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基于GPRS通信的MCU固件遠程更新技術的實現

2016年微型機與應用第14期

唐洪富，王肖楠

（華北計算機系統工程研究所，北京 100083）

摘要： 在闡述STM32F103VET6微處理器的存儲空間和在應用中編程（IAP）技術原理的基礎上，以GPRS通信的方式，實現了MCU固件在線遠程更新，提高了固件維護的方便性，縮短了終端系統的開發周期，降低了成本。

關鍵詞： STM32F103 GPRS IAP 固件更新

Abstract：

Key words :

　　唐洪富，王肖楠

　　（華北計算機系統工程研究所，北京 100083）

　　摘要：在闡述STM32F103VET6微處理器的存儲空間和在應用中編程（IAP）技術原理的基礎上，以GPRS通信的方式，實現了MCU固件在線遠程更新，提高了固件維護的方便性，縮短了終端系統的開發周期，降低了成本。

　　關鍵詞：STM32F103；GPRS；IAP；固件更新

0引言

　　在以物聯網、大數據、云計算為代表的信息科技爆炸式發展的今天，嵌入式產品越來越豐富，并且版本的升級迭代速度非常快。但是通常的嵌入式產品都是用燒寫器將代碼燒寫到嵌入式主控制器或者其他存儲芯片中，在產品交付給用戶以后，如果需要對軟件代碼進行升級，或者生產廠家想要對產品進行修改，就必須到現場重新燒寫程序。這樣，從時間到成本都造成了很大的開銷，非常不靈活。因此遠程更新MCU的固件就成為解決這一問題的有效手段。本文以STM32F103VET6 為平臺，使用GPRS通信方式和IAP 技術實現MCU固件的遠程更新。該技術對于具備GPRS通信的嵌入式產品有很好的幫助，對3G或者4G的嵌入式產品也有借鑒的意義。

1系統的硬件設計

　　本系統的結構如圖1所示。MCU使用芯片STM32F103VET6，該處理器是意法半導體（ST）公司發布的基于CortexM3內核的增強型系列處理器，工作頻率最高達到72 MHz，帶有片內RAM、片內Flash和豐富的外設。GPRS模塊的型號是G510。MCU通過串口，使用AT命令與G510模塊進行數據交互。USB轉串口模塊作為PC與MCU的數據交互的有效手段，通過打印數據信息就可以知道MCU的工作狀態。電源模塊產生兩種電壓，包括為MCU和USB模塊供電的3.3 V電壓和為GPRS模塊供電的4.0 V電壓。

2MCU的地址

　　STM32F103VET6的內核是CortexM3，它的存儲系統采用統一尋址方式，程序存儲器、數據存儲器、寄存器和輸入輸出接口被組織在同一個4 GB的線性地址空間內。存儲空間被分成8個主要塊，每個塊為512 MB。以STM32F103VET6處理器為例，圖2為代碼塊和片內SRAM的地址映射圖。STM32F103VET6有512 KB的Flash存儲空間，地址從0x08000000至0x0807ffff;有64 KB的SRAM，地址從0x20000000到0x2000ffff。

　　通過設置BOOT［1:0］引腳值為00，使STM32F103 VET6上電后從Flash的0x08000000地址處開始執行代碼。

3IAP技術的實現

　　3.1IAP技術原理［1］

　　在應用編程（IAP）技術是指MCU在執行用戶程序的過程中對片內Flash 的部分區域進行擦寫，把真正的用戶二進制代碼燒寫到Flash中。在這里，IAP的程序要實現兩個功能：一是通過GPRS通信接收已經編譯鏈接好的二進制的應用代碼到內存；二是將應用代碼燒寫到片內Flash 中。系統復位后，MCU首先執行IAP和GPRS通信程序，此段代碼必須使用硬件燒寫器，比如JLink燒寫到MCU中；等待MCU接收并燒寫好真正的功能代碼后，跳轉至此段代碼開始執行用戶程序。這兩段代碼都是燒寫在片內Flash中，必須保證兩段代碼的存放區域不能重疊，否則會出現程序覆蓋，將無法正確執行用戶程序。通過設置標志位，并且存儲到Flash中，來判斷上電后執行的是IAP程序還是用戶程序。

　　3.2燒寫文件格式

　　IAP驅動和GPRS通信程序是用MDK編譯器生成的HEX文件，通過JTAG燒寫到STM32F103VET6的Flash中，起始地址是0x08000000。由于MDK產生的是HEX文件，因此需要使用轉換工具將用于通過GPRS通信方式從服務器端下發到終端的固件代碼由HEX文件格式轉換成BIN文件格式。終端將新的固件代碼寫入到Flash中，起始地址設為0x08020000。

　　3.3軟件實現

　　由于要更新的固件的存儲地址是0x08020000，因此需要調整新固件的中斷向量表的地址：NVIC＿SetVectorTable(NVIC＿VectTab＿FLASH,0x08020000)［2］。使用起始地址為0x0807f800最后一頁Flash存儲字符型變量Update_Flag，該變量的值保存了固件更新的狀態。當Update_Flag等于0時，代表無應用程序，MCU執行IAP驅動和GPRS通信程序；當Update_Flag等于1時，代表應用程序是已經寫入Flash中的有效代碼，則MCU執行新的固件程序。系統的軟件流程如圖3所示。　

　　連接的流程圖STM32F103VET6與GPRS模塊的數據交互［3］通過串口來完成，終端與服務器的連接建立的過程如圖4所示。建立連接后，MCU可以發送報文A1向服務器請求新固件。服務器收到此報文后，把要發送的BIN格式的新固件按照表1所示的報文格式發送至終端。幀長度是包含從類型到校驗位的總長度。這里考慮到G510傳輸每幀數據的最長字節數和Flash寫操作的方便性，設定數據區的最大長度為1 024 B。服務器端打開BIN格式的文件，并且按照表1所示的幀格式把數據裝載成幀A2，然后發送。用幀計數來避免因為網絡擁堵等問題造成的數據傳輸錯誤。采用應答式的交互方式，終端每次收到一條固件幀，就以正確幀R1或者錯誤幀R2回應。R1和R2中包含幀計數和服務器端設置延時，發送完一幀數據后，延時5 s，在這段時間內，沒有收到回應的數據則重發。服務器發送完最后一幀固件數據，并且收到正確的回答后，再發送一幀結束數據A3，使終端知道固件已經全部發送完畢。具體的服務器和終端的數據傳輸的流程圖如圖5所示。