实现基于GPRS的无线远程IAP功能

来源：单片机及嵌入式系统应用  作者：胡静静

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lAP功能相关部分)P89LPC936是PhiIips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O～400 kHz可调。P89LP(2936的12SCLH和。12SCLL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，12SCLH=12SCLL=75，12C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。

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。
    ②IAP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FM24C2256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：
    MOV A，#04H                    ；A为操作类型(A=04H，告诉IAP 
                                               ；执行的是擦除操作)
    MOV R7，#01H                   ；R7删除操作方式(00H表示删除
                                               ；页；01H表示删除扇区)
    MOV R4，#HIGH                 ；操作的Flash地址高8位
    M0v R5，#L0w                   ；操作的Flash地址低8位
    LCALL FF00H
    JC ERASE_FLASH                ；FO(C)：O表示擦除成功，1表示
                                         ；擦除失败
3.2 IAP功能系统SFR配置
(1)用户保密扇区设置
    MOV SEC6，#04H；禁止对Flash扇区6的擦除
    MOV SEC7，#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：
    MOV RO，#OFFH
    MOV @RO，#96H
    IAP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。
3.3 lAP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11 7 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：

    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OOH。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 lAP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。
    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。

    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。

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