口讀入并存儲在IAP程序的后面。加載IAP程序后，程序運行流程如圖4所示。STM32F407控制器復位后，從0X08000004處取出IAP復位中斷向量的地址，如標號①所示，并跳轉到IAP復位中斷服務程序執行；執行完后，跳轉到0X08000004+N的位置執行IAP中main函數，如標號②所示；IAP中main函數讀取App更新標志，如標號③所示，并判斷是否需要升級，若需要升級，則讀取IAP升級程序，并存儲到Flash的0X08010000位置[13]，如果不需要，則直接執行App程序，如標號④所示；從0X08000004+N+M位置讀取App復位中斷向量的地址，并跳轉到對應復位中斷服務程序執行，之后跳轉到App main函數執行用戶程序，如標號⑤所示[14]。在App main函數執行過程中，如果接收到1個中斷請求，PC指針強制跳轉到0X08000004中斷向量表位置，如標號⑥所示，之后程序再根據App程序偏移量，跳轉到對應中斷服務程序，如標號⑦所示[15]。中斷服務程序執行結束后，返回到App main函數繼續執行應用程序，如標號⑧所示。

4 軟件升級實現

4.1 底包程序設計

在車載設備的IAP設計過程中，采用USB接口進行通信。（1）執行IAP程序中的USB驅動程序，初始化USB接口，并連接U盤；（2）掛載FAT32文件系統，實現對U盤的讀寫操作，并檢測U盤中是否存在bin文件；（3）IAP程序通過USB接口讀取提前配置并存儲在U盤中的升級程序，將升級程序存儲到Flash的0X08010000位置，升級后IAP跳轉到App程序位置開始執行新版App。

以上過程中，若存在U盤連接失敗、文件系統掛載失敗、bin文件讀取失敗或校驗不通過等情況，則視為升級失敗，執行系統復位；若U盤中不存在bin文件，則會跳到Flash0x08010000位置繼續執行舊版應用程序。具體升級過程如圖5所示。

圖4 加載IAP后程序運行流程圖

4.2 升級程序生成過程

底包程序采用Keil 5開發平臺搭建，Keil 5一般生成hex文件，但系統升級需使用bin文件。bin文件生成需3個步驟，包括：配置升級程序起始地址、配置中斷向量表偏移量、運行fromelf.exe。

4.2.1 升級程序起始地址設置方法

升級程序偏移地址設置過程為，打開Options for Target 配置軟件，點擊Target 選項卡，軟件界面如圖6所示，在該界面設置App程序起始地址為0X08010000，即偏移量為0X10000。STM32F4系列芯片內部Flash大小為1 024 KB，留給App的存儲空間為0X08010000～0X08100000（960 KB）；留給IAP的存儲空間為：0X08000000～0X0800FFFF（64 KB）。

圖5 車載設備軟件升級流程圖

圖6 升級程序起始地址設置界面示意圖

4.2.2 中斷向量表偏移量設置方法

（1）中斷向量表設置函數

NVIC_SetVectorTable(uint32 NVIC_VecTab,uint32 Offset)

（2）IAP中斷向量表設置

NVIC_SetVectorTable(0x08000000,0x00)

//IAP偏移量為0

（3）App中斷向量表設置

4.3 軟件升級技術關鍵點

（1）軟件升級完成時，在從IAP程序跳轉到App程序之前，必須復位嵌套向量中斷控制器（NVIC，Nested Vectored Interrupt Controller ），防止跳轉過程中出現中斷，導致應用程序運行失敗。

（2）在App程序初始化時需正確設置NVIC向量表，將NVIC向量表映射到App程序起始地址；

（3）實現IAP程序過程中，必須正確處理計時器的清零操作，特別是在bin文件讀和寫、Flash擦除和編程過程中，要充分考慮計時器清零時間，在程序關鍵位置清零，一般在while循環函數中進行計時器清零操作。

5 結束語

本文詳細分析了IAP和USB通信協議的技術要點，實現了基于USB通信的車載設備軟件升級程序，通過裝有bin文件的U盤，就可完成整列車同系列產品的軟件升級任務，顯著降低了工作量。自帶USB協議接口的電子設備使用該技術不需要增加額外成本，只需通過軟件的更改，就可實現產品的升級和功能的修復。目前，該技術已應用于走行部故障診斷、平穩失穩在線監測等車載設備的系統升級。未來可探索該技術在智能家居、消費電子等更廣泛的物聯網應用場所的應用。