于亞運，　宋建成，　田慕琴，　許春雨，　耿澤昕，　宋鑫，　李新勝

(太原理工大學 煤礦電氣設備與智能控制山西省重點實驗室, 山西 太原　030024)

基于IAP的支架控制系統(tǒng)程序在線升級方案

于亞運，宋建成，田慕琴，許春雨，耿澤昕，宋鑫，李新勝

(太原理工大學 煤礦電氣設備與智能控制山西省重點實驗室, 山西 太原030024)

摘要：為了解決液壓支架電液控制系統(tǒng)控制程序現(xiàn)場升級不便、操作復雜的問題，提出了一種基于IAP技術的系統(tǒng)程序在線升級方案，建立了基于三級網(wǎng)絡通信結構的程序在線下載模式，由防爆計算機提取程序代碼，并發(fā)送至端頭控制器，再由端頭控制器對每一臺支架控制器進行程序升級。針對煤礦井下復雜的電磁環(huán)境，在IAP技術的基礎上增加了XRAM存儲環(huán)節(jié)和數(shù)據(jù)校驗環(huán)節(jié)，避免了由于數(shù)據(jù)通信錯誤而造成軟件升級失敗的問題，提高了程序在線升級的可靠性，并基于PowerBuilder開發(fā)平臺開發(fā)了一套HEX文件代碼處理軟件，實現(xiàn)了程序代碼的自動提取。

關鍵詞：液壓支架； 支架控制器； IAP； 在線升級； RS485總線

0引言

液壓支架控制系統(tǒng)作為綜采工作面的核心設備，是煤礦高產(chǎn)高效開采的重要保障。有時由于生產(chǎn)工況或采煤工藝改變，要求控制程序也要有所改變，這就必須要對液壓支架控制系統(tǒng)的軟件進行升級。但是液壓支架控制系統(tǒng)設備數(shù)量龐大，并且井下環(huán)境特殊、安全要求高，井下設備不允許帶電開啟外殼，從而使得通過下載器對設備的MCU一一進行程序更新已不再適用。因此，需要采用在線升級的方式對液壓支架控制系統(tǒng)的設備程序進行自動更新。

德國的液壓支架控制設備因其技術先進、產(chǎn)品普及性高等優(yōu)點而被廣泛應用，其設備的程序在線下載方式速度快、效率高，但技術保密，不對外公開。我國對液壓支架電液控制技術的研究起步較晚，但近年來一些國內(nèi)公司對該項技術的研究進展較快，在程序在線下載方面也有一定的研究，但是仍需要人工將特制的下載器帶到井下才能對系統(tǒng)設備進行程序升級，操作依然很不方便。

常用的在線升級方式分為在系統(tǒng)編程(In System Program，ISP)和在程序編程(In Application Program，IAP)。ISP技術通過單片機內(nèi)部的Boot程序和串行接口對單片機Flash進行編程，但是需要外部觸發(fā)條件，仍需要拆開控制器外殼對其進行機械性操作，所以這種方式不適用于液壓支架控制系統(tǒng)的程序升級[1-2]。IAP技術直接調用在線升級程序對單片機內(nèi)部Flash進行編程，不需要進行機械性操作，也不需要開啟控制器外殼[3-4]。因此，本文基于IAP技術設計了液壓支架控制系統(tǒng)用戶程序在線升級方案，并針對井下復雜的電磁環(huán)境，在IAP技術的基礎上增加了抗干擾措施，以提高程序在線升級的穩(wěn)定性和可靠性。

1液壓支架控制系統(tǒng)組成

現(xiàn)代化綜采工作面的自動化生產(chǎn)是煤礦自動化領域的發(fā)展方向，而液壓支架控制系統(tǒng)的自動化是保證生產(chǎn)自動化的首要條件。參考文獻[5]中研究的液壓支架控制系統(tǒng)可實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，它采用3級網(wǎng)絡通信結構，從上到下依次為工作面巷道防爆計算機、端頭控制器和支架控制器，3級網(wǎng)絡之間的通信采用RS485總線。系統(tǒng)通信結構如圖1所示。其中，防爆計算機作為中央監(jiān)測層，通過RS485總線1與端頭控制器進行一對一主從通信。端頭控制器作為系統(tǒng)集控層，通過RS485總線2與支架控制器進行一對多主從通信[6-7]。

