嵌入式设备远程在线升级技术的研究

摘要：介绍了嵌入式系统远程在线升级的工作原理，并详细阐述了系统硬件平台及软件的设计原理，提出了基于Internet通信方式的嵌入式系统远程在线升级的方案，并对该方案进行了测试，测试结果表明：该方案具有较高的升级成功率和较快的升级速度。
关键词：在线升级；TCP通信协议；嵌入式系统；在应用编程

随着电子技术、通信技术以及计算机技术的迅猛发展，嵌入式系统已经广泛应用于各领域，各种行业对嵌入式设备的系统功能、性能以及规模的要求都在日益提高，开发者必须能够针对客户的需求及时对系统进行维护和升级，以延长系统的使用周期，改善系统的性能。目前远程升级方式主要有：采用Boot加双Loader的结构式设计实现系统的完整升级、基于TFTP(Trivial File Transfer Protocol)协议的ARM软件远程更新系统等。笔者对基于LM3S6965微控制器的嵌入式系统软件远程在线升级技术进行研究，并提出了一种已成功验证的在线升级实现方法，该方法对减少嵌入式设备的维护成本、提高设备的工作效率具有很重要的现实意义。

1 嵌入式系统功能及在线升级原理
1．1 嵌入式系统的功能
嵌入式系统的运行主要分为工作模式和升级模式，其中工作模式为默认模式，工作模式指设备正常工作状态，嵌入式系统按预定的程序完成相应的测控任务，并且通过internet、GPRS等方式向监控管理中心上报监测参数。升级模式是指嵌入式处于升级状态，包括接收服务器发送的程序代码，以及在flash区域固化程序代码等。
1．2 远程在线升级原理
整个升级系统主要由服务器和远程终端组成，其中远程终端包括基于ARM内核的嵌入式控制芯片和Modem模块。二者之间通过RS232总线连接，服务器与远程终端通过Internet进行通信。系统结构如图1所示。

服务器作为软件升级任务的主动发起者，首先向嵌入式系统发送升级命令，嵌入式系统在硬件启动后，首先执行引导程序Bootloader进行一系列的初始化操作，同时选择执行升级控制程序，待服务器接收到嵌入式系统的确认升级回复后即开始发送升级程序代码，在发送升级程序代码前，服务器会将这些代码拆分成固定长度的多个数据单元，以每个数据单元为核心组成数据包(数据包内容包含数据包头标志、命令头、包序列、数据单元、CRC校验码、数据包尾标志、总包数等)，嵌入式系统每接收到一个数据包，都将返回确认信息，若数据包校验无误，则在规定的FLASH区域进行旧程序的擦除以及新程序的复制，从而达到远程终端的嵌入式系统软件的在线升级目的。在线升级实现流程如图2所示。

2 嵌入式系统在线升级的设计
2．1 硬件平台
笔者设计的嵌入式系统，其硬件结构主要包括一个片外EEPROM、微处理器LM3S6965及相应的接口电路。LM3S6965处理器是Luminary Micro公司生产的Stellaris系列微控制器，该芯片内部具有256 kB FLASH和64 kB SRAM，LM3S6965芯片能够提供高效的性能，广泛的集成功能，适用于各种关注成本并明确要求具有过程控制以及连接能力的应用方案，此微处理器是针对工业的应用方案而设计的，这些方案包括远程监控、测试和测量设备等。