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摘要：针对机车上设备的现场应用与软件升级，本文借助VxWorks系统平台，运用网络通信技术实现网络一键更换所有插件应用程序的方法，为现场提供了快捷简便地更换应用程序解决方案。
关键词：更换应用程序；网络通信技术；VxWorks系统；现场应用
文献标识码：A
机车上设备大部分是基于组匣的设计模式，内部由各个插件拼组而成，而各个插件的通信连接都挂载在以太网交换机中。每个插件都接入组匣的卡槽中，在组匣后背端按照某种通信介质连接起来，形成一个整体（设备）。
每个插件都有自己的CPU处理器和操作系统，为了简化系统的复杂性，每个插件都采用相同的CPU架构，本文采用的CPU为飞思卡尔公司提供的MPC5125处理器，它提供丰富的外设资源，如10路串口、2路CAN以及两路FEC网络控制器等。它片内只有32KRAM资源，没有片内FLASH，因此每个插件都扩展了FLASH和RAM内存，其FLASH容量为16M，RAM为128M。采用VxWorks操作系统，系统在上电复位后，利用Bootloader程序，把FLASH中的应用执行程序拷贝到RAM运行，在启动应用程序执行。
在应用程序启动前，首先需要通过下载工具把程序固化到FLASH中。目前，FLASH烧写方式主要分为两种，一种是借助下载工具（风河仿真器），直接下载到板级FLASH中，这种为编程器烧写方式，这种方式适用于开发员进行仿真调试和下载程序；另外，风河公司的仿真工具价格昂贵，大量采用仿真工具更换应用程序使得费用成本增高；且不适用于组匣现场更换应用程序。另一种方式为是适用于现场特定环境烧写方式，运用板子上自带的通信媒介直接更换应用程序。本文采用第二种方式，运用无线网络技术和VxWorks系统网络通信，实现无线远程应用程序下载和升级。
1 系统平台
本设计的机车设备采用组匣机箱，其硬件结构如图1所示。本组匣有五个插件，四个应用插件，一个交换机插件。其中应用插件处理不同的应用功能，它的每个网络口都连接在交换插件上。交换机对外网提供一个公共网络接口，该接口可以连接无线网络路由器，PC机间接地与组匣进行连接。
2 软件设计
实现网络更换程序，需要实现三部分，分别分为应用程序加载模块、Vxworks网络通信模块、PC机侧应用模块。PC机侧应用程序这部分提供人机交互界面，可以是通过WEB网页，也可以窗口界面进行程序下载操作，本设计采用窗口界面进行开发。Vxworks网络通信模块，实现数据交互，按照设定的协议进行网络通信，保证下载程序的完整性和保密性。Vxworks提供的TCP/IP协议、Socket套接字模式，方便网络程序应用开发。应用程序加载模块提供程序加载方式，包括校验程序数据，提供指定入口加载。其中后面两个模块为插件的软件设计。
2.1 应用程序加载模块
插件程序在启动时，加载FLASH Boot启动代码，完成CPU相关初始化和内存配置等等，然后拷贝应用程序到RAM区运行。为了把应用程序和维护代码隔离开来，需要对FLASH进行合理划分，这也是程序下载的关键部分，其应用程序加载过程如图2所示。从图中把FLASH划分了四个部分，两个相同的应用程序加载部分，一个文件区和系统配置部分。
插件在硬件设计时，设定在FLASH启动。Flash划分为两个相同的应用程序部分，分别为A和B。其中应用程序A部分提供系统维护功能、应用程序B部分提供应用程序功能。当检测到0xFC400000位置应用程序不存在或者系统崩溃，则拷贝应用程序A到RAM区间，然后启动应用程序A部分维护代码。这两个应用程序在下载时，存在文件区，等完成所有文件下载并校验成功后，文件区自动把两个应用程序拷贝B区，然后重新启动系统。这样备份了应用程序，不容易丢失。
2.2 Vxworks网络通信模块
