一文浅谈FlexCAN OTA

 

1、简介

FlexCAN OTA 是由灵动提供的一种基于 UDS 协议使用 CAN 总线实现对 MCU 的 App 固件更新的解决方案。该解决方案的软件部分主要由：Bootloader、App和PC Tool三部分构成，硬件部分如图 1 所示。

图 1 MCU 与 PC 机交互示意图

1.1  关键特性  

基于 UDS(ISO14229) 标准

基于 CAN(ISO11891-1) 标准

具备对 App 固件 CRC 完整性校验功能

使用主机上传 Flash driver 到 MCU

在 Bootloader 中进行 App 有效性检查

提供用于验证 App 固件更新的 PC 端上位机工具

1.2  什么是 FlexCAN ？ 

CAN 是控制器域网 (Controller Area Network, CAN) 的简称，是一种功能丰富的车用总线标准，被设计用于在不需要主机（Host）的情况下，允许网络上的单芯片和仪器相互通信。是由研发和生产汽车电子产品著称的德国 BOSCH 公司开发，并最终成为国际标准（ISO11898），是国际上应用最广泛的现场总线之一。

FlexCAN 是 CAN 协议的一个高完成度版本。以灵动 MM32F0140 系列 MCU 内嵌的 FlexCAN 为例，其符合 ISO 11898-1 标准，支持 CAN 2.0B 版本协议，位速率高达 1 Mbps，具有非常灵活的用于传输和接收的邮箱系统，可以接收和发送 11 位标识符的标准帧，也可以接收和发送 29 位标识符的扩展帧，主要被设计用作车载串行总线，可满足实时处理、车辆在电磁干扰环境下的可靠操作、成本效益、带宽等要求。

1.3  什么是 UDS ？ 

UDS（Unified Diagnostic Services，统一诊断服务）是一种用于汽车电子控制器 ECU (Electronic Control Units) 环境下的一种诊断通信协议，可实现诊断、固件更新、日常测试等功能，在 ISO 14229 中规定了其实现标准。

在本实例中，UDS 通信是在客户端-服务端关系中执行的。客户端是上位机下载软件运行于 PC 机，服务端是带有FlexCAN IP模块的 MM32 MCU。例如，将 CAN 总线接口连接到 MCU，并将 UDS 请求发送到 MCU。当 MCU 支持 UDS 服务时，它将根据客户端发出的请求做出相应的响应。

1.4  为什么用 Bootloader ？ 

对于 MCU 而言，如果程序内置有基于FlexCAN 的 Bootloader，则每次更新 MCU 的固件则不需要拆开外壳也不必再使用烧录器进行烧录，而可直接通过 CAN 总线来更新程序，这样更方便也更安全，而且随着智能化的普及，甚至可以对 MCU 进行远程升级。Bootloader 程序结构对比如图 2 所示：

图 2 程序结构对比框图

1.5  为什么基于 UDS ？ 

为了规范 Bootloader 的全过程，通过使用成熟的平台进而提供高质量 Bootloader。因 UDS 在设计时考虑了 Bootloader 的需求，并为 Bootloader 提供了相关服务以供使用，比如诊断会话控制、ECU 重置、读取数据、请求下载、传输数据、请求传输退出等，可以实现更高效和可靠的刷写功能。故主机厂普遍会要求在 UDS 规范的基础上完成 Bootloader 功能。

1.6  用到了哪些 UDS 服务？ 

在 Bootloader 中，使用到 UDS 的 $10、$11、$27 和 $3E 基础诊断服务，$22、$2E 读写 DID 服务，$31、$34、$36 和 $37 固件数据传输相关服务。UDS 服务概览如表 1-1 所示：

表 1-1

2、Bootloader

Bootloader 是一段允许在不使用烧录器的情况下更新App固件的代码，基于灵动 MindSDK 实现的 Bootloader 样例工程支持 MDK、IAR 和 ARMGCC 三种工具链进行开发。在实际的使用过程中只需要在第一次使用时通过烧录器将 Bootloader 烧录进 MCU，后续的 App 都可以通过使用基于 CAN 总线的 UDS协议完成固件更新。

2.1  Bootloader 功能特性  

支持 Service 27，用户可根据自身需求添加安全访问算法。

支持 Service 22 和 Service 2E，用户可以根据自身需求添加策略，进行信息读出与存储。

外置 Flash driver，使用时通过外部 PC 或后台将 Flash driver 加载到 MCU 的 RAM 中进行安全的 Flash 擦写操作。

提供看门狗监控功能，用户可根据自身需求选择性开启看门狗监控程序。

2.2  客制化修改说明  

修改诊断 ID

可在样例工程的 board/FblHalCan.h 中修改诊断 ID 的值。

指定数据填充值

当需要发送的数据长度不满足 8 字节长度时，通过宏定义可以更改填充，用户可以在样例工程的 board/FblHalCan.h 中指定填充值。

使能看门狗

用户可以在样例工程的 board/FblMacros.h 中打开宏开关 WDG_ENABLE 使能看门狗服务，并且实现 ResetWdg 操作。

安全访问算法接口

Bootloader中支持 27 Service，用户可在样例工程的 board/FblMacros.h 中使能宏开关 ENABLE_SECURITY_ALGORITHM_VERIFICATION 根据自身需求添加安全访问算法。

