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ESP32_COMM · DCU 通信与 OTA 中枢固件
文档同步版本:v0.5.2(git 770ae14)· 2026-10-11 本 README 是 docs/project_introduction.html(完整白皮书,含 21 幅 SVG 原理图)的浓缩版,两者须同步更新(见文末「文档同步说明」)。
ESP32-C3FH4 固件,作为 GD32E508 DCU 板的通信与 OTA 中枢:
[上位机 PC/手机网页] --WiFi HTTP / BLE GATT--> [ESP32-C3FH4] --SPI Link v2 (13.33MHz, 5线)--> [GD32E508]
| |
gd32_ota 252KB 固件缓存 3×CANFD 收发器(电机总线)
app0/app1 AB 自升级 电机 OTA CAN 二次中继
- OTA 中继:GD32 固件(六阶段安全握手 + AES-128 逐包加密转发)、ESP32 自身 AB 分区升级、电机节点经 GD32 CAN 二次烧写
- SPI Link v2 主站:会话 / 序号 / 信用流控 / CRC32 / HELLO 重同步 / 透明重试
- CAN 控制面:单帧、批量、跨通道同步突发(0xC7)、只听模式(0xC8)、遥测回收(0xC4/C5/C6)
硬件与分区
| 项 | 值 |
|---|---|
| 芯片 | ESP32-C3FH4(RISC-V 单核 160MHz)· 4MB Flash(DIO) |
| SPI | MOSI=5, MISO=7, SCLK=6, CS=4, DATA_READY=10;13.33MHz Mode 0(CONFIG_DCU_SPI_CLOCK_HZ) |
| 调试串口 | UART0 TX=21/RX=20,3 Mbps(115200 为 sdkconfig 控制台项);UDP 日志 192.168.31.3:6666 |
| 欠压 | LVL7(≈2.8V,防长断电半复位) |
| 分区 | 偏移 | 大小 | 用途 |
|---|---|---|---|
| nvs | 0x9000 | 24KB | 配置 + OTA 元数据(ota_meta:total/stored/last_seq/checksum) |
| otadata | 0xF000 | 8KB | AB 启动标志 |
| gd32_ota | 0x11000 | 252KB | GD32/电机固件缓存(互斥共用) |
| app0 / app1 | 0x50000 / 0x190000 | 各 1.25MB | ESP32 AB 分区(回滚保护) |
| spiffs | 0x2D0000 | 1.06MB | 用户数据 |
架构与任务
接入层 server/: wifi_ota(STA/AP+路由表) · http_handlers(22 路由) · ble_ota*(GATT/窗口ACK/reorder/池)
协调层 ota/: OtaCoordinator(9 态单例, 唯一权威入口, 忙态看门狗 150s, epoch 保护) · Esp32OtaCore
执行层 relay/ storage/: OtaRelay(7 态事件状态机) · Gd32FlashStore(擦除水位/NVS meta/SHA/包身份校验)
monitor/: MotorOtaRelay(0xD0/D1/D2 喂数)
底层 transport/: SpiMaster(Link v2+worker 串行) · protocol(AES/nonce) · canfd_bridge(0xC0~C8)
横切 monitor/: health_monitor · debug_log(3 路) · can_feedback_task · cpu_stats · task_stack 等
| 任务 | 优先级 | 栈 | 职责 |
|---|---|---|---|
| ota_relay | 23 | 2560 | GD32 转发状态机 |
| wifi_ota / ble_ota | 22 | 3072/2560 | WiFi/HTTP 与 NimBLE |
| health_mon | 21 | 3072 | 温度 1s + 5s 巡检 |
| ble_data_worker | 12 | 2560 | BLE 数据排空 |
| spi_worker | 8 | 5120 | 唯一持 SPI,串行 Job 池(7) |
| motor_feed | 7 | 4096 | 电机 OTA 0xD1 喂数 |
| wifi_reconnect / can_fb | 5/4 | 2560/4096 | 重连退避 / 0xC5(250ms)·0xC4(1s) 周期查询 |
| cpu_stats / uart_rx | 1 | 3072 | 1Hz 统计 / 串口行→/logs |
核心机制速记(细节见白皮书对应章节)
- SPI Link v2(§5):帧 = 16B 头(SOF A5 5A/VER 02/FLAGS/SESSION 4LE/TX_SEQ/ACK_SEQ/CREDIT/TYPE/LEN)+ 载荷 ≤236B + CRC32-MPEG2。延迟一拍全双工:transact 两步法(发送丢弃陈旧 RX → poll 按 DATA_READY 边沿读真实响应)。credit 8/8 背压,credit=0 死锁有 PB6 强制放行 +