Vxworks网络通信模块完成PC与插件之间的通信协议，是网络下载的关键部分。它们之间采用UDP协议，采用SOCKET编程，主要由VXWORKS提供，这里主要实现应用协议层，它主要实现五个功能，分别是建立连接、验证与认可、数据传输，数据校验及程序烧写，其通信过程如图3所示。
2.2.1 建立连接
在没有进行通讯前，并不知道对方设备是否存在，也不知道对方是什么插件设备，因此需要建立查询机制，首先PC网络端发送广播帧，给各个设备，等待设备应答。当检测到设备应答后，将周期性发送检测信息，查询设备是否一直存在，当周期通信5次没有收到应答信息，建立连接自动断开，并提示无设备连接。
2.2.2 验证与认可
更换程序时，由于没有验证过程，因此技术人员可以随意进行更换，这样将不能把控程序更换的版本与正确性。因此在程序进行下载时，需要验证与认可，密钥由管理人员分配，发送密文后，插件验证密文的正确性，当验证密文正确后，才可以进行程序下载，这样保证程序更换不能擅自下载。
2.2.3 数据传输
由于网络一包最大传输不超过1K字节，而通常一个系统代码远远大于包数，因此需要进行分包传输。然而数据传输在没有通信机制下，是无法保证数据的完整性，本设计在进行数据传输时，每一个包都进行CRC校验，并附加包序号信息。当接收端接收数据后，解析包序号，当出现不连续的包序号，接收端把丢包的数据包序号加载到请求帧里，发送端检测接收端的请求后重传丢包数据，实现数据包完整传输。
2.2.4 数据校验与程序烧写
发送端在进行发送拆包时，先对整个文件加入校验信息和配置信息。当接收端获取到完整的数据包后，数据存放在RAM区，先对这个接收的数据解析校验，并读取配置信息是否与本插件的参数一样。若数据匹配，进行下一步程序烧写，按照应用程序加载过程，程序会保存在文件当中，并更改启动信息。当断电重启后，系统自动加载应用程序，完成程序烧写。
2.3 PC机端应用程序
PC机端程序采用面向对象设计，主要有以下几类组成，包括文件格式转换类、密文验证类、网络通信类、数据传输类、文件数据分包类以及用户界面类等。其类关系图如图4所示。
网络通信类采用Socket通信，创建两个网络线程，一个发送网络线程和一个接收网络线程。这个线程管理网络接收和发送 ，当用户需要发送数据时，先把数据放入数据传输缓冲区，网络发送线程检测缓冲区有数据，启动网络发送，直到缓冲区为空，网络接收过程同理。 文件格式转换类实现烧写数据格式转换，转换格式对象是HEX文件，由于Vxworks开发工具编译后生成HEX文件格式，因此把HEX文件转换为BIN文件，并在BIN文件里加载校验信息，形成新的BIN烧写文件。密文验证完成与插件验证认可，包括密文生成、校验密文操作。文件数据分包和数据传输类，实现与Vxworks网络模块通信，文件数据分包类分解BIN文件，把BIN文件拆分許多帧网络数据包，并在网络数据包加载校验数据和包序号。在经过数据传输类，运用重传机制和校验回执等方法，保证程序文件可靠传输。
3 结语
本设计为了简化对机车上设备的现场应用与软件升级，设计了一种远程更换程序的设计方案，通过该软件替换使用仿真工具更换应用程序的方法，特别是在组匣箱里避免了拆卸机箱更换程序。用户只要操作该软件，一次性更换组匣箱内的所有程序，提高了现场人员的工作效率。本软件可以推广到类似工程现场较复杂的系统中，具有较强延伸性和实用性。
参考文献：
[1]周平，张杨.VxWorks下设备驱动程序及BSP开发指南[M].北京：中国电力出版社， 2004.
[2]孔祥营，张宝山.VxWorks驱动及分布式编程[M].北京：中国电力出版社， 2007.
[3]胡鸣.Windows 网络编程技术[M].北京：科学出版社，2008.
[4]刘芳，臧威.TMS320C672x DSP 引导加载系统的设计与实现[J].微电子学与计算机，2013，30（10）.