2.3  Flash driver 介绍  

什么是Flash driver？

在OTA程序升级过程中，发送App可执行文件之前，向底层先发送一段二进制文件，这段代码实现了对MCU片内 Flash 的擦写功能，称为 Flash driver。

Flash driver存在的意义

在车载ECU控制器中，为了安全考虑，会尽可能的避免在代码中固化有对flash进行擦写操作，主要为了避免在程序跑飞时误调用该部分代码，使软件代码部分受到破坏。

Flash driver的实现方式

a. 将flash driver固化在底层flash中，在运行的时候将flash中的flash driver拷贝到ram中来运行，这是比较传统的方式，但是避免不了提到的安全性问题。

b. 将flash driver这段代码保存在PC端或后台，在每次执行OTA升级前，将这段代码先发送给MCU，这样可以避免方式 a 中提到的安全性问题。

3、App

基于灵动 MindSDK 提供的 flexcan_ota_app 样例工程进行开发和生成用于更新的 HEX 格式 App 固件生成，无需任何适配操作即可生成用于 OTA 升级的 App 固件。

3.1  使用说明  

将 Bootloader 通过下载器下载到 MCU 中后，可通过提供的 PC Tool 来刷写生成的固件，通过 PC Tool 下载成功后，一方面 PC 终端会有下载成功提示，另一方面也可以查看开发板上对应固件实现的功能是否开始执行。

关于 App 固件可从提供的 flexcan_ota_app 样例工程编译源码并将生成“.hex”格式的 App 固件进行加载。

3.2  App 设计规范  

App 与 Bootloader 存放在 MCU 的同一块 Flash 的两个不同区域中，为保证两个软件的正常使用，App 设计遵循表 2-1 和表 2-2 所述规范。

表 2-1

表 2-2

4、PC Tool

Flexcan OTA PC Tool 是用于验证灵动 MindSDK 中提供的 FlexCAN OTA 解决方案的简易 PC 端上位机工具。

4.1  功能特性 

支持 CAN 通信速率自定义

支持 Win10 操作系统下运行

支持默认参数直接运行和命令行下带参数运行

支持直接加载 MDK 和 IAR 工具链下生成的 HEX 格式文件

基于 Python 使用 python-udsoncan 开发，可根据不同需求灵活进行二次开发

4.2  开发环境  

本工具在 Win10 平台使用 Python 进行开发，基于 UDS 使用 CAN 协议，支持 PEAK CAN卡与 MCU 进行通讯。

4.3  使用说明  

请按照如下步骤进行操作：

a、下载 Bootloader 到 MCU

将提供的 flexcan_ota_bootloader 样例工程编译并下载到开发板中。

b、安装 CAN 卡驱动并连接 MCU

在这里我们用到的是PCAN-USB，下载并安装驱动(https://peak-system.com.cn/driver/) ，并将 PCAN-USB 和开发板上的 CAN 收发器通过双绞线连接以及通过 USB 和 PC 机连接。

c、运行 FlexCAN OTA PC Tool

方式一：按照默认参数直接运行

直接双击 flexcan_ota_pc_tool_v1.0.exe，如图 3 所示，默认将按照 500Kbps 的比特率进行 CAN 通信，Flash_driver 文件的加载地址为当前路径下的文件（./flash_driver.hex）, App 文件的加载路径为当前路径下文件（./app.hex）。

图 3

方式二：按照指定参数运行

在 Win10 平台下启动命令行窗口并切换到当前路径下，获取帮助如图4所示，输入如下指令并按回车键：

flexcan_ota_pc_tool_v1.0.exe -h 

图 4

按照指定参数运行如图 5 所示，输入如下指令并按回车键：flexcan_ota_pc_tool_v1.0.exe -b 500000 -f "./flash_driver.hex" -a "./app.hex"

其中 flash_driver.hex 文件为用于安全地擦写片内 flash 的代码，在每次 OTA 更新中复用即可。

图 5

d、结束

等待 FlexCAN OTA 固件更新流程结束，并按任意按键退出。

5、注意事项

FlexCAN OTA Tool 为用于验证基于 UDS 使用 CAN 协议进行 App 固件更新的上位机工具，PC 端使用 PEAK-CAN 与 MCU 通讯，仅支持在 Win 10 操作系统下运行，   且用于功能性验证，若遇到软件闪退等问题请重启该软件并复位 MCU。该工具可根据开发者项目需求进行二次开发。

以上介绍是基于MM32F0140 系列 MCU 进行介绍和示例演示，相关源码请访问灵动官网进行获取：

01）进入灵动官网（www.mm32mcu.com）

02）打开“产品”菜单下 MM32F0140 页面，浏览“文档”列表。

03）在“应用笔记”中下载“AN0035_FlexCAN_OTA”文档，获取源码。

6、参考文献

《ISO11898-1》

《ISO14229》

来源：灵动MM32MCU

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审核编辑 黄宇