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标题 基于智能手机的MSP430系列芯片软件升级研究
范文 杜俏俏+赵悦+宋乐+王建



摘 要：传统的远程终端嵌入式系统软件升级可操作性差、稳定性低，无法保证数据传输过程中的完整性。 针对这些问题，使用智能手机作为操作平台，实现了由MSP430系列芯片组成的仪表软件升级解决方案。采用蓝牙方式将智能手机与IC卡读写射频器连接，IC卡读写射频器将需要升级的代码信息通过无线射频技术传给MSP430系列芯片，通过ISP技术完成MSP430系列芯片嵌入式软件的程序升级。通过远程天然气仪表测试及应用，证明该软件升级方案能进行MSP430系列芯片嵌入式软件的稳定升级。
关键词：智能手机；蓝牙通信；无线射频；MSP430系列芯片
DOIDOI：10.11907/rjdk.171385
中图分类号：TP319
文献标识码：A 文章编号文章编号：1672-7800（2017）008-0171-03
0 引言
嵌入式终端设备在工业领域应用广泛，嵌入式应用软件也越来越复杂。当程序出现缺陷，或者用户提出新的需求，则需要对嵌入式应用程序进行修复、升级[1-2]；生产厂商在开发维护终端设备过程中，需要对设备中存在的缺陷进行修复及优化，以提升产品性能。伴随着嵌入式技术的发展，嵌入式应用软件的升级方法也在不断更新，实现技术和手段都发生了很大变化。利用自定义升级固件进行程序升级的方式比较灵活且用途广泛，本文在此基础上设计了一套符合MSP430系列芯片的嵌入式软件升级方法。
1 系统框架
基于智能手机升级MSP430芯片软件系统结构如图1所示。采用智能手机结合研发的APP，通过蓝牙将升级信息传给IC卡读写射器，IC卡读写射器再将其传给终端设备，完成对终端设备应用程序的升级。该系统由智能手机APP、IC卡读写射器及仪表终端3大模块组成。
运行在智能手机上的APP负责读写IC卡上的数据信息，如表压、差压、流量等，这些数据都和天然气管理系统仪表相关。该APP将仪表升级的代码信息下载并通过手机蓝牙通信模式传给IC卡读写射频器，IC卡读写射频器判断为传输数据后通过无线射频传给终端仪表，成功与否反馈给智能手机APP。
IC卡读写射频器是专为本研究而设计的一款产品。IC卡读写射频器，顾名思义，它既可以在智能手机APP上显示IC卡对应的仪表数据，也可在无线通信过程中起到连接智能手机和终端仪表的作用。
天然气远程销售网主要由集中器、路由器、控制器和基表组成，基表或称流量计用于最终用户用气的计量，它和控制器采用485方式进行通讯，其它产品采用无线射频方式进行通讯。其中集中器还带有GPRS模块，和天然气销售中心进行远程通讯，接收销售中心发布的购气、调价等指令，或上传用户的有关消费数据和故障信息。无论是集中器、路由器还是控制器均带有无线射频模块。集中器、路由器、控制器构成仪表终端设备。
2 关键技术
软件升级系统由智能手机APP、蓝牙通讯模块、MSP430 CPU、无线射频和集中器等模块组成。蓝牙模块基于智能手机APP与MSP430 CPU连接起来，负责APP与嵌入式设备间的通信；RF模块将MSP430 CPU与嵌入式终端设备连接起来，负责CPU与终端设备间的信息传递。其中蓝牙、射频通信模块和软件升级模块是保证系统正常工作的关键部分，其安全可靠的通信协议以及高效的升级策略保障了软件升级的安全。
2.1 系统通信协议
根据各模块用途及与CPU的通信方式，将模块间的通信协议分为外部通信协议和内部通信协议，其结构如图2所示。外部通信协议即智能手机APP与CPU的蓝牙通信协议，内部通信协议即CPU和集中器或路由器等设备的通信协议。
外部通信协议是基于智能手机APP通过手机蓝牙与MSP430系列芯片外围蓝牙设备进行数据交换的协议格式，数据包格式如图3所示，主要由帧头、类型、长度、标识、序列号、表号、数据和CRC校验数据组成。帧头用来区分此数据包是外部通信协议包，类型字段表示此数据包是读数据还是写数据，表号用来表示此数据包发送给哪个硬件设备，CRC校验数据则根据选择的CRC-32算法计算此数据包的校验和，用来检测和校验数据在传输过程中是否错误。
内部通信协议用于MSP430芯片与嵌入式设备其它模块（如集中器）通过无线射频进行通信的协议格式，其数据包格式如图4所示，与外部通信协议格式相似，由帧头、表号、类型、长度、标识、序列号、数据和校验和组成。