端頭控制器和支架控制器均以C8051F020作為主控CPU，具有人機交互界面和通信模塊，并且擴展了一個32 kB外部存儲器。其電路結構如圖2所示。

對系統(tǒng)程序進行升級，需要對端頭控制器和所有支架控制器的主控CPU進行程序在線升級。雖然C8051F020是一款具有IAP能力的芯片，但內(nèi)部沒有Boot Loader程序，所以需要用戶自己編寫Flash裝入程序。另一方面，C8051F020的程序編寫軟件環(huán)境為Silicon Laboratories IDE，生成的程序代碼為Intel HEX file文件，但HEX文件中的數(shù)據(jù)并不完全是程序代碼，不能夠直接用于CPU升級。

圖1　液壓支架控制系統(tǒng)通信結構

圖2　端頭控制器和支架控制器電路結構

針對上述問題，本文提出了如下升級方案：首先，通過工作面巷道防爆計算機將HEX文件中的程序代碼提取出來并進行整理；然后，工作面巷道防爆計算機通過RS485總線1將新的程序代碼發(fā)送給端頭控制器；接著，端頭控制器對程序進行判斷，若為端頭控制器程序，則對其自身CPU進行升級，若為支架控制器程序，則由端頭控制器通過RS485總線2將升級代碼發(fā)送給各支架控制器，進而完成液壓支架控制系統(tǒng)的軟件在線自動升級。

2程序代碼的自動提取

2.1HEX文件分析

Intel HEX file(文件名.hex)是由Silicon Laboratories IDE軟件開發(fā)環(huán)境自動生成的程序代碼文件，該文件由若干個具有固定格式的HEX記錄組成。每個HEX記錄包含6部分，依次為“:”， “LL”，“AAAA”，“TT”，“DD…”，“CC”?！?”表示一個記錄的開始；“LL”表示一個記錄中程序代碼的數(shù)量；“AAAA”表示該記錄中的程序代碼寫入Flash的起始地址；“TT”表示該記錄的數(shù)據(jù)類型，00代表代碼記錄，01代表文件結束，02代表擴展段地址記錄，04代表擴展線性地址記錄；“DD…”表示記錄中的程序代碼，一個記錄可以包含的16進制字節(jié)數(shù)即為“LL”中的值；“CC”表示該記錄的校驗域[8]。

雖然各條記錄均有程序代碼和代碼存放地址，但相鄰記錄的地址有時不連續(xù)，且各記錄中的有效數(shù)據(jù)長度也并不相同。若由單片機直接接收各條記錄，然后按照記錄的要求將程序代碼存入Flash，處理起來比較復雜，而且對一些不必要的數(shù)據(jù)也需要進行傳輸，程序升級時還需要再次處理，影響了程序升級速度。為了解決該問題，本文首先通過防爆計算機提取出HEX文件中的程序代碼，然后再將代碼發(fā)送給端頭控制器。

2.2HEX文件代碼提取

通過PowerBuilder軟件開發(fā)平臺編寫了HEX文件處理軟件，程序代碼提取過程如下：

(1) 對HEX文件進行排序。防爆計算機按照HEX文件中各條記錄的起始地址從低到高對記錄進行排序。

(2) 補齊缺失的程序代碼。通過數(shù)據(jù)長度(LL)計算出本條記錄的數(shù)據(jù)結束地址，然后將結束地址與下一條記錄的開始地址按16進制相減，如果結果為零，說明該條記錄與下一條記錄緊密連接；如果結果不為零，則說明2條記錄之間無有效程序代碼。由于Flash中無代碼時默認為“FF”，所以將記錄中缺失的“FF”補齊，相減結果即為需要補齊的個數(shù)。

(3) 提取下一條記錄的程序代碼，重復步驟(2)，直到提取完所有記錄中的程序代碼。

(4) 將處理后的程序代碼全部放入數(shù)據(jù)庫中，準備向端頭控制器發(fā)送程序代碼。

3程序代碼在線下載模式

端頭控制器和支架控制器的程序代碼數(shù)據(jù)量大約為15 kB，數(shù)據(jù)量大且數(shù)量不固定，需要采取措施保證代碼傳輸穩(wěn)定、可靠。

