一文淺談FlexCAN OTA

1、簡(jiǎn)介

FlexCAN OTA 是由靈動(dòng)提供的一種基于 UDS 協(xié)議使用 CAN 總線實(shí)現(xiàn)對(duì) MCU 的 App 固件更新的解決方案。該解決方案的軟件部分主要由：Bootloader、App和PC Tool三部分構(gòu)成，硬件部分如圖 1 所示。

圖 1 MCU 與 PC 機(jī)交互示意圖

1.1 關(guān)鍵特性

基于 UDS(ISO14229) 標(biāo)準(zhǔn)

基于 CAN(ISO11891-1) 標(biāo)準(zhǔn)

具備對(duì) App 固件 CRC 完整性校驗(yàn)功能

使用主機(jī)上傳 Flash driver 到 MCU

在 Bootloader 中進(jìn)行 App 有效性檢查

提供用于驗(yàn)證 App 固件更新的 PC 端上位機(jī)工具

1.2 什么是 FlexCAN ？

CAN 是控制器域網(wǎng) (Controller Area Network, CAN) 的簡(jiǎn)稱，是一種功能豐富的車用總線標(biāo)準(zhǔn)，被設(shè)計(jì)用于在不需要主機(jī)（Host）的情況下，允許網(wǎng)絡(luò)上的單芯片和儀器相互通信。是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國(guó) BOSCH 公司開發(fā)，并最終成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898），是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

FlexCAN 是 CAN 協(xié)議的一個(gè)高完成度版本。以靈動(dòng) MM32F0140 系列 MCU 內(nèi)嵌的 FlexCAN 為例，其符合 ISO 11898-1 標(biāo)準(zhǔn)，支持 CAN 2.0B 版本協(xié)議，位速率高達(dá) 1 Mbps，具有非常靈活的用于傳輸和接收的郵箱系統(tǒng)，可以接收和發(fā)送 11 位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)幀，也可以接收和發(fā)送 29 位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展幀，主要被設(shè)計(jì)用作車載串行總線，可滿足實(shí)時(shí)處理、車輛在電磁干擾環(huán)境下的可靠操作、成本效益、帶寬等要求。

1.3 什么是 UDS ？

UDS（Unified Diagnostic Services，統(tǒng)一診斷服務(wù)）是一種用于汽車電子控制器 ECU (Electronic Control Units) 環(huán)境下的一種診斷通信協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)診斷、固件更新、日常測(cè)試等功能，在 ISO 14229 中規(guī)定了其實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。

在本實(shí)例中，UDS 通信是在客戶端-服務(wù)端關(guān)系中執(zhí)行的。客戶端是上位機(jī)下載軟件運(yùn)行于 PC 機(jī)，服務(wù)端是帶有FlexCAN IP模塊的 MM32 MCU。例如，將 CAN 總線接口連接到 MCU，并將 UDS 請(qǐng)求發(fā)送到 MCU。當(dāng) MCU 支持 UDS 服務(wù)時(shí)，它將根據(jù)客戶端發(fā)出的請(qǐng)求做出相應(yīng)的響應(yīng)。

1.4 為什么用 Bootloader ？

對(duì)于 MCU 而言，如果程序內(nèi)置有基于FlexCAN 的 Bootloader，則每次更新 MCU 的固件則不需要拆開外殼也不必再使用燒錄器進(jìn)行燒錄，而可直接通過 CAN 總線來更新程序，這樣更方便也更安全，而且隨著智能化的普及，甚至可以對(duì) MCU 進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)。Bootloader 程序結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖 2 所示：

圖 2 程序結(jié)構(gòu)對(duì)比框圖

1.5 為什么基于 UDS ？

為了規(guī)范 Bootloader 的全過程，通過使用成熟的平臺(tái)進(jìn)而提供高質(zhì)量 Bootloader。因 UDS 在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了 Bootloader 的需求，并為 Bootloader 提供了相關(guān)服務(wù)以供使用，比如診斷會(huì)話控制、ECU 重置、讀取數(shù)據(jù)、請(qǐng)求下載、傳輸數(shù)據(jù)、請(qǐng)求傳輸退出等，可以實(shí)現(xiàn)更高效和可靠的刷寫功能。故主機(jī)廠普遍會(huì)要求在 UDS 規(guī)范的基礎(chǔ)上完成 Bootloader 功能。

