基于USB的列车车载类设备软件升级技术研究

杨玉春，苏燕辰，伍川辉，燕春光

（1.西南交通大学 机械工程学院，成都 610031；2.中车唐山机车车辆有限公司，唐山 063035）

近年来，高速列车集成了越来越多的电子设备，例如车载视频监控、故障诊断设备、失稳平稳监控设备、弓网监控设备等。当前电子设备软件升级是通过以太网、CAN总线、串口等通信接口实现在线升级，同济大学石盼等人提出基于以太网接口的 IAP（In Application Programming）远程升级技术[1]，该技术优点是传输速度快；南京邮电大学王琦和李龙光等人提出基于CAN总线的程序在线升级技术[2-3]；东南大学提出基于串口的应用程序在线升级技术[4]。以上技术均是在线升级技术，需要携带电脑和专用通信线缆，连接设备和电脑后在线完成设备升级，该类方式操作不够便捷，且串口和CAN的实际数据传输速率相对较低。由于列车车载设备数量众多、操作环境复杂、不便拆卸等原因，这种在线升级的方式对工作人员来说无疑是一件繁重的工作。本文以STM32F407为主控芯片，进行基于USB的列车车载设备软件升级的技术研究，提出一种传输速率更快的，基于USB 2.0通信的离线升级技术，利用便携式U盘对多个车载电子设备进行软件升级，工作人员只需携带装有bin文件的U盘，插入对应主机上，便可实现对整列车的同系列设备的软件升级。

1 STM32和USB介绍

1.1 STM32F407处理器介绍

STM32F407芯片是32位低功耗、高性能的处理器，该处理器基于ARM Cottex–M4内核，集成FPU和DSP指令，支持浮点运算，其CPU工作频率达168 MHz，Flash为1 024 K，SRAM为192 K，具有丰富的资源（定时器、内部存储、CAN、485、USB、以太网、串口等）。该处理器使用新内核的Thumb–2指令集，使设计人员可以把代码容量降低45%，把应用软件所需内存容量降低了近一半[5]。STM32F407内部自带USB OTG FS控制器和USB OTG HS控制器，支持高速HS（USB2.0，传输速率480 Mbps）、全速FS（USB1.1，传输速率12 Mbps）和低速（USB1.0，传输速率1.5 Mbps）传输。

1.2 USB总线介绍

USB是一种串行总线通信方式，具有速率高、支持热插拔、性能可靠、价格低廉和易于扩展等特点[6]。（1）速率高，目前的USB 2.0标准支持传输速率达到480 Mbps，能很好地满足大部分的接口需求；（2）支持热插拔，即插即用；（3）易于扩展，通过USB集线器，1个USB主控制器上最多可以连接126个外设；（4）性能可靠，USB系统通过规范的硬件设计和USB协议中完善的数据错误检测机制来确保数据准确无误地发送和接收[7]。

2 USB通信协议

USB外接设备从插入主机到拔出的整个过程中，共有6种状态，包括：连接态、上电态、缺省态、地址态、配置态、挂起态[8]，这个过程称为枚举过程。

2.1 枚举过程

当一个USB外接设备被挂接到总线上时,主机通过枚举过程识别和管理新加入的设备，这个过程使得USB外接设备支持热插拔[9]。图1展示了枚举过程的转换流程及转化条件，状态切换的因素包括硬件电平变化和设备软件或主机软件的设置[10]。

图1 外接设备枚举转换过程示意图

（1）连接状态，USB外接设备通过USB接口连接主机或Hub，进而改变总线电平，总线由此判断有新设备接入。

（2）上电状态，USB外接设备连接后，总线给其供电，但由于设备未被分配地址，尚不能进行通信，该状态称为供电状态。

（3）缺省状态，USB外接设备插入接口等待100 ms，待供电稳定后，主机给端口发送复位命令，完成寄存器复位后，给设备分配地址0，该地址为USB总线公共地址，称为缺省地址。此时，USB外接设备可通过该地址与主机通信，完成设备配置。

（4）地址状态，主机通过缺省地址0与USB外接设备通信，获取设备描述符、配置参数、配置通道，同时配一个总线地址，之后各种数据传输都是通过该地址。USB外接设备获得唯一地址的状态称为地址状态。

（5）配置状态，主机获得设备描述符之后，开始配置USB外接设备，此时设备处于配置状态。

（6）挂起状态，当总线无任何活动的时间达到3 ms，USB外接设备将自动切换为低功耗挂起状态，此时，USB接口处电流小于0.5 mA，USB接口保持其地址信息和配置信息，等待总线活动将其唤醒。

2.2 USB的通信流

主机与USB外接设备通信是通过端点和管道来实现的，主机缓冲区和设备端点间的通信数据形成通信流。USB通信流如图2所示。

（1）端点：USB外接设备端点是设备的标识。设备端点号有多个，设备地址只有一个。端点按种类分为输入、输出端点；按功能分为0端点和非0端点。

（2）管道：管道是主机存储缓冲器与设备端点间进行数据传输的通道[11]。主机与设备0端点进行通信的管道称为缺省管道。

2.3 USB接口电路设计

很多车载监控设备需进行高速数据传输，故选用USB OTG HS通信模式，外接PHY芯片。本文选用USB 3300芯片作为USB通信的物理芯片，该芯片兼容USB 2.0协议，传输速率最高达480 Mbps，采用并行接口与STM32F407连接，可实现数据快速交互；外接24 MHz晶振，将DP和DM引脚连接至USB–A型接口完成数据传输。USB电路设计如图3所示。