3.1程序代碼的檢驗

傳統(tǒng)的IAP在線升級方式直接將串口接收到的程序代碼寫入Flash中，進而完成程序的升級。但是由于煤礦井下具有大量大功率機電設備，導致井下電磁環(huán)境惡劣，通信系統(tǒng)也經(jīng)常受到電磁干擾的影響。如果在程序升級過程中，通信受到干擾，數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤或數(shù)據(jù)傳輸中斷，則會將錯誤的程序代碼寫入Flash中或引起程序升級中斷，這都會造成舊程序擦除后新程序升級失敗，從而引起全系統(tǒng)的癱瘓[9]。

為了解決這一問題，本文在傳統(tǒng)的IAP升級方式的基礎上增加了XRAM存儲環(huán)節(jié)和數(shù)據(jù)校驗環(huán)節(jié)。首先將接收的程序代碼存儲到XRAM中，然后對接收到的代碼進行CRC校驗，如果CRC校驗正確，則進入Boot Loader程序；如果CRC校驗失敗，則不對CPU進行升級，保留原程序，避免造成系統(tǒng)癱瘓。

3.2程序代碼發(fā)送流程

防爆計算機與端頭控制器發(fā)送程序類似，下面僅介紹防爆計算機發(fā)送程序流程，如圖3所示。

圖3　代碼發(fā)送程序流程

首先需要對操作者進行權限認證，只允許具有權限的開發(fā)人員使用程序在線升級功能。發(fā)送程序代碼時，防爆計算機首先向端頭控制器發(fā)送升級命令代碼和數(shù)據(jù)規(guī)模，端頭控制器在接收完命令代碼和數(shù)據(jù)規(guī)模后，向防爆計算機進行應答，告知防爆計算機已準備好接收程序代碼；接著，防爆計算機開始下發(fā)程序代碼；發(fā)送完所有的程序代碼后，防爆計算機發(fā)送CRC校驗碼，端頭控制器接收CRC校驗碼后與自身計算的校驗碼進行比較。若CRC校驗正確，則進入Boot Loader子程序或支架代碼發(fā)送子程序；如果CRC校驗錯誤，則通過聲光報警來提示通信錯誤，程序結束。

4用戶程序升級步驟

為了實現(xiàn)用戶程序區(qū)Flash的重新裝載，需要編寫B(tài)oot Loader程序。由于程序升級時需要擦除舊的用戶程序，而Boot Loader不能擦除，所以將Boot Loader程序與用戶程序分離[10]。Boot Loader程序包括Flash擦除和Flash寫入2個部分。

程序升級時，首先對原有用戶程序進行擦除，然后才能寫入新的用戶程序，具體擦除步驟如下：

(1) 將FLSCL寄存器中的FLWE位置為1，允許IAP功能。

(2) 將PSCTL寄存器中的PSEE位置為1，允許Flash扇區(qū)擦除。

(3) 將PSCTL寄存器中的PSWE位置為1，允許Flash寫入。

(4) 通過MOVX指令向指定扇區(qū)內(nèi)的任一地址寫入1個數(shù)據(jù)字節(jié)，擦除該扇區(qū)的內(nèi)容。

(5) 將Flash高位地址加2，重復步驟(4)，直到擦除完原有用戶程序所在扇區(qū)。

擦除原有用戶程序后，開始向Flash中寫入新程序代碼，寫入步驟如下：

(1) 將代碼從XRAM中取出，然后置位PSWE，允許Flash寫入。

(2) 通過MOVX指令將讀取的代碼存入Flash的對應地址中。

(3) 改變XRAM地址和Flash地址。

(4) 重復以上3步，直到寫完所有新程序代碼。

(5) 程序進行軟復位，程序升級完成。

5調試和驗證

在實驗室對液壓支架控制系統(tǒng)程序進行了調試。液壓支架控制系統(tǒng)程序在線升級操作界面如圖4所示。圖4中代碼為處理后的HEX各條記錄，通過“添加程序”按鈕來添加新的HEX文件。發(fā)送程序代碼時，通過“發(fā)送(端頭)”和“發(fā)送(支架)”按鈕分別發(fā)送端頭控制器新程序代碼和支架控制器新程序代碼。

圖4　液壓支架控制系統(tǒng)程序在線升級操作界面

在實驗過程中，上位機軟件提取代碼速度快，15 kB代碼只需2 s即可完成；數(shù)據(jù)傳輸高效、可靠，升級速度快，升級120臺液壓支架控制程序只需要15 min，平均每7.5 s升級1臺，達到了設計方案的預期要求。