resetCredit()双破除。透明重试kTxRetryMax=3(同 TX_SEQ,GD32 DUP-SEQ 去重兜底)。CS 事务间隔 ≥1ms + 快速类型(0xA1/0xA3/0xC0~C5/C7/D1/F7)禁盲读防撕裂;3 连败熔断 2s;session=0 自动 HELLO 重同步(5s 冷却)。 - 安全握手(§6):GD32 OTA 数据面——0x00 0xAC → 36B challenge(UID 12B + nonce 回显 8B + AES(MASTER_KEY,K_session) 16B)→
K_session = AES-128-ECB(MASTER_KEY, nonce_server)→ AES(K_session, nonce^0x55) → 0xBA 0xC0。nonce 由 scrambleGenerate(tick/栈址/0x12345678 ⊗ 每开机 RNG 扰码常数)生成。 - GD32 OTA 中继(§7):RELAY_IDLE→HANDSHAKING(20×1.6s)→SIZE_NEG(poll 500ms×120,GD32 擦 Flash)→TRANSFERRING(64B 包=4B session+2B seq+48B AES+4B if_end+4B CRC32(key 混入);预算 10s+25ms/包 ≤120s;每 32 包健康检查;单包 5 次 DATA×50ms,末包 ACK=0xF0F0F0F0)→FINISHING(0x0A 0xAC×10 重试 + PING 实证 APP 存活)。失败必发 SPI CANCEL 清 GD32 半会话。包级防呆:Cortex-M 向量表判 kApp 才放行(BOOT 包禁入 APP 区)。
- ESP32 本机 OTA(§7.4):
OTA_WITH_SEQUENTIAL_WRITES边写边擦;finalize 分区读回算 SHA-256 与前端比对,不符回ESP_ERR_INVALID_VERSION+设备 SHA;mark_app_valid_cancel_rollback()回滚保护;期间setSpiPaused(true)。 - BLE OTA(§8):GATT 0xFFFF/0x0001~0x0004,MTU 512,载荷 480B;窗口 ACK 64(累计字节校验)+ reorder 64 槽 + 负 ACK 续传(64 包/200ms 节流);DATA_IN 池 8×512B(曾 32KB 致收尾 OOM);CTRL 0xF7 触发 GD32 中继 / 0xF8 ESP32 收尾 / 0xFA 重启 / 0xFB 中止(0xF9 预留未实现);BLE 与 WiFi OTA 软挂起共存(不 deinit 协议栈)。
- CANFD 桥接(§10):0xC0 单帧(最短 5B)/0xC1 统计+ID 快照分页(28B 头+条目 8+dlc,bus_state bit0
5,bit5=Silent)/0xC2 收模式(全收/过滤/CAN0→1/2 桥接)/0xC7 跨通道突发(ISR 内装载全部邮箱后回一个 ACK,组内偏差 <1ms;单次 ≤16 帧,HTTP ≤24 帧,id=(node<<16)|suffix)/0xC8 收发器 Silent(TCAN1057AV S 脚 PA8/PB14/PB9,接收照常,不持久化,发送回 E6)。错误码 E0E7:E2/E3(BUS_OFF/TEC>96) fatal 中止批量,E4 邮箱满,E5 电机 OTA 残留(自动 CANCEL→resetCredit→重试 START 自愈),E6 Silent,E7 被电机 OTA 独占。 - 电机 OTA(§11):/motor/ota 上传(整区强制擦除)→ 0xD0 START(fire-and-forget)→ feedTask 0xD1 {绝对 offset+≤232B}(重传幂等;120s 整体超时;8 败/150 WAIT → QUERY)→ 0xD2 进度。
- 监控(§12):健康 4 级(80°C/100°C;RSSI -80/-85/-88;堆 10KB)门控 OTA;日志三路(UART 3M 非阻塞 / UDP / 环 64→16 槽 →/logs)+ UART0 RX 泵;遥测 0xC5 电机状态 27 槽×14 页、0xC4 ADC(VCC=vin×11)、0xC6 电机版本、0xA3 初始化状态 13 模块故障码;CPU/任务栈/堆低水位快照/启动自检 16 位位图全进 /system/status。
HTTP API(22 条路由 / 21 路径,无认证,CORS 全开)
| 方法 | 路径 | 功能 |
|---|---|---|
| POST | /ota/upload | 固件上传(JSON 头 {"type":"esp32"|"gd32","total_size":N} + 二进制流式) |
| POST | /ota/update | ESP32 OTA 收尾 {sha256, verify_only}(SHA 比对→set_boot→重启) |
| POST | /ota/relay | 触发 GD32 中继(前端 SHA + kApp 身份校验) |
| POST | /restart | 重启 |
| GET | /logs | 日志环 chunked 流式 |
