核电厂电气柜的PIC单片机远程程序升级

李永科

（海南核电有限公司，海南海口 570105）

核电厂电气柜的PIC单片机远程程序升级

李永科

（海南核电有限公司，海南海口 570105）

为降低单片机程序升级的难度，在不需要编程人员到现场的情况下完成新程序下载，以PIC18F258单片机为例，介绍一种单片机远程程序升级的方法。上位机软件将编译器生成的16进制程序按规定协议编码，由GPRS无线网络发送给指定单片机，单片机接收到程序后按照协议解码，通过内部Flash擦写功能完成对自身程序的升级。既能减少程序升级所需的成本，也适用于具有擦写内部Flash功能的其他单片机。

PIC单片机；远程程序升级；内部Flash擦写

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.14

0 引言

随着微电子行业的发展，以及工业化水平的不断提高，许多系统终端设备需要定期更新程序以满足人们日益增长的需求。传统的程序升级方法是编程人员到现场下载程序，对于偏远地区的设备，不仅路途远，而且耗时长。远程程序升级能够很好地解决这一问题，它利用无线网络将程序传给现场设备，现场设备将新程序写入程序存储器从而完成程序升级。可大幅减少升级所需的人力物力，降低升级费用，缩短升级时间。

1 远程程序升级的原理

远程程序升级是对可编程技术IAP的具体应用，即在应用程序正常运行情况下对另外一段程序存储区进行读写操作，甚至可以控制对某段、某页，甚至某个字节的读写操作。为数据存储和固件的现场升级带来了极大的灵活性，既可以利用单片机的串口接到电脑的RS232口，也可以通过现有的Internet或其他通讯方式很方便地实现远端升级和维护。

不同的微控制器实现远程程序升级包括2种方法，①内嵌在应用可编程IAP函数的单片机，如LPC系列ARM7，只需通过调用该函数就可以完成远程程序升级；②不具备在应用可编程函数，但具有在运行时擦写内部程序存储器（Flash）功能的单片机，如本文研究的PIC系列单片机PIC18F258，该款单片机是核电厂电气控制机柜控制单元常用的芯片，主要优势是稳定性好，符合核安全法规要求，需要将单片机存储器的某段空间制作成引导区，用于对其他存储空间进行读取、擦除、写入操作，相当于重新编写IAP函数。

当PIC单片机需要升级程序时，设计者将调试后编译器生成的16进制程序代码通过上位机软件按照规定的协议编码，然后将编码后的数据包由无线调制解调器通过GPRS网络发给与另1台无线调制解调器相连的PIC单片机，通过UART口接收到的数据包按照协议解码并临时存储到数据存储器（RAM），再通过其他串行总线如SPI发送至外部存储器保存。当全部程序接收完成后，在引导区程序的控制下，PIC单片机通过串行总线将外部存储器中的待更新程序分批读入RAM再写入应用程序区，当程序全部更新完成后，复位单片机使其运行新的程序，自此远程程序升级全部完成。远程程序升级的原理（图1）。

图1 远程程序升级原理

2 硬件系统设计

以PIC18F258为例设计远程升级程序的硬件系统，此款单片机具有1.5 KB RAM和32 KB Flash，因此在程序更新过程中需要外接存储器临时存放待更新的程序，选择AT45DB161作为外部存储器，该芯片具有16 MB存储空间，采用SPI串行总线接口满足本系统的设计要求，该系列的大容量版本广泛用于制作SD卡。无线传输网络采用GPRS网络，无线传输模块采用摩托罗拉公司的G24模块，该模块在安装手机卡后，由上、下位机通过RS232接口发送AT指令控制，利用GPRS或GSM网络建立连接发送数据，上位机通过MAX232芯片与G24通信。系统硬件原理（图2）。

图2 系统硬件原理

3 软件系统设计

3.1 传输协议的设计

PIC单片机程序的准确传输是本设计的重点。编译器生成的16进制文件包含程序和程序在Flash中的存储地址，因此要将这2部分内容准确地传给下位机。由于较短的帧格式容易校验，误码率低且出现错误后重新发送的时间较短，因此需要将源代码进行拆分并通过数据帧发送程序地址和程序内容。为验证传输结果的正确性采用校验和验证接收到的数据，每次接收到不同的帧时，下位机均需回复是否正确接收，如出现错误上位机会重新发送。本系统设计的上位机发送帧格式（表1），下位机回复帧格式（表2）。

