基于CAN 总线的矿用传感器远程在线升级功能设计

宋益东

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122）

矿用传感器是煤矿安全监控系统中最末端的感知设备，是监控系统中所有的数据来源。目前煤矿在用模拟量传感器均为数字化智能传感器[1-2]，随着煤矿开采自动化程度的提高，不可避免的涉及到传感器固件程序升级问题。传统的方式是传感器部分或全部从井下拿到地面，固件升级后再返到井下进行安装。矿用传感器使用量非常大，并且在井下分布比较分散且大部分在采掘工作面，距离地面中心站较远，采用传统的方式效率比较低，并且更换甲烷等传感器需要切断工作面的动力电，给煤矿的安全生产带来影响，所以在线升级[3]固件程序是一个很好的解决方案，在煤矿机电设备检修的间隙，通过井下工业环网将需要升级的固件程序下发到监控分站，由监控分站通过总线[4-6]发送到传感器，从而实现煤矿井下传感器的在线升级。

1 矿用传感器在线远程升级组成结构

1.1 系统组成

系统主要由地面中心站服务器、环网交换机、矿用监控分站、矿用传感器及执行器等组成。中心站服务器与矿用分站通过以太网光纤网络连接，矿用分站和矿用传感器之间通过CAN 总线连接，升级固件程序通过中心站通过以太网下载到矿用分站中，矿用分站通过CAN 总线传输给矿用传感器，系统组成结构图如图1。

图1 系统组成结构图Fig.1 System composition structure

1.2 矿用传感器

矿用传感器主要由STM32F103Rx[7]处理器、稳压电源电路、晶振电路、复位电路、CAN 总线通信电路、ADC 转换外围电路、红外遥控电路及LEC 显示电路组成。矿用传感器结构如图2，STM32F103 为Cortex-M3[8]内核，具有成本低、功耗低、高性能、实时性好等特点。片上资源比较丰富，包括1 路CAN 通信接口，5 个USART 接口、JTAG 调试口，4 个16 位定时器、3 路ADC 通道等;片内具有256KB 的Flash和48KB 的SRAM。

图2 传感器组成结构图Fig.2 Sensor structure diagram

3 在线升级技术

在线升级是指MCU 中运行的固件程序在运行过程中对实现对片内代码存储Flash 的擦除、编程,新的固件程序通过CAN 总线通讯接口下载到MCU的Flash 中，IAP[9-10]技术可以对存储固件程序的Flash 区域进行重新烧写然后利用IAP 功能实现在线更新矿用传感器固件。因此，利用IAP 技术可以方便地通过CAN 总线通信口对矿用传感器中的固件程序进行远程更新升级。和传统方式相比，基于IAP 技术的固件升级不需要到井下替换传感器，不需要打开外壳，不需要使用下载器等。

3.1 Flash 存储器分区及在线升级过程

STM32F103RCT6 的片内Flash 写保护以扇区为单位，每扇区4 KB，根据Flash 容量不同，页大小分为1 KB 和2 KB，本文用处理器页大小为2 KB 。也就是对FLASH 的编程写入以2 KB 为单位，本设计传输协议制定也以此为单位进行数据传输。处理器片内256 K 的Flash 划分为3 个区域：第1 区域用来存储Bootloader 程序，包括Flash 操作相关程序、中断向量，硬件驱动、通信协议驱动等；第2 区域用来存储正常运行的固件程序；第3 区域存储固件升级程序，片上FLASH 存储器分区如图3。根据矿用传感器固件大小进行容量划分，矿用传感器固件为28 KB，相对于256 K 的Flash 有很大的预留空间，每一区域中间可以预留一定的空白区域，防止区域程序重叠。通过修改STM32F103 的Bootloader 程序或工程的链接脚本可以修改程序存储的起始地址。

