基于Modbus-RTU协议的Bootloader升级系统设计

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一、串口协议配置

1. 基本串口参数

// Qt串口配置代码
QSerialPort serial;
serial.setPortName("COM1");       // 用户可选择端口
serial.setBaudRate(QSerialPort::Baud9600);
serial.setDataBits(QSerialPort::Data8);
serial.setParity(QSerialPort::NoParity);
serial.setStopBits(QSerialPort::OneStop);
serial.setFlowControl(QSerialPort::NoFlowControl);

// 连接接收槽函数
connect(&serial, &QSerialPort::readyRead, this, &ModbusMaster::handleReadyRead);

二、Hex文件处理

1. 文件解析与转换

bool ModbusMaster::loadAndParseHexFile(const QString &filePath) 
{
    QFile file(filePath);
    if (!file.open(QIODevice::ReadOnly)) {
        qWarning() << "文件打开失败:" << filePath;
        return false;
    }

    // 此处简化处理直接读取二进制数据
    QByteArray data = file.readAll();
    file.close();

    // 分块处理（512字节/块）
    for (int i = 0; i < data.size(); i += 512) {
        QByteArray block = data.mid(i, 512);
        if(block.size() < 512) {
            block.append(QByteArray(512 - block.size(), 0xFF)); // 填充0xFF
        }
        dataBlocks.append(block);
    }
    
    return !dataBlocks.isEmpty();
}

三、Modbus-RTU协议帧格式

1. 数据帧结构

字段	长度	说明
从机地址	1字节	目标设备地址（0x01~0xFF）
功能码	1字节	0x03读/0x10写多寄存器
数据地址	2字节	寄存器起始地址
数据内容	N字节	最好的方式是block号(2字节)+512字节数据
CRC校验	2字节	Modbus CRC16校验

2. 关键寄存器定义

寄存器地址	类型	功能描述
0x00E0	读写	状态寄存器（0:APP, 1:Bootloader）用于确认当前状态（读取回复00 xx，写入需要加校验（cc xx），可使用读UID校验进入bootloder）
0x00E1	读写	固件版本号（例如0x0102表示V1.2）上位机读取文件名
0x00E2	只写	总数据块数（数据长度/512 + 1）
0x00E3	写	数据块写入接口
0x00E4	读	完整CRC校验

四、核心功能实现

1. 数据发送模块

QByteArray ModbusMaster::createModbusRequest(const bankNum,const QByteArray &data) {
    /* 自定义Bootloader协议帧格式：
       ---------------------------------------------------
       | 地址(1) | 功能码(1) | 块序号(2) | 数据块(512) | CRC16(2)    |
       --------------------------------------------------- */
    QByteArray frame;
    quint8 slaveAddr = 0x01;       // 从机地址
    quint8 funcCode = 0x06;        // 自定义写操作
    
    // 帧头
    frame.append(slaveAddr);
    frame.append(funcCode);

    // 块序号
    frame.append(bankNum >> 8);
    frame.append(bankNum & 0xFF);
    
    // 数据块（固定512字节）
    if(data.size() < 512){
        frame.append(data);
        frame.append(QByteArray(512 - data.size(), 0xFF)); // 填充
    } else {
        frame.append(data.left(512));
    }
    
    // CRC校验
    quint16 crc = calculateCRC(frame);
    frame.append(quint8(crc & 0xFF));
    frame.append(quint8((crc >> 8) & 0xFF));
    return frame;
}

2. CRC校验实现

quint16 ModbusMaster::calculateCRC(const QByteArray &data)
{
    quint16 crc = 0xFFFF;
    for (char byte : data) {
        crc ^= (quint8)byte;
        for (int i = 0; i < 8; ++i) {
            if (crc & 0x0001) {
                crc = (crc >> 1) ^ 0xA001;
            } else {
                crc >>= 1;
            }
        }
    }                                                         
    return crc;
}

3. 响应处理状态机

void ModbusMaster::handleReadyRead()
{
    QByteArray response = serial.readAll();
    
    // 验证CRC
    quint16 receivedCRC = (quint8)response.at(response.size()-2) << 8 
                        | (quint8)response.at(response.size()-1);
    quint16 calculatedCRC = calculateCRC(response.left(response.size()-2));
    
    if(receivedCRC != calculatedCRC) {
        qWarning() << "CRC校验失败";
        return;
    }