3.2 上位机软件设计

本系统上位机软件采用C++语言编制，编译环境为VC++ 6.0。上位机软件的主要功能是将单片机编译器生成的16进制程序代码按照规定的协议进行编码，并通过GPRS无线网络将编码后的数据包发给PIC单片机。由于PIC单片机数据存储器容量较小，不能一次存储全部待更新程序，因此要对源程序进行拆分发送，每个数据帧包括128字节的程序。上位机软件主要包括系统初始化模块、单片机程序编码模块和数据包发送模块3部分。系统初始化模块包括串口初始化和G24模块初始化2部分，G24模块的控制通过AT指令实现。本系统规定编码后的数据包共分4种：起始帧、数据帧、结束帧和执行帧。在编码完成后上位机软件就可以将要更新的程序逐一地发给下位机，且在每次发送数据包后，都要求下位机进行回应以验证数据传输的正确性。当数据传输错误时，下位机会向上位机发送错误帧以请求重新发送。上位机还会记录程序更新的起始时间、终止时间、程序大小和数据包类型。上位机软件流程见图3。

图3 上位机软件流程

3.3 下位机软件设计

本系统下位机软件采用C语言编制，编译环境为PICC。主要功能包括初始化系统，使用G24模块接收上位机传来的数据，对接收到的数据进行校验，将每帧数据进行解码，将代码写入Flash指定地址并复位单片机运行新程序。下位机软件的总体流程（图4）。

图4 下位机软件流程

下位机与上位机的无线传输通过G24模块实现，该模块通过AT指令控制。在程序初始化时，为方便对接收数据的判断，使用ATE0V0命令简化 G24对每条指令的回复内容。为了防止打错电话等情况的发生，每次更新前先通过AT+CMGF指令短信通知 PIC单片机，再通过ATD+电话号码建立数据连接，然后根据协议传输数据包，当数据全部传输完成后延时3 s时间，发送+++指令断开网络连接，之后使用ATH指令挂机，从而完成全部操作。

要实现PIC单片机在线擦写Flash就要将下位机程序分为2部分：应用程序和引导程序，引导程序要固定在Flash的某一特定存储区内，以防误擦除。PIC18F258共有32 K程序存储器，地址空间为0000h～7fffh，复位向量地址0000h。本系统将地址5000h～7fffh的程序存储区设定为引导程序存储区，用于在线擦写Flash，其他应用程序由编译器自动分配地址，引导区地址可以根据引导程序的大小自行设置。程序更新主要分为准备阶段和实施阶段。准备阶段是将上位机发来的分段程序解码并存入外部存储器，当程序全部传完后准备阶段结束。实施阶段首先将要更新程序的Flash地址内所有内容擦除并确认该空间无数据，然后将新的程序写入该地址空间，最后复位单片机使其运行新的程序。PIC单片机在线擦写Flash主要通过TBLPTRU，TBLPTRL，TBLPTRH，TABLAT，TBLWT的5个寄存器实现。写Flash的顺序为向TBLPTRU，TBLPTRL，TBLPTRH的3个寄存器赋值，确定程序在Flash中的地址；设置EECON1寄存器为0x90允许Flash编程；WREN寄存器设置为1允许写Flash；TABLAT赋值向Flash中写入的数据，EECON2设置为0x55和0xAA，WR设置为1开始写Flash；WREN和SWDTEN设置为0写Flash结束。

表1 上位机编码协议格式

表2 下位机编码协议格式

4 结论

为了降低PIC单片机程序更新的难度，减少所需的人力物力，设计并实现一种核电厂配电柜常用的PIC单片机远程程序升级的方法。该方法从编译器获得待更新程序，通过GPRS网络使上位机与单片机建立点对点连接，然后用规定的数据格式将程序代码传给单片机，单片机先将分段程序存入外部存储器，然后通过在线擦写Flash的方法更新程序。为保证数据的可靠性，采用校验和方法及特定的传输协议提高数据传输的准确性。不仅适用于PIC单片机，也适用于具有在线擦写Flash功能的单片机进行远程程序升级。

［1］孙鑫，余安平.VC++深入详解［M］.北京:电子工业出版社，2006.

［2］李荣正，王诚杰，戴国银.PIC单片机原理及应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2010.

［3］李景峰，杨丽娜，潘恒.Visual C++串口通信技术详解［M］.北京:机械工业出版社，2010.

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〔编辑 王永洲〕