实现基于GPRS的无线远程IAP功能

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:介绍IAP功能及其相关应用,以及采用GPRS远程实现IAP功能的现实意义;结合某地区地下水远程监控系统,着重阐述采用GPRS网络远程执行IAP升级系统的思想和实现方法,以及应用中应注意的一些关键技术;论述采用GPRS通信简单实用的应用层协议设计的方法,重点强调通信中校验码和重传机制;讨论影响本系统远程IAP升级可靠性的一些因素和所采取的针对性解决办法。 关键词:GPRS IAP 远程升级 在线编程 远程监控 引 言   针对地下水资源已经严重透支,水资源受到严重破坏的问题设计本系统,目的就是为了监控农用机井的用水情况。农用机井分布站点广,站点之间距离几十m到一两百km,采用人工抄表监控会浪费大量的人力和物力,而且实时性差。以前采用GSM方式也存在实时性差、控制困难的问题。   目前,对此类问题可靠的、现实的解决方案就是,将现场设备接入Internet上的服务器,在上层实现实时监控、管理;但是现场没有专门Internet接入点和设备。采用GPRS接入Internet进行远程数据传输,是近两年企业、研究所等科研机构的热门课题。随着GPRS技术的日益成熟,GPRS已经成功地应用在远程抄表、夜灯照明、油田监测、自动测量、智能仪表等不方便甚至根本不可能人工操作的远程数据传输系统中。因此,本系统选用GPRS和GSM混合工作模式:在网络状况通畅的情况使用GPRS工作模式;反之可以切换到GSM工作模式。每个站点数据传输终端定时登陆到GPRS,接入Internet上的主机服务器,把采集数据和站点状态下载到服务器硬盘上;上层采用B/S浏览器方式供地级、区级、市级等不同级别设置权限浏览;同时可以随时监控站点的实时状态,报告实时现场状况,调用系统历史数据信息。   市场的机遇和应用技术的成熟常常是一对矛盾,尤其对于GPRS这类新技术,通常不得不一边开拓市场一边完善技术。然而实践是检验真理的唯一标准。系统交接使用之后,用户反馈一些改善功能的意见,另外,长时间使用之后,终端程序隐藏的“bug”也可能会随之浮出水面。这就需要对数据传输终端的程序进行升级,但是设想一下,假如投入使用了200个站点,就算用ISP现场在线编程,工作人员得到每个站点把程序更新一遍。不但浪费大量的人力、物力,而且直接贻误了开辟市场的时机,对企业造成的后果可能是致命的。   本设计方案就是应用在此类GPRS远程监控系统上,融合GPRS网络通信技术解决数据传输终端程序升级问题的。 1 IAP功能简介与系统应用   IAP(InApplication Programming)是应用在Flash程序存储器的一种编程模式。简单地说就是在应用程序控制下,对程序某段存储空间进行读取、擦除、写入操作。与ISP(InSystemProgramming)操作非常相似,都不需要从电路板上取下芯片用编程器烧写再安装上去运行新程序,即具有在线编程功能。但是它们有其不同点:ISP通常是整片擦除、编程,在手工操作下通过PC串口下载程序到Flash,需要简单的硬件资源——串口RX、TX和RS232驱动芯片;而IAP却是在某段程序的控制下对另外一段程序Flash进行读写操作,可以控制对某段、某页甚至某个字节的读写操作。 根据IAP的功能特点,可以制作仿真软件替代仿真器功能。在PC上做个简单的界面应用程序就可以直接实现用户程序在线仿真:设置断点、单步运行、改变运行结果调试等功能。同理,根据ISP的功能特点可以替代编程器。本系统就是把IAP模式融入到GPRS通信系统中,用GPRS远程升级指定目标芯片的软件。 2 IAP功能系统架构   IAP功能系统架构如图1所示。              