1.6 用到了哪些 UDS 服務(wù)？

在 Bootloader 中，使用到 UDS 的 $10、$11、$27 和 $3E 基礎(chǔ)診斷服務(wù)，$22、$2E 讀寫 DID 服務(wù)，$31、$34、$36 和 $37 固件數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)服務(wù)。UDS 服務(wù)概覽如表 1-1 所示：

表 1-1

2、Bootloader

Bootloader 是一段允許在不使用燒錄器的情況下更新App固件的代碼，基于靈動(dòng) MindSDK 實(shí)現(xiàn)的 Bootloader 樣例工程支持 MDK、IAR 和 ARMGCC 三種工具鏈進(jìn)行開發(fā)。在實(shí)際的使用過程中只需要在第一次使用時(shí)通過燒錄器將 Bootloader 燒錄進(jìn) MCU，后續(xù)的 App 都可以通過使用基于 CAN 總線的 UDS協(xié)議完成固件更新。

2.1 Bootloader 功能特性

支持 Service 27，用戶可根據(jù)自身需求添加安全訪問算法。

支持 Service 22 和 Service 2E，用戶可以根據(jù)自身需求添加策略，進(jìn)行信息讀出與存儲(chǔ)。

外置 Flash driver，使用時(shí)通過外部 PC 或后臺(tái)將 Flash driver 加載到 MCU 的 RAM 中進(jìn)行安全的 Flash 擦寫操作。

提供看門狗監(jiān)控功能，用戶可根據(jù)自身需求選擇性開啟看門狗監(jiān)控程序。

2.2 客制化修改說明

修改診斷 ID

可在樣例工程的 board/FblHalCan.h 中修改診斷 ID 的值。

指定數(shù)據(jù)填充值

當(dāng)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不滿足 8 字節(jié)長(zhǎng)度時(shí)，通過宏定義可以更改填充，用戶可以在樣例工程的 board/FblHalCan.h 中指定填充值。

使能看門狗

用戶可以在樣例工程的 board/FblMacros.h 中打開宏開關(guān) WDG_ENABLE 使能看門狗服務(wù)，并且實(shí)現(xiàn) ResetWdg 操作。

安全訪問算法接口

Bootloader中支持 27 Service，用戶可在樣例工程的 board/FblMacros.h 中使能宏開關(guān) ENABLE_SECURITY_ALGORITHM_VERIFICATION 根據(jù)自身需求添加安全訪問算法。

2.3 Flash driver 介紹

什么是Flash driver？

在OTA程序升級(jí)過程中，發(fā)送App可執(zhí)行文件之前，向底層先發(fā)送一段二進(jìn)制文件，這段代碼實(shí)現(xiàn)了對(duì)MCU片內(nèi) Flash 的擦寫功能，稱為 Flash driver。

Flash driver存在的意義

在車載ECU控制器中，為了安全考慮，會(huì)盡可能的避免在代碼中固化有對(duì)flash進(jìn)行擦寫操作，主要為了避免在程序跑飛時(shí)誤調(diào)用該部分代碼，使軟件代碼部分受到破壞。

Flash driver的實(shí)現(xiàn)方式

a.將flash driver固化在底層flash中，在運(yùn)行的時(shí)候?qū)lash中的flash driver拷貝到ram中來運(yùn)行，這是比較傳統(tǒng)的方式，但是避免不了提到的安全性問題。

b.將flash driver這段代碼保存在PC端或后臺(tái)，在每次執(zhí)行OTA升級(jí)前，將這段代碼先發(fā)送給MCU，這樣可以避免方式 a 中提到的安全性問題。

3、App

基于靈動(dòng) MindSDK 提供的 flexcan_ota_app 樣例工程進(jìn)行開發(fā)和生成用于更新的 HEX 格式 App 固件生成，無需任何適配操作即可生成用于 OTA 升級(jí)的 App 固件。

3.1 使用說明

將 Bootloader 通過下載器下載到 MCU 中后，可通過提供的 PC Tool 來刷寫生成的固件，通過 PC Tool 下載成功后，一方面 PC 終端會(huì)有下載成功提示，另一方面也可以查看開發(fā)板上對(duì)應(yīng)固件實(shí)現(xiàn)的功能是否開始執(zhí)行。

關(guān)于 App 固件可從提供的 flexcan_ota_app 樣例工程編譯源碼并將生成“.hex”格式的 App 固件進(jìn)行加載。

3.2 App 設(shè)計(jì)規(guī)范

App 與 Bootloader 存放在 MCU 的同一塊 Flash 的兩個(gè)不同區(qū)域中，為保證兩個(gè)軟件的正常使用，App 設(shè)計(jì)遵循表 2-1 和表 2-2 所述規(guī)范。

