LIN诊断实现MCU本地OTA升级
一、目标
通过PC端上位机实现MCU本地的OTA升级，本篇文章对实现的目的、需要用到的第三方工具、LIN诊断帧、升级协议、MCU端升级过程以及PC端升级过程做详细说明。
二、目的
最近在做MCU项目时需要将样机寄给客户进行验证，在客户的验证过程中要求参数可调试，如果需要修改软件升级MCU就很麻烦。于是就想做个上位机实现MCU升级功能，项目中MCU只有LIN接口可以用来作为调试接口，于是就想通过LIN诊断协议进行参数调试和实现本地OTA升级功能。
三、第三方工具
一般LIN开发用的调试工具是CANOE，但是CANOE太贵了，客户端也不一定有CANOE工具，于是选用了在淘宝就可以买到的一款USB转LIN的调试工具-图莫斯UTA0503，如下图:
用这款工具的好处是厂家提供了二次开发的接口库，用户可以使用这个库进行二次开发，实现自己的PC上位机，支持QT等实现。
四、LIN诊断帧
从发送格式上，诊断帧的PDU 单元U (Packet Data Unit，分组数据单元)可分为单帧(Single Frame，SF)、首帧(First Frame，FF)和续帧(Consecutive Frames， CF)三种。从发送源上，主机发送请求 PDU，从机发送应答 PDU。 如下图所示，为 PDU 格式，包括节点地址(NAD),协议控制信息(PCI),LEN,服务 ID(SID),应答服务 ID(RSID), 消息字节段(D1~D6)。首字节 NAD 首先发送，末字节 D4,D5,D6 最后发送。
第一个字节是 NAD（node address），用于区分不同从机节点的地址。 0x00 用于休眠命令； 0x01～0x7D 从机节点地址，即 NAD 0x7E 功能节点地址（功能 NAD）； 0x7F 广播节点地址（广播 NAD）； 0x80～0xFF 用户自定义。
第二个字节是 PCI（Protocol Control Information）信息，包含了 PDU 单元类型和消息字节长度 的信息。如下表：
单帧中，附加信息 Length 表示消息字节数加 1。首帧中，附加信息只表示 Length 的高 4 位，低 8 位在 LEN 中表示。因此在消息长度为 12 位数据，最大长度为 4095（0xFFF）。 续帧中的附加信息表示首帧后，跟随的续帧的编号，第一个续帧编号为 1，之后累加 1。如果续帧数多于 15 个，那么帧计数器在第 16 个续帧时从 0 重新计数。
SID（Service Identifier）表示了从机节点应完成的服务请求。节点配置服务的 SID 区间为 0xB0~0xB7,诊断 服务的 SID 区间为 0x00~0xAF,0xB8~0xFE。
RSID（Response Service Identifier）表示从机节点应答的内容，它的值是 SID+0x40。
五、升级协议
5.1 升级时序如下图所示：
5.2 升级协议定义：
| 1）节点探测指令： | ||||||||
| PC端请求 | byte1(NAD) | byte2(PCI) | byte3(SID) | byte4 | byte5 | byte6 | byte7 | byte8 |
| 单帧 | 需要探测的节点地址 | 0x06 | 0xB2 | 0x20 | 产商ID低8位 | 产商ID高8位 | 功能ID低8位 | 功能ID高8位 |
| 说明：使用0xB2诊断服务进行节点探测，byte4的0x20为自定义的节点探测服务识别ID，产商ID和功能ID根据MCU定义修改 | ||||||||
| MCU端应答 | byte1(NAD) | byte2(PCI) | byte3(RSID) | byte4 | byte5 | byte6 | byte7 | byte8 |
| 单帧 | MCU节点地址 | 0x06 | 0xF2 | 0x21 | 0x22 | 0x23 | 0x24 | 0x25 |
| 说明：如果节点存在，MCU应答byte4~byte8的内容可以自行定义。 | ||||||||
| 2）开始升级指令： | ||||||||
| PC端请求 | byte1(NAD) | byte2(PCI) | byte3(SID) | byte4 | byte5 | byte6 | byte7 | byte8 |
| 单帧 | 需要升级的节点地址 | 0x06 | 0x22 | 0xFA | 0x30 | 0x00 | 0x00 | 0x00 |
| 说明：使用0x22诊断服务发送节点升级指令，byte4的0xFA为自定义的节点升级服务识别ID，byte5的0x30为开始升级指令。 | ||||||||
| MCU端应答 | byte1(NAD) | byte2(PCI) | byte3(RSID) | byte4 | byte5 | byte6 | byte7 | byte8 |