| GET | /system/status | 全量状态(?lite=1 / ?layout=1;含 spi_link 统计、启动自检、GD32 版本/ADC) |
| GET | /system/probe · /system/heap_low_log | GD32 存活探测 / 堆低水位快照 |
| POST | /can/send_batch · /can/send_burst | 批量发送(≤128 帧)/ 跨通道突发(≤24 帧) |
| GET·POST | /can/feedback · /can/mode · /can/silent | 快照查询 / 收模式 / Silent 只听 |
| POST | /spi/send | 原始 SPI 帧透传 |
| GET | /motor/state(?bin=1) · /motor/version | 电机状态二进制协议 / 版本 |
| POST·GET | /motor/ota · /motor/ota/relay · /motor/ota/status · /motor/ota/cancel | 电机 OTA 全流程 |
| GET | /spi/speedtest | SPI 性能测试(临时) |
WiFi:STA 优先(SSID「004舰桥」,FAST_SCAN,CN 1-13),冷启动退避 2s×retry≤3 / 否则 1s,5 次耗尽或 30s 超时降级 AP(ESP32_OTA_RELAY/12345678,192.168.31.1,信道 6,≤4 台)。无 mDNS,访问靠固定 IP。
BLE GATT 速查
| UUID | 特征 | 说明 |
|---|---|---|
| 0xFFFF | Service | 设备名 ESP32-OTA-RELAY |
| 0x0001 | CTRL (Write) | 0xF7/0xF8/0xFA/0xFB(0xF9 预留) |
| 0x0002 | DATA_IN (WriteNoRsp) | cmd 1B(0x00 GD32/0x01 ESP32)+seq u16+total u32+payload ≤480B |
| 0x0003 | DATA_OUT (Notify) | 0xA1 ACK 8B / 0xB1 FINISH 6B / 0xC1 SHA 35B |
| 0x0004 | VERSION (Read) | 版本+构建时间 |
构建与烧录
# ESP-IDF v6.0 环境(IDF_TOOLS_PATH/IDF_PATH/PATH,或用 .devcontainer)
Set-Location "G:\Robot_v2\DCU\ESP32_COMM"
python "F:\.espressif\v6.0\esp-idf\tools\idf.py" build # 产物 build/ESP32_COMM.bin
& "F:\.espressif\v6.0\esp-idf\tools\idf.py" -p COM15 flash monitor # 串口烧录(恢复手段)
- 发版:手动改
main/include/version.h(版本号+变更摘要注释+GIT_HASH);构建时间自动生成 - 网页升级:控制台上传
build/ESP32_COMM.bin→ SHA 比对 → 重启(前端按 banner「OTA Relay … 启动」+ uptime<120s 判定恢复) - GD32:上传 .bin/.hex → /ota/relay → 六阶段转发 → PING 确认;电机:/motor/ota → /motor/ota/relay
网页控制台
tools/ 已移出仓库(快照 .cache/ws_era_frontend_backup/),tools/serve.bat(http.server:8080)托管,跨源调 REST API,改网页无需重编固件。页面:index.html OTA 控制台(双通道、阶段条、启动自检面板、堆/任务抽屉、日志);motor.html 电机控制台(三轮询链路互不阻塞、波形);can.html / can_monitor.html(DBC、报文编辑、收发监控)。
安全注意与已知限制
- ⚠️ HTTP 无认证(Bearer token 方案已设计未实施);WiFi 凭据与 MASTER_KEY 占位值明文入仓(2026-08 审计项,待迁 NVS/Kconfig)
- ⚠️ AES-ECB 确定性模式;无固件签名(仅 SHA-256 完整性 + GD32 侧挑战-应答)
- Flash 必须锁 DIO(QIO 会致 OTA 读回 SHA 必错);SPI ≥16MHz 全双工不可行
- tools/ 不在仓库;
spi_link/为三工程共享兄弟目录(../../../spi_link/),协议改动需三侧同步
文档同步说明(HTML ↔ README)
- docs/project_introduction.html = 完整白皮书(算法字节级细节、状态机、SVG 图解、事故沉淀);本 README = 浓缩速查版,内容同源
- 同步规则:凡影响功能清单 / 协议与常量数值 / 状态机 / 端点表 / 实现状态的代码变更,须同时更新两份文档;变更摘要写
main/include/version.h注释;细节以 HTML 为准;两文件顶部「文档同步版本」随变更递增(当前 v0.5.2 / 2026-10-11)
Languages
C++
93.5%
C
5.4%
CMake
0.7%
Python
0.4%