[5]肖磊.VxWorks下基于Socket的网络通信设计[J].计算机与网络，2013，24（12）： 666.
关键词：更换应用程序；网络通信技术；VxWorks系统；现场应用
文献标识码：A
机车上设备大部分是基于组匣的设计模式，内部由各个插件拼组而成，而各个插件的通信连接都挂载在以太网交换机中。每个插件都接入组匣的卡槽中，在组匣后背端按照某种通信介质连接起来，形成一个整体（设备）。
每个插件都有自己的CPU处理器和操作系统，为了简化系统的复杂性，每个插件都采用相同的CPU架构，本文采用的CPU为飞思卡尔公司提供的MPC5125处理器，它提供丰富的外设资源，如10路串口、2路CAN以及两路FEC网络控制器等。它片内只有32KRAM资源，没有片内FLASH，因此每个插件都扩展了FLASH和RAM内存，其FLASH容量为16M，RAM为128M。采用VxWorks操作系统，系统在上电复位后，利用Bootloader程序，把FLASH中的应用执行程序拷贝到RAM运行，在启动应用程序执行。
在应用程序启动前，首先需要通过下载工具把程序固化到FLASH中。目前，FLASH烧写方式主要分为两种，一种是借助下载工具（风河仿真器），直接下载到板级FLASH中，这种为编程器烧写方式，这种方式适用于开发员进行仿真调试和下载程序；另外，风河公司的仿真工具价格昂贵，大量采用仿真工具更换应用程序使得费用成本增高；且不适用于组匣现场更换应用程序。另一种方式为是适用于现场特定环境烧写方式，运用板子上自带的通信媒介直接更换应用程序。本文采用第二种方式，运用无线网络技术和VxWorks系统网络通信，实现无线远程应用程序下载和升级。
1 系统平台
本设计的机车设备采用组匣机箱，其硬件结构如图1所示。本组匣有五个插件，四个应用插件，一个交换机插件。其中应用插件处理不同的应用功能，它的每个网络口都连接在交换插件上。交换机对外网提供一个公共网络接口，该接口可以连接无线网络路由器，PC机间接地与组匣进行连接。
2 软件设计
实现网络更换程序，需要实现三部分，分别分为应用程序加载模块、Vxworks网络通信模块、PC机侧应用模块。PC机侧应用程序这部分提供人机交互界面，可以是通过WEB网页，也可以窗口界面进行程序下载操作，本设计采用窗口界面进行开发。Vxworks网络通信模块，实现数据交互，按照设定的协议进行网络通信，保证下载程序的完整性和保密性。Vxworks提供的TCP/IP协议、Socket套接字模式，方便网络程序应用开发。应用程序加载模块提供程序加载方式，包括校验程序数据，提供指定入口加载。其中后面两个模块为插件的软件设计。
2.1 应用程序加载模块
插件程序在启动时，加载FLASH Boot启动代码，完成CPU相关初始化和内存配置等等，然后拷贝应用程序到RAM区运行。为了把应用程序和维护代码隔离开来，需要对FLASH进行合理划分，这也是程序下载的关键部分，其应用程序加载过程如图2所示。从图中把FLASH划分了四个部分，两个相同的应用程序加载部分，一个文件区和系统配置部分。
插件在硬件设计时，设定在FLASH启动。Flash划分为两个相同的应用程序部分，分别为A和B。其中应用程序A部分提供系统维护功能、应用程序B部分提供应用程序功能。当检测到0xFC400000位置应用程序不存在或者系统崩溃，则拷贝应用程序A到RAM区间，然后启动应用程序A部分维护代码。这两个应用程序在下载时，存在文件区，等完成所有文件下载并校验成功后，文件区自动把两个应用程序拷贝B区，然后重新启动系统。这样备份了应用程序，不容易丢失。
2.2 Vxworks网络通信模块
Vxworks网络通信模块完成PC与插件之间的通信协议，是网络下载的关键部分。它们之间采用UDP协议，采用SOCKET编程，主要由VXWORKS提供，这里主要实现应用协议层，它主要实现五个功能，分别是建立连接、验证与认可、数据传输，数据校验及程序烧写，其通信过程如图3所示。