| 单帧 | MCU节点地址 | 0x06 | 0x62 | 0xFA | 0x30 | 错误码 | 0x00 | 0x00 |
| 说明：byte6字节为错误码定义，参照升级错误码定义。 | ||||||||
| 3）升级包总数指令： | ||||||||
| PC端请求 | byte1(NAD) | byte2(PCI) | byte3(SID) | byte4 | byte5 | byte6 | byte7 | byte8 |
| 单帧 | 需要升级的节点地址 | 0x06 | 0x22 | 0xFA | 0x31 | 包总数高8位 | 包总数低8位 | 0x00 |
| 说明：byte5的0x31为升级包总数指令，byte6和byte7为2字节大小的升级包总数的高8位和低8位。 | ||||||||
| MCU端应答 | byte1(NAD) | byte2(PCI) | byte3(RSID) | byte4 | byte5 | byte6 | byte7 | byte8 |
| 单帧 | MCU节点地址 | 0x06 | 0x62 | 0xFA | 0x31 | 错误码 | 0x00 | 0x00 |
| 说明：byte6字节为错误码定义，参照升级错误码定义。 | ||||||||
| 4）升级包ID请求指令： | ||||||||
| PC端请求 | byte1(NAD) | byte2(PCI) | byte3(SID) | byte4 | byte5 | byte6 | byte7 | byte8 |
| 单帧 | 需要升级的节点地址 | 0x06 | 0x22 | 0xFA | 0x32 | 0x00 | 0x00 | 0x00 |
| 说明：byte5的0x32为升级ID请求指令，由MCU告知当前需要发送的下一个升级包ID。 | ||||||||
| MCU端应答 | byte1(NAD) | byte2(PCI) | byte3(RSID) | byte4 | byte5 | byte6 | byte7 | byte8 |
| 单帧 | MCU节点地址 | 0x06 | 0x62 | 0xFA | 0x32 | 错误码 | 包ID高8位 | 包ID低8位 |
| 说明：byte6字节为错误码定义，参照升级错误码定义。Byte7和8为MCU下一个升级包ID。 | ||||||||
| 5）升级包数据指令： | ||||||||
| PC端请求 | byte1(NAD) | byte2(PCI) | byte3(LEN) | byte4(SID) | byte5 | byte6 | byte7 | byte8 |
| 首帧 | 需要升级的节点地址 | 0x10 | 0x45 | 0x22 | 0xFA | 0x33 | 包ID高8位 | 包ID低8位 |
| 续帧1 | 需要升级的节点地址 | 0x21 | D1 | D2 | D3 | D4 | D5 | D6 |
| 续帧2 | 需要升级的节点地址 | 0x22 | D7 | D8 | D9 | D10 | D11 | D12 |
| 续帧3 | 需要升级的节点地址 | 0x23 | D13 | D14 | D15 | D16 | D17 | D18 |
| 续帧4 | 需要升级的节点地址 | 0x24 | D19 | D20 | D21 | D22 | D23 | D24 |
| 续帧5 | 需要升级的节点地址 | 0x25 | D25 | D26 | D27 | D28 | D29 | D30 |
| 续帧6 | 需要升级的节点地址 | 0x26 | D31 | D32 | D33 | D34 | D35 | D36 |
| 续帧7 | 需要升级的节点地址 | 0x27 | D37 | D38 | D39 | D40 | D41 | D42 |
| 续帧8 | 需要升级的节点地址 | 0x28 | D43 | D44 | D45 | D46 | D47 | D48 |
| 续帧9 | 需要升级的节点地址 | 0x29 | D49 | D50 | D51 | D52 | D53 | D54 |
| 续帧10 | 需要升级的节点地址 | 0x2A | D55 | D56 | D57 | D58 | D59 | D60 |
| 续帧11 | 需要升级的节点地址 | 0x2B | D61 | D62 | D63 | D64 | 0xFF | 0xFF |
| 说明：byte5的0x33为升级包数据发送指令,包数据长度为64字节(D1~D64)，最后一包的数据不满64字节则填充0xFF。 | ||||||||