图3 片上Flash 存储器分区Fig.3 Flash memory partition on a chip

矿用传感器在出厂时是将Bootloader 配置程序烧写到Flash 的第1 部分，并对该区域进行读写保护，防止升级过程中的误操作把Bootloader 程序擦除。第1 区域引导程序只能通过下载器编程；第2 区域的固件应用程序通过在线方式编程或下载器编程；第3 区域升级更新程序通过IAP 在线方式编程。当矿用传感器需要进行固件升级时，用户固件程序跳转到Bootloader 程序，Bootloader 程序不需要对旧版本的用户固件程序进行擦除，直接将新版本的用户固件程序通过CAN 总线接口下载到第3 区域的Flash 中，通过将中断向量表从新映射，使Bootloader程序跳转到第3 区域进行运行，从而完成固件程序的更新。

3.2 CAN 总线传输协议及效验机制

CAN 总线协议[5]分为远程帧和数据帧，远程帧多用于命令传递，数据帧用于数据传输，数据帧格式分为标准帧格式和扩展帧格式，标准帧为11 位标识符，扩展帧为29 位标识符，设计矿用传感器CAN总线通信协议以CAN2.0A 标准帧为主，对CAN2.0A帧结构进行了从新划分，对仲裁段的标识符和数据段中的数据场进行了从新划分。CAN2.0A 链路层标准帧数据结构包括帧起始、仲裁段、控制端、数据段、CRC 校验段、ACK 应答段和帧结束。

CAN 总线在线升级的关键是要设计CAN 总线应用层协议，通信协议设计的重点是CAN 标识符的分配与设计，所设计的应用层协议将CAN 协议中的11bit 标识符区域划分为3 个部分, 标识符区域划分表见表1。

表1 标识符区域划分表Table 1 Identifier area division table

在矿用传感器升级协议中，ID10-ID6 这8 位填充接收数据传感器地址；ID3-ID1 这3 位为命令类型码；ID0 为帧类型占用1 位，单帧数据用0 表示，多帧数据用1 表示。单帧数据主要应用于升级命令类，包括：数据包、升级申请，信息应答，错误应答等；多帧数据每帧数据的第1 个字节为帧序，第2 个字节以后为升级固件数据，构固件程序升级数据格式见表2。每个数据包为固定的1 024 字节数据，当接收完2 包数据后进行FLASH 写入操作，这是因为利用IAP 技术进行擦除或者写入时，每次对片上FLASH 编程的字节数为固定的2 048 字节。

4 在线升级程序流程

矿用传感器在线升级流程如图4。

在正常执行应用程序的过程中，当接收到矿用分站固件升级指令后，程序跳转到Bootloader 执行IAP 程序，当矿用分站接收到返回指令后，逐帧发送有效数据到矿用传感器，传感器每接收1 帧升级数据都会检验其目标地址合法性、数据完整性等信息，对于有效的升级固件数据，系统将按照目标地址写入SRAM 的待写入区。当接收2 包固件数据为2 048 字节后，为了节省SRAM 资源占用，将1 页2 KB 数据写入FLASH,待写入成功后，返回写入成功信息给矿用分站，分站继续发送固件数据，一直到所以固件程序发送完成。待更新代码全部写入备份区后，通过更新中断向量表从新映射，实现程序指针跳转到新的固件main 函数执行，实现程序的平稳过度。在接收数据的过程中如果有错误指令信息，分站则重新发送出现错误的数据帧。

表2 固件程序升级数据格式Table 2 Firmware program upgrade data format

图4 在线升级流程图Fig.4 Online upgrade flow chart

如果在升级过程中传感器掉电、通信中断或者通信超时等造成在线升级失败时，矿用传感器会继续执行第2 区域固件程序，仍然能按照原有用户程序继续正常运行。

5 结 语

结合全数字化监控系统现有网络结构，工业以太网+总线的方式，设计了基于CAN 总线的矿用传感器远程在线升级功能，制定了CAN 总线应用层通信协议。利用以太网网络节点上的矿用分站，使得矿用传感器的固件更新更加高效方便，降低设备维护成本，提高了系统的稳定性。通过将处理器片上FLASH 合理分区及固件程序数据分块传输等方式，实现了即使升级出现错误时也能保证传感器的稳定运行。实验测试证明，该技术方案具有较好的可行性、稳定性和可靠性，可以广泛地应用于CAN 总线式嵌入式固件程序升级。