2.2.1 建立连接
在没有进行通讯前，并不知道对方设备是否存在，也不知道对方是什么插件设备，因此需要建立查询机制，首先PC网络端发送广播帧，给各个设备，等待设备应答。当检测到设备应答后，将周期性发送检测信息，查询设备是否一直存在，当周期通信5次没有收到应答信息，建立连接自动断开，并提示无设备连接。
2.2.2 验证与认可
更换程序时，由于没有验证过程，因此技术人员可以随意进行更换，这样将不能把控程序更换的版本与正确性。因此在程序进行下载时，需要验证与认可，密钥由管理人员分配，发送密文后，插件验证密文的正确性，当验证密文正确后，才可以进行程序下载，这样保证程序更换不能擅自下载。
2.2.3 数据传输
由于网络一包最大传输不超过1K字节，而通常一个系统代码远远大于包数，因此需要进行分包传输。然而数据传输在没有通信机制下，是无法保证数据的完整性，本设计在进行数据传输时，每一个包都进行CRC校验，并附加包序号信息。当接收端接收数据后，解析包序号，当出现不连续的包序号，接收端把丢包的数据包序号加载到请求帧里，发送端检测接收端的请求后重传丢包数据，实现数据包完整传输。
2.2.4 数据校验与程序烧写
发送端在进行发送拆包时，先对整个文件加入校验信息和配置信息。当接收端获取到完整的数据包后，数据存放在RAM区，先对这个接收的数据解析校验，并读取配置信息是否与本插件的参数一样。若数据匹配，进行下一步程序烧写，按照应用程序加载过程，程序会保存在文件当中，并更改启动信息。当断电重启后，系统自动加载应用程序，完成程序烧写。
2.3 PC机端应用程序
PC机端程序采用面向对象设计，主要有以下几类组成，包括文件格式转换类、密文验证类、网络通信类、数据传输类、文件数据分包类以及用户界面类等。其类关系图如图4所示。
网络通信类采用Socket通信，创建两个网络线程，一个发送网络线程和一个接收网络线程。这个线程管理网络接收和发送 ，当用户需要发送数据时，先把数据放入数据传输缓冲区，网络发送线程检测缓冲区有数据，启动网络发送，直到缓冲区为空，网络接收过程同理。 文件格式转换类实现烧写数据格式转换，转换格式对象是HEX文件，由于Vxworks开发工具编译后生成HEX文件格式，因此把HEX文件转换为BIN文件，并在BIN文件里加载校验信息，形成新的BIN烧写文件。密文验证完成与插件验证认可，包括密文生成、校验密文操作。文件数据分包和数据传输类，实现与Vxworks网络模块通信，文件数据分包类分解BIN文件，把BIN文件拆分許多帧网络数据包，并在网络数据包加载校验数据和包序号。在经过数据传输类，运用重传机制和校验回执等方法，保证程序文件可靠传输。
3 结语
本设计为了简化对机车上设备的现场应用与软件升级，设计了一种远程更换程序的设计方案，通过该软件替换使用仿真工具更换应用程序的方法，特别是在组匣箱里避免了拆卸机箱更换程序。用户只要操作该软件，一次性更换组匣箱内的所有程序，提高了现场人员的工作效率。本软件可以推广到类似工程现场较复杂的系统中，具有较强延伸性和实用性。
参考文献：
[1]周平，张杨.VxWorks下设备驱动程序及BSP开发指南[M].北京：中国电力出版社， 2004.
[2]孔祥营，张宝山.VxWorks驱动及分布式编程[M].北京：中国电力出版社， 2007.
[3]胡鸣.Windows 网络编程技术[M].北京：科学出版社，2008.
[4]刘芳，臧威.TMS320C672x DSP 引导加载系统的设计与实现[J].微电子学与计算机，2013，30（10）.
[5]肖磊.VxWorks下基于Socket的网络通信设计[J].计算机与网络，2013，24（12）： 666.