| MCU端应答 | byte1(NAD) | byte2(PCI) | byte3(RSID) | byte4 | byte5 | byte6 | byte7 | byte8 |
| 单帧 | MCU节点地址 | 0x06 | 0x62 | 0xFA | 0x33 | 错误码 | 包ID高8位 | 包ID低8位 |
| 说明：byte6字节为错误码定义，参照升级错误码定义。Byte7和8为MCU下一个升级包ID。 | ||||||||
| 6）CRC校验码发送指令： | ||||||||
| PC端请求 | byte1(NAD) | byte2(PCI) | byte3(SID) | byte4 | byte5 | byte6 | byte7 | byte8 |
| 单帧 | 需要升级的节点地址 | 0x06 | 0x22 | 0xFA | 0x34 | 校验码高8位 | 校验码低8位 | 0x00 |
| 说明：byte5的0x34为升级包校验码发送指令，由PC计算（累加升级包数据每个字节包括填充的0xFF）并发送计算的CRC校验码值（16字节）。 | ||||||||
| MCU端应答 | byte1(NAD) | byte2(PCI) | byte3(RSID) | byte4 | byte5 | byte6 | byte7 | byte8 |
| 单帧 | MCU节点地址 | 0x06 | 0x62 | 0xFA | 0x34 | 错误码 | 校验码高8位 | 校验码低8位 |
| 说明：byte6字节为错误码定义，参照升级错误码定义。Byte7和8为MCU计算的CRC校验码数值，算法同PC端。 | ||||||||
| 7）重启MCU指令： | ||||||||
| PC端请求 | byte1(NAD) | byte2(PCI) | byte3(SID) | byte4 | byte5 | byte6 | byte7 | byte8 |
| 单帧 | 需要升级的节点地址 | 0x06 | 0x22 | 0xFA | 0x35 | 0x00 | 0x00 | 0x00 |
| 说明：byte5的0x35为升级包接收完整重启MCU指令。 | ||||||||
| MCU端应答 | byte1(NAD) | byte2(PCI) | byte3(RSID) | byte4 | byte5 | byte6 | byte7 | byte8 |
| 单帧 | MCU节点地址 | 0x06 | 0x62 | 0xFA | 0x35 | 错误码 | 0x00 | 0x00 |
| 说明：byte6字节为错误码定义，参照升级错误码定义。 | ||||||||
六、MCU端升级过程：
MCU端flash分区如上图所示，boot为启动分区，app1为A分区，也是app启动运行的分区，app2为B分区，用于升级过程接收保存升级包数据的备份分区，data flash分区为用户数据保存区域和升级标志等信息保存区域。
MCU端接收升级数据包并写入B分区并累加CRC校验码，当升级包接收完成后计算的CRC校验码和PC端发送过来的校验码一致的话说明接收的数据包是完整的，写入升级标志置位、包总数和CRC等信息,并重启MCU。Boot启动时读取升级标志，包总数和CRC校验值，判断升级标志是否置位，如果置位则读取B分区内容并计算CRC校验值，如果计算的CRC校验值和保存的CRC校验值一致说明B分区数据完整无误。擦除A分区数据内容，将B分区数据拷贝到A分区。跳转到A分区运行。
七、PC端升级过程：
上位机提供了本地OTA升级功能。用户可以在没有烧写工具的情况下通过LIN升级APP软件,升级界面如下图1所示，界面中有“升级节点探测”功能和“升级”功能两块。
其中“升级节点探测”功能是为了探测可升级的节点地址，为后续升级使用。如果探测到可升级的MCU节点，将在“探测节点地址列表”中显示。
探测节点完成后可以在列表中选中要升级的节点，后续对同一个MCU升级已经知道了节点地址就可以直接在“2”所在的位置直接填写节点地址不需要再去走探测流程。然后点击“加载升级文件”按钮选则需要升级的bin文件，Bin文件信息将在旁边的矩形框中显示。点击“开始升级”按钮开始进行升级。如果升级过程中出现错误，比如CRC校验错误等，可以再次点击“开始升级”按钮进行升级，升级过程比较慢，大概需要两三分钟。当所有的升级包都发送成功后会弹出如下图2所示的对话框提示用户是否需要写入升级标志并重启MCU，如果用户点击取“取消”按钮，升级包数据仅仅保存在B分区，并不会更新到A分区，升级过程实际并没有完成。用户点击“确定”按钮才真正重启MCU将B分区数据拷贝到A分区，并从A分区启动运行程序。
图1
图2
八、总结
通过实现LIN诊断协议OTA升级功能，让我对LIN诊断协议有了更加深刻的理解。本文定义的协议也适用于OTA远程升级，对升级流程中有考虑不足的请指出，谢谢。