CN112148340A - 一种无人船用实时无线程序烧录器及实现方法 - Google Patents

一种无人船用实时无线程序烧录器及实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无人船用实时无线程序烧录器及实现方法，无线程序烧录器由供电模块、辅助下载控制器、第一单片无线收发器、第二单片无线收发器、4G/5G通信模块、云服务器和PC端构成。PC端将需要烧写的程序编译生成bin文件，该bin文件被上传至云服务器，4G/5G通信模块上电初始化后，通过MQTT协议与云服务器建立网络连接，云服务器将bin文件推送给4G/5G通信模块，进而传送给无人船控制单元；当4G/5G通信模块通信信号不佳时，该bin文件也可以通过与PC端相连的第一单片无线收发器传送给与无人船控制单元相连的第二单片无线收发器，进而传送给无人船控制单元。

Description

一种无人船用实时无线程序烧录器及实现方法
技术领域
本发明涉及程序烧录技术领域，具体地说，是一种无人船用实时无线程序烧录器及实现方法，该烧录器及程序烧录实现方法是基于云端和无线通信模块基础上的。
背景技术
程序烧录器实际上是一个把可编程的集成电路写入数据的工具，程序烧录器主要用于单片机(含嵌入式)、存储器(含BIOS)之类的芯片的编程(或称刷写)。程序烧录器的样式多种多样，程序烧录器在功能上可分万用型烧录器、量产型烧录器、专用型烧录器。程序烧录器按使用的需求，可以分为研发用和量产用两大类型。现有的各种程序烧录器将程序烧录在IC芯片后，不能判断芯片是否能正常工作，需要用不同的装置对已烧录好的IC芯片进行检测，降低了生产效率，增加了生产成本。
无人船具有智能化、体积小、成本低等特点，可广泛应用于气象、水质采样、水文探测、海事捜救等众多领域，因此，无人船得到了大力发展。无人船在调试过程中，大都通过有线方式使用计算机烧写软件来烧写程序，但是在户外实测时，这种方式特别不方便，也非常耗时费力，增加了维护成本，所以，在无人船上使用无线程序烧录器即可解决这个问题。
发明内容
本发明的目的是针对当前无人船在调试过程中，大都通过有线方式使用计算机烧写软件来烧写程序，但是在户外实测时，这种方式特别不方便，也非常耗时费力，增加了维护成本等问题，因此，提出一种基于云端和无线通信模块的实时无线程序烧录器及其实现方法。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案是：
一种实时无线程序烧录器，该无线程序烧录器包括供电模块、辅助下载控制器、第一单片无线收发器、第二单片无线收发器、4G/5G通信模块、云服务器和PC端。
本发明进一步改进，供电模块包括外置充电口、船载太阳能电池板、锂电池，外置充电口、船载太阳能电池板连接锂电池的输入端，锂电池为无人船控制单元供电。
本发明进一步改进，辅助下载控制器通过SPI总线与第二单片无线收发器相连，通过UART串口与4G/5G通信模块相连，通过IO口与无人船控制单元的BOOT0、RST引脚相连。
本发明进一步改进，单片无线收发器包括第一单片无线收发器、第二单片无线收发器，第二单片无线收发器通过SPI转UART模块与无人船控制单元相连，第一单片无线收发器通过USB转SPI模块与PC端相连，第一单片无线收发器与第二单片无线收发器之间进行点对点无线通信。
本发明进一步改进，4G/5G模块通过UART串口与无人船控制单元相连，4G/5G模块通过MQTT协议与云服务器交互，PC端通过TCP透传与云服务器进行交互。
本发明还披露了一种实时无线程序烧录的实现方法，包括如下步骤：
步骤一：无人船控制单元上电开机，硬件初始化，特别的，辅助下载控制器每次上电时都需要初始化4G/5G通信模块为透传模式；
步骤二：辅助下载控制器检测是否有下载信号发来，若没有下载信号，无人船控制单元则默认从Flash启动，执行APP；若有下载信号，辅助下载控制器则需要进一步判断该中断信号的来源；
步骤三：若中断源为SPI中断，则转步骤四；若中断源为UART中断，则转步骤六；
步骤四：辅助下载控制器向PC端回应ACK信号，将无人船控制单元MCU的BOOT0引脚拉高，并复位无人船控制单元MCU；MCU从系统存储器启动并与PC端握手；
步骤五：PC端发送程序编译生成的bin文件给第一单片无线收发器，第一单片无线收发器通过与第二单片无线收发器进行无线通信，将bin文件发送给第二单片无线收发器，第二单片无线收发器通过SPI转UART模块将bin文件发送给无人船控制单元，然后转步骤八；
步骤六：PC端上传程序编译生成的bin文件给云服务器，4G/5G通信模块与云服务器建立网络连接，若连接成功，则转步骤七；若未连接成功，4G/5G通信模块则重复请求连接云服务器。