图2 USB通信流示意图

图3 USB电路设计图

3 IAP技术

3.1 IAP实现原理

IAP技术将F1ash映射为System Memory和User Flash Memory 2个存储体。当运行System Memory存储体上的IAP程序时，可对User Flash Memory存储体重新烧写[12]，这样做是方便在使用一段时间后，通过预留的接口（USB、CAN、USART等）对产品进行升级。实现IAP时，需要设计2个程序，即IAP程序和App程序，IAP程序通过特定通信方式接收App程序，将App程序存储到指定位置，实现程序更新；App程序是功能程序，用于实现设备的功能。

3.2 IAP工作模式

程序一般存放在STM32内部Flash中，IAP程序从最低位置（0X08000000）开始存放，App程序通过USB接口读入并存储在IAP程序的后面。加载IAP程序后，程序运行流程如图4所示。STM32F407控制器复位后，从0X08000004处取出IAP复位中断向量的地址，如标号①所示，并跳转到IAP复位中断服务程序执行；执行完后，跳转到0X08000004+N的位置执行IAP中main函数，如标号②所示；IAP中main函数读取App更新标志，如标号③所示，并判断是否需要升级，若需要升级，则读取IAP升级程序，并存储到Flash的0X08010000位置[13]，如果不需要，则直接执行App程序，如标号④所示；从0X08000004+N+M位置读取App复位中断向量的地址，并跳转到对应复位中断服务程序执行，之后跳转到App main函数执行用户程序，如标号⑤所示[14]。在App main函数执行过程中，如果接收到1个中断请求，PC指针强制跳转到0X08000004中断向量表位置，如标号⑥所示，之后程序再根据App程序偏移量，跳转到对应中断服务程序，如标号⑦所示[15]。中断服务程序执行结束后，返回到App main函数继续执行应用程序，如标号⑧所示。

4 软件升级实现

4.1 底包程序设计

在车载设备的IAP设计过程中，采用USB接口进行通信。（1）执行IAP程序中的USB驱动程序，初始化USB接口，并连接U盘；（2）挂载FAT32文件系统，实现对U盘的读写操作，并检测U盘中是否存在bin文件；（3）IAP程序通过USB接口读取提前配置并存储在U盘中的升级程序，将升级程序存储到Flash的0X08010000位置，升级后IAP跳转到App程序位置开始执行新版App。

以上过程中，若存在U盘连接失败、文件系统挂载失败、bin文件读取失败或校验不通过等情况，则视为升级失败，执行系统复位；若U盘中不存在bin文件，则会跳到Flash0x08010000位置继续执行旧版应用程序。具体升级过程如图5所示。

图4 加载IAP后程序运行流程图

4.2 升级程序生成过程

底包程序采用Keil 5开发平台搭建，Keil 5一般生成hex文件，但系统升级需使用bin文件。bin文件生成需3个步骤，包括：配置升级程序起始地址、配置中断向量表偏移量、运行fromelf.exe。

4.2.1 升级程序起始地址设置方法

升级程序偏移地址设置过程为，打开Options for Target 配置软件，点击Target 选项卡，软件界面如图6所示，在该界面设置App程序起始地址为0X08010000，即偏移量为0X10000。STM32F4系列芯片内部Flash大小为1 024 KB，留给App的存储空间为0X08010000～0X08100000（960 KB）；留给IAP的存储空间为：0X08000000～0X0800FFFF（64 KB）。

图5 车载设备软件升级流程图

图6 升级程序起始地址设置界面示意图

4.2.2 中断向量表偏移量设置方法

（1）中断向量表设置函数

NVIC_SetVectorTable(uint32 NVIC_VecTab,uint32 Offset)

（2）IAP中断向量表设置

NVIC_SetVectorTable(0x08000000,0x00)

//IAP偏移量为0

（3）App中断向量表设置

4.3 软件升级技术关键点

（1）软件升级完成时，在从IAP程序跳转到App程序之前，必须复位嵌套向量中断控制器（NVIC，Nested Vectored Interrupt Controller ），防止跳转过程中出现中断，导致应用程序运行失败。

（2）在App程序初始化时需正确设置NVIC向量表，将NVIC向量表映射到App程序起始地址；

（3）实现IAP程序过程中，必须正确处理计时器的清零操作，特别是在bin文件读和写、Flash擦除和编程过程中，要充分考虑计时器清零时间，在程序关键位置清零，一般在while循环函数中进行计时器清零操作。

5 结束语

本文详细分析了IAP和USB通信协议的技术要点，实现了基于USB通信的车载设备软件升级程序，通过装有bin文件的U盘，就可完成整列车同系列产品的软件升级任务，显著降低了工作量。自带USB协议接口的电子设备使用该技术不需要增加额外成本，只需通过软件的更改，就可实现产品的升级和功能的修复。目前，该技术已应用于走行部故障诊断、平稳失稳在线监测等车载设备的系统升级。未来可探索该技术在智能家居、消费电子等更广泛的物联网应用场所的应用。