在嵌入式软件升级过程中，智能手机APP通过蓝牙设备，将升级文件按照外部通信协议发送给MSP430 CPU，然后CPU通过无线射频设备转发至需要升级的设备，在此过程中CPU需要对外部通信协议与内部通信协议相互转换。外部协议转内部协议方法：首先保存表号，然后将类型、长度、标识和序列号后移7位，然后在包头附加内部协议帧头和表号，最后重新计算校验和。内部协议转外部协议方法与之相反。
校验码是数据包检验和[3]，其作用是进行数据的完整性校验，目前应用最为广泛的数据完整性校验算法是CRC算法，而生成多项式的选择是CRC算法的重要部分，不同的多项式有不同的错误检测能力与总体碰撞概率，而多项式最重要的属性是它的长度。根据公式g（x）=p（x）（1+x）可以得出一个CRC多项式与最大错误检测位数：
Bitmax length=2r-1-1（1）
式（1）中，r为CRC校验码的监督码。根据（1）可以得出每种多项式对应的最大不冲突数据字节数，如表1所示。
根据表1可知，当升级代码大于16KB时，为保证错误检查能力与总体碰撞概率最优，将CRC-32算法作为效验新升级代码的完整性校验算法。
2.2 升级文件格式
运行在MSP430系列芯片的嵌入式软件是使用IAR软件编译生成的HEX文件。在升级应用程序之前，需要对HEX文件进行解析，解析流程如下：①从HEX文件中读取一行二进制数据，如果有数据则制定步骤②，否则跳到步骤④；②过滤掉一些非法的无用字符；然后判断首字符是否是q，如果不是则执行步骤③，否则此行后续的字符串代表此软件版本，保存版本号并跳回步骤①继续执行；③判断首字符是不是@符，如果是，则后续字符串代表本分段的地址字符串，否则后续字符串标识此行后续字符串代表本分段對应的代码字符串。保存对应的值并跳回步骤①继续执行；④解析完成，如图5所示。
3 软件升级流程
本文设计的系统主要针对TI公司低功耗单片机MSP430系列芯片，其片上主存储类型为Flash，在正常工作电压下，程序可对Flash进行擦写操作，特别适合程序升级。物联网传感终端系统中将Flash分为引导程序区、信息存储区、应用程序区3个区域，如图6所示。
嵌入式程序升级流程如图7所示，设备远程在线升级步骤：①当终端节点需要升级[4]时，远端控制中心向该终端设备发送固定的协议报文，终端通过对协议中的软件版本号与I2C上正在运行的软件版本号比较，判断是否需要进行升级；②终端节点从远程控制中心请求程序包，同时在传输过程中采用CRC校验技术，保证数据传输的完整性；③终端节点确定收到了完整、正确的升级程序包后，开始执行软件升级操作并保存相关参数。若软件升級成功，终端节点会将新的软件版本和参数返回给控制中心，如果升级失败，则用保存在I2C中的原代码覆盖Flash中的代码并通知控制中心升级失败[5]。
4 结语
本文设计的基于智能手机升级MSP430芯片的软件系统[6]，实现了对MSP430系列芯片所组成的仪表软件的升级，确保数据在传输过程的完整性及升级过程的稳定性，提升了设备的适用性、安全性与可靠性。基于智能手机工具与蓝牙通信方式，降低了设备维护成本，提高了工作效率，满足了预期功能需求。
参考文献：
[1] 彭井花，蔡声镇，吴允平，等.基于GPRS的嵌入式系统软件的远程在线升级[J].现代电子技术，2009，32（4）：47-49.
[2] 杨枢，贾小涛，叶蔚.嵌入式系统软件远程在线升级的研究与实现[J].微型电脑应用，2008，24（11）：37-39.
[3] 李刚，周毅波，卿柏元.智能电力设备在线远程软件升级新方法[J].自动化与仪表，2010，25（2）：50-53.
[4] 楼亮亮，金彦亮，鲍星合，等.物联网设备无线固件升级技术的研究[J].单片机与嵌入式系统应用，2015，15（6）：7-10.
[5] 李权，鄢萍，贺晓辉.高可靠性的嵌入式软件现场更新方法[J].计算机应用，2010，30（8）：2228-2231.
[6] 刘贇，左小川.嵌入式软件在线升级系统的设计与实现[J].计算机测量与控制，2015，23（4）：1425-1427.
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更新时间：2024/12/22 23:48:48