步骤七：辅助下载控制器向云服务器回应ACK信号，云服务器收到ACK信号，立即向MCU发送更新标志位’P’并将bin文件发送到4G/5G通信模块中暂存，MCU接收到更新标志位’P’并将其写入到Flash中的特定区域，随后MCU跳转到Bootloader程序，Bootloader程序检测是否有更新，若检测到有更新，则转步骤八；若未检测到更新，则转步骤十一；
步骤八：无人船控制单元MCU通过Bootloader程序下载bin文件到MCU的Flash中；
步骤九：若程序下载完成且校验成功，则转步骤十；若未下载完成，则转步骤八；
步骤十：清除Flash中特定区域的更新标志位’P’，辅助下载控制器将BOOT0置低，并复位MCU；
步骤十一：Bootloader程序初始化外设，并跳转到Flash的应用程序区，执行APP。
本发明的有益效果：本发明可以通过两种方式对无人船控制单元中的程序进行远程无线升级或修改：近距离无线程序烧写，即无人船控制单元通过单片无线收发器之间的点对点无线通信从PC端下载程序；远距离无线程序烧写，即无人船控制单元通过4G/5G通信模块从云服务器下载程序。上述两种无线程序烧写方式使得对无人船控制单元的程序烧录不受空间、传输距离和通信信号的限制，特别方便户外无人船的整机调试与程序升级或修改。
另外，本发明充分利用了4G/5G通信模块和单片无线收发器数据传输速率高、实时性强等特点，满足了户外调试无人船的实时性要求。
本发明结构简单、成本低，既可以利用外置移动电源为其供电，也可以使用无人船上的供电模块供电。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的实现方法流程图。
图中：1-无人船控制单元，2-辅助下载控制器，3-4G/5G通信模块，4-第一单片无线收发器，5-第二单片无线收发器，6-供电模块，61-外置充电口，62-船载太阳能电池板，63-锂电池，7-PC端，8-云服务器。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
实施例：如图1所示，一种实时无线程序烧录器，该无线程序烧录器是基于云端和无线通信模块的，无线程序烧录器包括供电模块6、辅助下载控制器2、第一单片无线收发器4、第二单片无线收发器5和4G/5G通信模块3。
供电模块6包括外置充电口61、船载太阳能电池板62、锂电池63，外置充电口61、船载太阳能电池板62连接锂电池63的输入端，外置充电口61为直流电充电口，建议接入220V交流转直流充电器，锂电池63为无人船控制单元1提供稳定的5V直流工作电源。
单片无线收发器选用nRF24L01芯片，该芯片是由NORDIC生产的工作在2.4GHz-2.5GHz的ISM 频段的单片无线收发器芯片，它的通信接口为4线SPI口，通讯速率最高可达8Mbps，适合与各种MCU连接，编程简单。本发明中的单片无线收发器包括第一单片无线收发器4、第二单片无线收发器5，第二单片无线收发器5通过SPI转UART模块与无人船控制单元1相连，第一单片无线收发器4通过USB转SPI模块与PC端7相连，第一单片无线收发器4与第二单片无线收发器5之间进行点对点无线通信。辅助下载控制器2可通过nRF24L01芯片的IRQ引脚判断是否完成数据接收和数据发送。
4G/5G通信模块3不限于选用某个特定的无线通信模块，本实施例中选用移远EC204G模块，它是专为M2M和IoT应用而设计的LTE Cat 4无线模块。该模块通过UART串口与无人船控制单元1相连，通过MQTT协议与云服务器8交互，PC端7通过TCP透传与云服务器8进行交互。
辅助下载控制器2选用STC15W4K58S4单片机，该单片机有4路UART串口，1路SPI高速同步串行口。该单片机通过SPI总线与第二单片无线收发器5相连，通过UART串口与4G/5G通信模块3相连，通过IO口与无人船控制单元1 的BOOT0、RST引脚相连。本发明中，4G/5G通信模块3在无线通信时使用的是透传模式，由于4G/5G通信模块3断电后会自动关闭透传模式，因此，无人船控制单元1每次上电开机时，辅助下载控制器2都需要初始化4G/5G通信模块3为透传模式。
如图2所示，一种基于云端和无线通信模块的实时无线程序烧录的实现方法，包括如下步骤：
步骤一：无人船控制单元1上电开机，硬件初始化，特别的，辅助下载控制器2每次上电时都需要初始化4G/5G通信模块3为透传模式；
步骤二：辅助下载控制器2检测是否有下载信号发来，若没有下载信号，无人船控制单元1则默认从Flash启动，执行APP；若有下载信号，辅助下载控制器2则需要进一步判断该中断信号的来源；
步骤三：若中断源为SPI中断，则转步骤四；若中断源为UART中断，则转步骤五；
步骤四：辅助下载控制器2向PC端7回应ACK信号，将无人船控制单元1 MCU的BOOT0引脚拉高，并复位无人船控制单元1 MCU；MCU从系统存储器启动，辅助下载控制器2监测串口中有无连续5个以上的 0x7F（也可以多几个）发来，若有，辅助下载控制器2则回应 0x79和0xF1，至此，MCU与PC端7握手连接；