图1系统架构 (只标示与IAP功能相关部分)   P89LPC936是Philips公司推出的一款高稳定性、多功能的51内核MCU;集成了I2C总线,读写操作I2C器件FM24C256速度快、稳定性高;增强型UART,具有帧错误检测、帧间隔检测、可选双缓冲、接收和发送中断可选分开等强大串口通信功能,增强了和GPRS模块串口通信的可靠性;内置AD/DA转换器;16 KB Flash存取器,支持ISP和IAP;采用TSSOP28或HWQFN28低成本封装。设计系统的外围电路可以减少到最少,不但提高了系统的性能,甚至可以IAP升级终端部分功能而不用改变外围硬件电路。   FM24C256,256 Kb的FRAM (铁电存储器),兼有ROM的掉电数据保存特性和RAM的读写速度和次数,读写次数达到1000亿次,采用I2C总线读写操作,使用稳定可靠;用8脚SOIC封装,与MCU的接口电路简单、通信可靠。通信速率0~400 kHz可调。P89LPC936的I2SCLH和I2SCLL 两个SFR的值就是确定串行时钟发生器占空比。本系统选择7.372 8 MHz晶振,I2SCLH=I2SCLL=75,I2C速率为25 Kbps。   GPRS模块使用WAVECOM公司生产的Q2406B,双频GPRS/GSM模块(EGSM900/1 800 MHz或EGSM900/1 900 MHz),内置TCP/IP,与标准AT指令完全兼容;其设计开发符合ETSI GSM Phase 2+标准。本系统模块使用9.6 kbps波特率,而模块出厂波特率为115 200 bps,用串口终端初始化模块时,特别要注意这一点。                  图2IAP功能实现工作状态 3 IAP功能的软件编程 3.1系统工作状态分析 ① 用户程序工作状态,在远程数据传输系统中,用户程序完成数据采集、存储、发送,系统监控、报警,接收执行上位机设置、控制命令等正常用户功能。 ② IAP工作状态,如图2所示。上位机发送升级程序信令,数传终端收到并回复确认信息后,开始等待下载信令;收到正确下载信令后开始下载代码到FM24C256暂存。按帧顺序号发送、接收数据,校验帧的正确性,采用握手数据流保证每帧完全正确接收、存储。代码发送完毕后,发送下载完毕信令,包括代码总长度和块校验码;每阶段都采取延时处理:延时时间到继续重发过程三次,还没收到就报告出错信息,强行下线,切换到待升级用户程序运行。如果通信正常,就进入最关键一步——Flash擦除和编程。   Philips在P89LPC936地址FF00H~FFFFH的空间里固化一个256字节的引导ROM,所有MCU对内部Flash的操作都可以调用这个子程序完成。使用IAP功能时就是提供这个子程序的入口参数(参考Philips的数据手册),然后调用程序的入口地址FF00H,就可以实现读、写、擦除Flash。擦除、编程Flash时需要关闭所有中断,不能对同一块Flash同时进行擦除和编程,而且编程之前要先把扇区清除。对Flash的扇区进行擦除操作的程序清单(入口参数A、R7、R4和R5,返回参数(F0(C)、R7)如下:ERASE_FLASH: MOVA,#04H  ; A为操作类型(A=04H,告诉IAP        ; 执行的是擦除操作) MOVR7,#01H  ; R7删除操作方式(00H表示删除        ; 页;01H表示删除扇区) MOVR4,#HIGH ; 操作的Flash地址高8位 MOVR5,#LOW  ; 操作的Flash地址低8位 LCALLFF00H JCERASE_FLASH; F0(C): 0表示擦除成功,1表示        ; 擦除失败 3.2IAP功能系统SFR配置 (1) 用户保密扇区设置MOVSEC6,#04H;禁止对Flash扇区6的擦除 MOVSEC7,#04H;禁止对Flash扇区7的擦除 扇区6和扇区7代码是控制擦除、编程Flash。为保证不被误操作,只允许在出厂时用专门的编程器擦写。 (2) IAP特许关键值设置 执行擦除或写Flash的IAP功能,需要在调用IAP功能程序前,把96H写入RAM单元FFH来设置特许关键值。