表 2-1

表 2-2

4、PC Tool

Flexcan OTA PC Tool 是用于驗(yàn)證靈動(dòng) MindSDK 中提供的 FlexCAN OTA 解決方案的簡(jiǎn)易 PC 端上位機(jī)工具。

4.1 功能特性

支持 CAN 通信速率自定義

支持 Win10 操作系統(tǒng)下運(yùn)行

支持默認(rèn)參數(shù)直接運(yùn)行和命令行下帶參數(shù)運(yùn)行

支持直接加載 MDK 和 IAR 工具鏈下生成的 HEX 格式文件

基于 Python 使用 python-udsoncan 開發(fā)，可根據(jù)不同需求靈活進(jìn)行二次開發(fā)

4.2 開發(fā)環(huán)境

本工具在 Win10 平臺(tái)使用 Python 進(jìn)行開發(fā)，基于 UDS 使用 CAN 協(xié)議，支持 PEAK CAN卡與 MCU 進(jìn)行通訊。

4.3 使用說明

請(qǐng)按照如下步驟進(jìn)行操作：

a、下載 Bootloader 到 MCU

將提供的 flexcan_ota_bootloader 樣例工程編譯并下載到開發(fā)板中。

b、安裝 CAN 卡驅(qū)動(dòng)并連接 MCU

在這里我們用到的是PCAN-USB，下載并安裝驅(qū)動(dòng)(https://peak-system.com.cn/driver/) ，并將 PCAN-USB 和開發(fā)板上的 CAN 收發(fā)器通過雙絞線連接以及通過 USB 和 PC 機(jī)連接。

c、運(yùn)行 FlexCAN OTA PC Tool

方式一：按照默認(rèn)參數(shù)直接運(yùn)行

直接雙擊 flexcan_ota_pc_tool_v1.0.exe，如圖 3 所示，默認(rèn)將按照 500Kbps 的比特率進(jìn)行 CAN 通信，F(xiàn)lash_driver 文件的加載地址為當(dāng)前路徑下的文件（./flash_driver.hex）, App 文件的加載路徑為當(dāng)前路徑下文件（./app.hex）。

圖 3

方式二：按照指定參數(shù)運(yùn)行

在 Win10 平臺(tái)下啟動(dòng)命令行窗口并切換到當(dāng)前路徑下，獲取幫助如圖4所示，輸入如下指令并按回車鍵：

flexcan_ota_pc_tool_v1.0.exe-h

圖 4

按照指定參數(shù)運(yùn)行如圖 5 所示，輸入如下指令并按回車鍵：flexcan_ota_pc_tool_v1.0.exe-b500000-f"./flash_driver.hex"-a"./app.hex"

其中 flash_driver.hex 文件為用于安全地擦寫片內(nèi) flash 的代碼，在每次 OTA 更新中復(fù)用即可。

圖 5

d、結(jié)束

等待 FlexCAN OTA 固件更新流程結(jié)束，并按任意按鍵退出。

5、注意事項(xiàng)

FlexCAN OTA Tool 為用于驗(yàn)證基于 UDS 使用 CAN 協(xié)議進(jìn)行 App 固件更新的上位機(jī)工具，PC 端使用 PEAK-CAN 與 MCU 通訊，僅支持在 Win 10 操作系統(tǒng)下運(yùn)行， 且用于功能性驗(yàn)證，若遇到軟件閃退等問題請(qǐng)重啟該軟件并復(fù)位 MCU。該工具可根據(jù)開發(fā)者項(xiàng)目需求進(jìn)行二次開發(fā)。

以上介紹是基于MM32F0140 系列 MCU 進(jìn)行介紹和示例演示，相關(guān)源碼請(qǐng)?jiān)L問靈動(dòng)官網(wǎng)進(jìn)行獲?。?/p>

01）進(jìn)入靈動(dòng)官網(wǎng)（www.mm32mcu.com）

02）打開“產(chǎn)品”菜單下 MM32F0140 頁面，瀏覽“文檔”列表。

03）在“應(yīng)用筆記”中下載“AN0035_FlexCAN_OTA”文檔，獲取源碼。

6、參考文獻(xiàn)

《ISO11898-1》

《ISO14229》

來源：靈動(dòng)MM32MCU

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審核編輯 黃宇