一文淺談FlexCAN OTA

1、簡介

FlexCAN OTA 是由靈動提供的一種基于 UDS 協議使用 CAN 總線實現對 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三部分構成，硬件部分如圖 1 所示。

圖 1 MCU 與 PC 機交互示意圖

1.1 關鍵特性

基于 UDS(ISO14229) 標準

基于 CAN(ISO11891-1) 標準

具備對 App 固件 CRC 完整性校驗功能

使用主機上傳 Flash driver 到 MCU

在 Bootloader 中進行 App 有效性檢查

提供用于驗證 App 固件更新的 PC 端上位機工具

1.2 什么是 FlexCAN ？

CAN 是控制器域網 (Controller Area Network, CAN) 的簡稱，是一種功能豐富的車用總線標準，被設計用于在不需要主機（Host）的情況下，允許網絡上的單芯片和儀器相互通信。是由研發和生產汽車電子產品著稱的德國 BOSCH 公司開發，并最終成為國際標準（ISO11898），是國際上應用最廣泛的現場總線之一。

FlexCAN 是 CAN 協議的一個高完成度版本。以靈動 MM32F0140 系列 MCU 內嵌的 FlexCAN 為例，其符合 ISO 11898-1 標準，支持 CAN 2.0B 版本協議，位速率高達 1 Mbps，具有非常靈活的用于傳輸和接收的郵箱系統，可以接收和發送 11 位標識符的標準幀，也可以接收和發送 29 位標識符的擴展幀，主要被設計用作車載串行總線，可滿足實時處理、車輛在電磁干擾環境下的可靠操作、成本效益、帶寬等要求。

1.3 什么是 UDS ？

UDS（Unified Diagnostic Services，統一診斷服務）是一種用于汽車電子控制器 ECU (Electronic Control Units) 環境下的一種診斷通信協議，可實現診斷、固件更新、日常測試等功能，在 ISO 14229 中規定了其實現標準。

在本實例中，UDS 通信是在客戶端-服務端關系中執行的?？蛻舳耸巧衔粰C下載軟件運行于 PC 機，服務端是帶有FlexCAN IP模塊的 MM32 MCU。例如，將 CAN 總線接口連接到 MCU，并將 UDS 請求發送到 MCU。當 MCU 支持 UDS 服務時，它將根據客戶端發出的請求做出相應的響應。

1.4 為什么用 Bootloader ？

對于 MCU 而言，如果程序內置有基于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 MCU 進行遠程升級。Bootloader 程序結構對比如圖 2 所示：

圖 2 程序結構對比框圖

1.5 為什么基于 UDS ？

為了規范 Bootloader 的全過程，通過使用成熟的平臺進而提供高質量 Bootloader。因 UDS 在設計時考慮了 Bootloader 的需求，并為 Bootloader 提供了相關服務以供使用，比如診斷會話控制、ECU 重置、讀取數據、請求下載、傳輸數據、請求傳輸退出等，可以實現更高效和可靠的刷寫功能。故主機廠普遍會要求在 UDS 規范的基礎上完成 Bootloader 功能。

1.6 用到了哪些 UDS 服務？

在 Bootloader 中，使用到 UDS 的 $10、$11、$27 和 $3E 基礎診斷服務，$22、$2E 讀寫 DID 服務，$31、$34、$36 和 $37 固件數據傳輸相關服務。UDS 服務概覽如表 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 MindSDK 實現的 Bootloader 樣例工程支持 MDK、IAR 和 ARMGCC 三種工具鏈進行開發。在實際的使用過程中只需要在第一次使用時通過燒錄器將 Bootloader 燒錄進 MCU，后續的 App 都可以通過使用基于 CAN 總線的 UDS協議完成固件更新。

2.1 Bootloader 功能特性

支持 Service 27，用戶可根據自身需求添加安全訪問算法。

支持 Service 22 和 Service 2E，用戶可以根據自身需求添加策略，進行信息讀出與存儲。

外置 Flash driver，使用時通過外部 PC 或后臺將 Flash driver 加載到 MCU 的 RAM 中進行安全的 Flash 擦寫操作。

提供看門狗監控功能，用戶可根據自身需求選擇性開啟看門狗監控程序。

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。

指定數據填充值

當需要發送的數據長度不滿足 8 字節長度時，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 WDG_ENABLE 使能看門狗服務，并且實現 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 ENABLE_SECURITY_ALGORITHM_VERIFICATION 根據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程序升級過程中，發送App可執行文件之前，向底層先發送一段二進制文件，這段代碼實現了對MCU片內 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，會盡可能的避免在代碼中固化有對flash進行擦寫操作，主要為了避免在程序跑飛時誤調用該部分代碼，使軟件代碼部分受到破壞。

Flash driver的實現方式

a.將flash driver固化在底層flash中，在運行的時候將flash中的flash driver拷貝到ram中來運行，這是比較傳統的方式，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，在每次執行OTA升級前，將這段代碼先發送給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 MindSDK 提供的 flexcan_ota_app 樣例工程進行開發和生成用于更新的 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 終端會有下載成功提示，另一方面也可以查看開發板上對應固件實現的功能是否開始執行。

關于 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 固件進行加載。

3.2 App 設計規范

App 與 Bootloader 存放在 MCU 的同一塊 Flash 的兩個不同區域中，為保證兩個軟件的正常使用，App 設計遵循表 2-1 和表 2-2 所述規范。

表 2-1

表 2-2

4、PC Tool

Flexcan OTA PC Tool 是用于驗證靈動 MindSDK 中提供的 FlexCAN OTA 解決方案的簡易 PC 端上位機工具。

4.1 功能特性

支持 CAN 通信速率自定義

支持 Win10 操作系統下運行

支持默認參數直接運行和命令行下帶參數運行

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，可根據不同需求靈活進行二次開發

4.2 開發環境

本工具在 Win10 平臺使用 Python 進行開發，基于 UDS 使用 CAN 協議，支持 PEAK CAN卡與 MCU 進行通訊。

4.3 使用說明

請按照如下步驟進行操作：

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板中。

b、安裝 CAN 卡驅動并連接 MCU

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

c、運行 FlexCAN OTA PC Tool

方式一：按照默認參數直接運行

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

圖 3

方式二：按照指定參數運行

在 Win10 平臺下啟動命令行窗口并切換到當前路徑下，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

按照指定參數運行如圖 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 flash 的代碼，在每次 OTA 更新中復用即可。

圖 5

d、結束

等待 FlexCAN OTA 固件更新流程結束，并按任意按鍵退出。

5、注意事項

FlexCAN OTA Tool 為用于驗證基于 UDS 使用 CAN 協議進行 App 固件更新的上位機工具，PC 端使用 PEAK-CAN 與 MCU 通訊，僅支持在 Win 10 操作系統下運行， 且用于功能性驗證，若遇到軟件閃退等問題請重啟該軟件并復位 MCU。該工具可根據開發者項目需求進行二次開發。

以上介紹是基于MM32F0140 系列 MCU 進行介紹和示例演示，相關源碼請訪問靈動官網進行獲?。?/p>

01）進入靈動官網（www.mm32mcu.com）

02）打開“產品”菜單下 MM32F0140 頁面，瀏覽“文檔”列表。

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

6、參考文獻

《ISO11898-1》

《ISO14229》

來源：靈動MM32MCU

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審核編輯 黃宇