    // 解析功能码
    quint8 functionCode = (quint8)response[1];
    switch(functionCode) {
    case 0x10: // 写寄存器响应
        handleWriteResponse(response);
        break;
    case 0x03: // 读寄存器响应
        handleReadResponse(response);
        break;
    default:
        qWarning() << "未知功能码:" << functionCode;
    }
}

五、升级流程控制

sequenceDiagram
    participant 上位机
    participant 下位机
    
    上位机->>下位机: 发送身份验证（挑战-响应）
    activate 下位机
    下位机-->>上位机: 返回响应数据+状态
    deactivate 下位机
    
    上位机->>下位机: 写0x00F0进入Bootloader
    下位机-->>上位机: 操作成功响应(0x00F0 0x0001)
    
    上位机->>下位机: 读0x00F0确认状态
    下位机-->>上位机: 返回当前模式(0x0001)
    
    上位机->>下位机: 读0x00F1（固件版本）
    下位机-->>上位机: 返回版本号
    上位机->>上位机: 验证版本兼容性
    
    alt 版本验证通过
        上位机->>下位机: 写0x00F2总块数
        下位机-->>上位机: 确认接收块数
        
        loop 数据块传输
            上位机->>下位机: 写0x00F3发送数据块(n)
            下位机-->>上位机: 确认接收或错误码
            alt 传输失败
                上位机->>上位机: 指数退避重试(最多3次)
            end
        end
        
        上位机->>下位机: 读0x00F4全局CRC
        下位机-->>上位机: 返回计算后的CRC
        
        alt CRC匹配
						上位机->>下位机: 写0x00F1（固件版本）
				    下位机-->>上位机: 返回新版本号
            上位机->>下位机: 写0x00F0返回APP模式
            下位机-->>上位机: 操作成功响应
        else CRC不匹配
            上位机->>上位机: 触发错误处理流程
        end
        
    else 版本验证失败
        上位机->>下位机: 写0x00F0返回APP模式
        下位机-->>上位机: 模式切换确认
        上位机->>上位机: 记录错误日志并终止
    end

1. 状态转移流程

stateDiagram-v2
    [*] --> Idle
    Idle --> EnterBootloader: 开始升级
    EnterBootloader --> SendMetadata: 收到ACK
    SendMetadata --> TransferData: 收到ACK
    TransferData --> TransferData: 发送下一块
    TransferData --> Finalize: 最后一块完成
    Finalize --> [*]: 收到最终确认

2. 错误处理机制

错误类型	处理方式
CRC校验失败	自动重发当前数据块（最多3次）
超时无响应	自动重发当前数据块（最多3次）
版本不匹配	终止升级并提示错误
Flash写入失败	记录错误地址并尝试续传

六、下位机响应规范

1. 成功响应格式

01 06 00F3 0001 XXXX (CRC)

• 第1字节：从机地址
• 第2字节：功能码
• 第3-4字节：写入地址
• 第5-6字节：成功写入的bank号
• 最后2字节：CRC校验

2. 错误响应格式

01 90 04 XXXX (CRC)

• 第2字节：功能码+0x80
• 第3字节：错误代码
  • 0x01: 非法功能
  • 0x02: 非法地址
  • 0x03: 数据值错误
  • 0x04: 设备忙

2.2 自定义Bootloader异常码

异常码	名称	触发场景	建议处理方式
0x11	CRC Check Failed	数据块CRC校验失败	自动重传（最多3次）
0x12	Flash Write Error	Flash编程失败	记录错误地址块，尝试续传
0x13	Device Busy	设备处理忙状态	指数退避重试（最大5次）
0x14	Auth Failed	身份验证失败	终止并触发安全锁定

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注意事项

1. Hex文件解析：实际项目需实现完整的HEX或bin格式解析
2. 内存对齐：确保数据块地址符合Flash页对齐要求
3. CRC校验：必须在下位机端同步实现相同算法
4. 超时时间：根据实际硬件性能调整（3-5秒）
5. 固件验证：升级完成后建议执行整体CRC校验