步骤五：PC端7发送程序编译生成的bin文件给第一单片无线收发器4，第一单片无线收发器4通过与第二单片无线收发器5进行无线通信，将bin文件发送给第二单片无线收发器5，第二单片无线收发器5通过SPI转UART模块将bin文件发送给无人船控制单元1，然后转步骤8）；
步骤六：PC端7上传程序编译生成的bin文件给云服务器8，4G/5G通信模块3与云服务器8建立网络连接，若连接成功，则转步骤七；若未连接成功，4G/5G通信模块3则重复请求连接云服务器8。
步骤七：辅助下载控制器2向云服务器8回应ACK信号，云服务器8收到ACK信号，立即向MCU发送更新标志位’P’并将bin文件发送到4G/5G通信模块3中暂存，MCU接收到更新标志位’P’并将其写入到Flash中的特定区域，随后MCU跳转到Bootloader程序，Bootloader程序检测是否有更新，若检测到有更新，则转步骤八；若未检测到更新，则转步骤十一；
步骤八：无人船控制单元1 MCU通过Bootloader程序下载bin文件到MCU的Flash中；
步骤九：若程序下载完成且校验成功，则转步骤十；若未下载完成，则转步骤八；
步骤十：清除Flash中特定区域的更新标志位’P’，辅助下载控制器2将BOOT0置低，并复位MCU。
步骤十一：Bootloader程序初始化外设，并跳转到Flash的应用程序区，执行APP。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种无人船用实时无线程序烧录器，其特征在于，该无线程序烧录器基于云端和无线通信模块，该无线程序烧录器包括供电模块、辅助下载控制器、两个单片无线收发器设定为第一单片无线收发器和第二单片无线收发器、4G/5G通信模块、云服务器和PC端。
2.如权利要求书1所述的无人船用实时无线程序烧录器，其特征在于，所述供电模块包括外置充电口、太阳能电池板、锂电池，外置充电口、无人船载太阳能电池板连接锂电池的输入端，锂电池为无人船控制单元供电。
3.如权利要求书2所述的无人船用实时无线程序烧录器，其特征在于，所述辅助下载控制器通过SPI总线与第二单片无线收发器相连，通过UART串口与4G/5G通信模块相连，通过IO口与无人船控制单元的BOOT0、RST引脚相连。
4.如权利要求书3所述的无人船用实时无线程序烧录器，其特征在于，所述第一单片无线收发器通过USB转SPI模块与PC端相连，第一单片无线收发器与第二单片无线收发器之间进行点对点无线通信。
5.如权利要求书4所述的无人船用实时无线程序烧录器，其特征在于，所述4G/5G通信模块通过UART串口与无人船控制单元相连，4G/5G通信模块通过MQTT协议与云服务器交互，PC端通过TCP透传协议与云服务器进行交互。
6.一种无人船用实时无线程序烧录实现方法，其特征在于，使用如权利要求5所述的无人船用实时无线程序烧录器，具体包括如下步骤：
步骤一：无人船控制单元上电开机，硬件初始化，其中，辅助下载控制器每次上电时都需要初始化，4G/5G通信模块为透传模式；
步骤二：辅助下载控制器检测是否有下载信号发来，若没有下载信号，无人船控制单元则默认从Flash启动，执行APP；若有下载信号，辅助下载控制器则需要进一步判断该中断信号的来源；
步骤三：若中断源为SPI中断，则转步骤四；若中断源为UART中断，则转步骤六；
步骤四：辅助下载控制器向PC端回应ACK信号，将无人船控制单元MCU的BOOT0引脚拉高，并复位无人船控制单元MCU；MCU从系统存储器启动并与PC端握手；
步骤五：PC端发送程序编译生成的bin文件给第一单片无线收发器，第一单片无线收发器通过与第二单片无线收发器进行无线通信，将bin文件发送给第二单片无线收发器，第二单片无线收发器通过SPI转UART模块将bin文件发送给无人船控制单元，然后转步骤八；
步骤六：PC端上传程序编译生成的bin文件给云服务器，4G/5G通信模块与云服务器建立网络连接，若连接成功，则转步骤七；若未连接成功，4G/5G通信模块则重复请求连接云服务器；
步骤七：辅助下载控制器向云服务器回应ACK信号，云服务器收到ACK信号，立即向MCU发送更新标志位’P’并将bin文件发送到4G/5G通信模块中暂存，MCU接收到更新标志位’P’并将其写入到Flash中的特定区域，随后MCU跳转到Bootloader程序，Bootloader程序检测是否有更新，若检测到有更新，则转步骤八；若未检测到更新，则转步骤十一；
步骤八：无人船控制单元MCU通过Bootloader程序下载bin文件到MCU的Flash中；
步骤九：若程序下载完成且校验成功，则转步骤十；若未下载完成，则转步骤八；
步骤十：清除Flash中特定区域的更新标志位’P’，辅助下载控制器将BOOT0置低，并复位MCU；
步骤十一：Bootloader程序初始化外设，并跳转到Flash的应用程序区，执行APP。
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