6結語

設計了一種基于IAP技術的液壓支架電液控制系統(tǒng)程序在線升級方案，降低了設備調試和井下程序升級時的勞動強度，提高了系統(tǒng)軟件升級速度。提出了一種HEX文件處理方法，并通過PowerBuilder開發(fā)了程序代碼處理軟件，能夠簡單、快速地提取程序代碼，減少了中間環(huán)節(jié)，提高了代碼傳輸效率。通過增加XRAM存儲環(huán)節(jié)和數(shù)據(jù)校驗環(huán)節(jié)，避免了傳統(tǒng)IAP技術由于數(shù)據(jù)通信錯誤而造成軟件升級失敗，從而引起系統(tǒng)癱瘓的問題，提高了程序在線升級的可靠性。

參考文獻：

[1]萬水明,強英. 基于ISP技術的可遠程升級抄表模塊的設計[J]. 微型機與應用,2004,23(7):43-45.

[2]梁睿,薛雪,王崇林,等. ISP技術在AT89SX單片機中的應用[J]. 工礦自動化,2005,31(2):47-48.

[3]唐洪富,張興波.基于STC系列單片機的智能溫度控制器設計[J]. 電子技術應用,2013,39(5):86-88.

[4]林曉松,陳惠濱,林少芬,等.工程機械車載監(jiān)測終端軟件遠程升級的實現(xiàn)[J].電子技術應用,2015,41(5):156-158.

[5]趙龍,宋建成,田慕琴,等.綜采工作面液壓支架集中控制系統(tǒng)設計[J]. 工礦自動化,2015,41(2):9-13.

[6]蔣春悅,田慕琴,宋建成,等.自動化工作面液壓支架控制器設計[J].工礦自動化,2014,40(9):1-5.

[7]楊世華,宋建成,田慕琴,等.基于雙RS485總線的液壓支架運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)[J].工礦自動化,2014,40(8):1-5.

[8]靳根,劉建忠,劉慧英,等. 用VC++實現(xiàn)MSC1210單片機Intel HEX文件的燒錄[J]. 核電子學與探測技術,2009,29(4):825-827.

[9]孫繼平,劉毅,樊京. 煤礦井下高頻電磁騷擾工程計算模型[J]. 煤炭學報,2012,37(12):2118-2122.

[10]劉根賢,龔雪容,生擁宏,等. 基于高頻RFID的微處理器IAP技術[J]. 電子技術應用,2013,39(4):29-31.

網(wǎng)絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160126.1540.003.html

Online upgrade scheme of software of hydraulic supports control system based on IAP

YU Yayun,SONG Jiancheng,TIAN Muqin,XU Chunyu,GENG Zexin,

SONG Xin,LI Xinsheng

(Shanxi Key Laboratory of Mining Electrical Equipment and Intelligent Control,

Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

Abstract:It is very complex and inconvenient to update application software of hydraulic support control system in underground working face. In order to solve the problem, a scheme of online upgrade based on IAP was designed, and an online download mode of program source codes based on three-stage communication structure was proposed. The code is extracted by explosion-proof computer and sent to the server, then all the support controllers are upgraded by the server. For adapting to underground complex electromagnetic environment, the XRAM store link and data validation link are combined to improve reliability of online upgrade, which can avoid the problem of upgrade failure caused by communication error. A set of HEX file code processing software was developed based on PowerBuilder to achieve automatic code extraction of software.

Key words:hydraulic supports; support controller; IAP; online upgrade; RS485 bus

作者簡介：于亞運(1990-)，男，河北保定人，碩士研究生，現(xiàn)主要從事煤礦電氣設備和智能控制技術研究工作，E-mail:247972639@qq.com。

基金項目：國際科技合作專項項目(2013DFA70750)；山西省重大科技專項項目(20111101024)。

收稿日期：2015-10-08；修回日期：2015-11-25；責任編輯：胡嫻。

中圖分類號：TD355.4

文獻標志碼：A網(wǎng)絡出版時間：2016-01-26 15:40

文章編號：1671-251X(2016)02-0012-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.02.003

于亞運，宋建成，田慕琴，等.基于IAP的支架控制系統(tǒng)程序在線升級方案[J].工礦自動化，2016,42(2)：12-15.