程序代码如下:MOVR0,#0FFH MOV@R0,#96HIAP程序处理完功能调用后,特许关键值被清除。因此在每次调用IAP功能程序前必须设置特许关键值。 3.3IAP功能实现流程   IAP功能实现流程如图3、图4所示。flagIAP为下载程序完毕,并且校验码确认后,准备擦写Flash的标志。在FM24C256开辟单元存储功能很重要:在程序擦写发生异常,如掉电复位,可以在程序启动后,与上位机确认擦写后,继续完成升级任务。每次编程的字节数和上位机传输的1帧数据中,代码字节数保持一致,帧序号数表示程序分成多少帧传输和多少次编程操作。 3.4协议设计   GPRS网络速度理论上有117 kbps,实际上远远没达到;GPRS与Internet连接建立后,进入数据透明传输阶段。本系统在完善的TCP/IP机制基础上设计用户应用层协议。为实现对系统某个终端的系统软件升级,可将要升级的程序代码通过写码软件转化为系统信令,接入Internet到GPRS网络,透明传输下载到目标数传终端。本系统的信令格式采用如下代码帧格式:                              图3主程序   开始信令帧和结束信令帧代码数据段都是FFH。同步码设置为AAH,55H;字节长度(1B)表示此数据帧包含代码数据的字节数,通常小于64;下载目标地址(5B)设定为出厂ID号,赋予一个特定代码含义,只有校验ID号正确后数据传输终端才可能接收命令,而且是唯一标识,不可改变;从安全性出发,本系统中设置为出厂日期和编号的组合:0501160000表示2005年1月16号出厂的第一个产品。帧序号(1B)表明此次升级程序分成的传送帧数,在命令传送过程中,此域为00H。控制字段(1B)表示传送的是操作命令还是数据。结束码设置55H,AAH。数据传输终端上行和下行数据格式完全相同,上行响应数据除代码数据段不同之外,其他字段都是下行控制数据的复制,实现数据流控制。 4 IAP功能可靠性探讨   系统升级过程不免受到环境的干扰,如系统断电或网络通信阻塞、故障等意外事故,而导致IAP升级失败。因此必须有一套可靠的软、硬件机制来保障IAP的完全正常工作。以下介绍本系统所采取的一些措施: ① 掉电情况处理。现场环境的电网波动相当大,而且经常性停电,甚至影响到系统的正常工作。可采用蓄电池供电,提供稳定的、可靠的工作电源;外加一充电板电路,能在有电的时候直接给电路充电。此外,软件上还做了完善的握手机制,信令设置回执,确保通信正确不会发生误操作;下载和擦写Flash部分时序上隔离,网络通信性能和掉电异常对系统正常工作的影响减到最小。                                   图4中断程序 ② 数据传输过程产生的误码。通用的、有效的解决办法就是用CRC循环冗余效验和重传机制。数据校验码正确后存入FM24C256,错误或超时就发帧序号请求重发,直到检测到结束帧。 3823 最后一帧数据长度不够就用FFH填满一帧发送。 ③ 数据传输过程大延迟或阻塞情况处理。数据传输采用超时处理,三次握手失败,作异常处理机制。 该技术方案从根本上解决了本系统现场升级困难的问题,大大提高了系统的可维护性,加速了新产品上市时间,可以提供更快、更完美的用户服务,增强产品的市场竞争力。以GPRS网络为载体,在广大接入Internet困难的监控现场或农村地区,该技术提出了一个解决方案。                   参考文献 1 Philips P89LPC936 Data Sheets 2 Forouzan Behrouz A, Sophia Chung Fegan. TCP/IP协议族.第2版.谢希仁译.北京:清华大学出版社,2003

关键字:实现  gprs  无线  远程

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