基于串口的通用的單片機(jī)在系統(tǒng)編程設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
一般來說，在系統(tǒng)編程(ISP)是指依靠某種外部工具(除了常規(guī)的并行編程器以外)直接給處理器內(nèi)部集成的程序存儲(chǔ)器編程。這里所指的外部工具常見的有很多種，不同的處理器供應(yīng)廠商可能提供不同的方案。例如，根據(jù)編程接口的不同，就有JTAG、單線、串口、SPI口等多種方式。盡管編程方式有所不同，但其原理都是類似的，就是依靠外部條件觸發(fā)處理器，令其脫離正常執(zhí)行的內(nèi)部常規(guī)用戶應(yīng)用程序代碼的進(jìn)程，轉(zhuǎn)而執(zhí)行保存在其程序存儲(chǔ)空間內(nèi)某個(gè)固定位置處的控制擦除程序存儲(chǔ)器及給程序存儲(chǔ)器編程的代碼(或是處理器外部提供的執(zhí)行代碼)，然后通過某種與PC計(jì)算機(jī)的通信方式，將用戶指定的某個(gè)在PC上編譯完成的嵌入式處理器可運(yùn)行的二進(jìn)制代碼文件編程人嵌入式處理器內(nèi)的程序存儲(chǔ)器。這種編程方式只需要常規(guī)的硬件配置(某些處理器可能需要某些叫作下載線的簡單硬件電路)支持，而不需要特別的編程器(指并行編程器)支持，所以即使處理器芯片已經(jīng)焊接到了電路板上也可以實(shí)現(xiàn)編程，這也就是ISP的真實(shí)含義。
1 通用的在系統(tǒng)編程方法
隨著嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，電可擦除的FLASH芯片以容量大，價(jià)格低，編程方便等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用。用一片F(xiàn)LASH作為程序存儲(chǔ)器的系統(tǒng)無法直接實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程(ISP)，為了方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和程序升級(jí)，可以采用集成ISP功能的MCU(如AVR、部分ARM芯片等)，或者采用雙FLASH設(shè)計(jì)等方法實(shí)現(xiàn)ISP功能。但有不少系統(tǒng)仍然使用不具備直接ISP功能的MCU(如M68K、N80C196等)，同時(shí)因印制版面積、成本等原因的考慮也沒有采用雙FLASH芯片，此類系統(tǒng)在程序升級(jí)時(shí)通常需要編程器、仿真器等特定工具，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)很不方便。
針對(duì)使用不具備ISP功能的MCU系統(tǒng)，只要滿足以下四個(gè)條件，就可以按照本文的方法進(jìn)行ISP設(shè)計(jì)?？紤]自編程過程中文件出錯(cuò)、斷電等特殊情況，此方案可實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。
(1)程序空間和數(shù)據(jù)空間統(tǒng)一編址，程序可以在RAM中運(yùn)行；
(2)FLASH芯片正確連接了寫信號(hào)；
(3)擁有能放下Update程序并讓其正常工作的額外程序／數(shù)據(jù)空間；
(4)具備某種通信能力(例如以太網(wǎng)、串口、CAN、MODEM等)。
程序分布如圖1所示。這種情況下需要把整個(gè)工作分為三部分完成。第一是引導(dǎo)程序(稱為Boot程序)；第二是升級(jí)程序(Update程序)；第三是正常程序(Normal程序)。Boot程序負(fù)責(zé)控制程序的運(yùn)行模式：升級(jí)模式、正常模式。如果進(jìn)入升級(jí)模式，Boot程序需要將Update程序復(fù)制到指定的運(yùn)行空間，并轉(zhuǎn)入執(zhí)行Update程序；如果進(jìn)入正常模式，Boot需要做的工作就十分簡單，可以直接把控制權(quán)交給正常程序。要注意Update在自編程時(shí)不能破壞Boot程序。此時(shí)Normal程序不再負(fù)有復(fù)制Update程序到指定運(yùn)行空間的任務(wù)，完全按照正常的模式運(yùn)行。
按照這種方案，Boot程序和Update程序是自編程設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，只要保證這部分程序代碼的完整性，就能擁有在線編程的能力。要對(duì)這部分程序代碼區(qū)進(jìn)行保護(hù)，保證在第一次寫入程序存儲(chǔ)器后就不會(huì)再被擦除。這樣即使在自編程時(shí)發(fā)生災(zāi)難性故障，Boot程序和Update程序是不會(huì)被破壞的，仍然可以繼續(xù)運(yùn)行，保證下次仍然可以進(jìn)行自編程。程序完成后必須分別固化到程序存儲(chǔ)器的指定空間，以保證程序的正常運(yùn)行。
2 80C196KC ISP的通信模塊設(shè)計(jì)
實(shí)現(xiàn)80C196KC ISP的核心思想即用AT29C256代替常用的M27C256做程序存儲(chǔ)器與80C196KC相接，區(qū)別在于前者1引腳接／WR，后者1腳懸空；再用一片DS1230Y(NV SRAM)做中轉(zhuǎn)。AT29C256分三個(gè)空間存放引導(dǎo)程序、更新程序和正?？刂瞥绦颍黄渲幸龑?dǎo)程序用于80C196KC和上位機(jī)進(jìn)行串口通信，接收上位機(jī)編譯好的更新程序(．Hex文件)，并把它放到DS1230Y中，在下載完成后把其中接收的程序代碼發(fā)回上位機(jī)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)無誤后跳轉(zhuǎn)去運(yùn)行更新程序；更新程序用于將DS1230Y中校驗(yàn)無誤的新程序復(fù)制到AT29C256的正?？刂瞥绦蚩臻g；正?？刂瞥绦蚣创禄蛞呀?jīng)更新的系統(tǒng)程序。每次系統(tǒng)上電后由鍵盤判斷是否需要在系統(tǒng)編程，如果需要，則經(jīng)過引導(dǎo)程序和更新程序執(zhí)行后，跳轉(zhuǎn)到正?？刂瞥绦蚩臻g運(yùn)行更新了的程序。如果不需要，則直接跳轉(zhuǎn)到正?？刂瞥绦蚩臻g運(yùn)行。在從AT29C256取指令時(shí)，注意WE腳保持高電平。
2．1 通信協(xié)議
目前微機(jī)的串行通信口都是基于RS 232協(xié)議的，但因其傳送速率較低、抗干擾能力較差、傳送距離太近等缺點(diǎn)，該系統(tǒng)采用RS 422通信方式。RS 422每個(gè)通道通過二條信號(hào)線進(jìn)行傳輸，采用平衡驅(qū)動(dòng)、差分接收形式，對(duì)在接收器輸入端出現(xiàn)的共模噪聲起到了抑制作用，可以允許較大的信號(hào)衰減。另外由于兩者之間不共地，不存在回路之間的電位差，徹底消除了遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸中因地電位不等造成的影響，從而有很強(qiáng)的抗干擾能力，并且可獲得較長的傳輸距離。
2．2 通信接口電路
鑒于篇幅，這里只給出串口通信中PC端硬件接口部分。
首先由一塊MAX232芯片把PC機(jī)串行口的RS 232電平轉(zhuǎn)換為TTL電平，然后通過6N137的光電隔離模塊進(jìn)行隔離，再通過MAX 487芯片完成RS 232協(xié)議到RS 422協(xié)議的轉(zhuǎn)換。其實(shí)也就是一個(gè)電平被轉(zhuǎn)換為兩個(gè)壓差電平的過程，如圖2所示。
2．3 通信軟件設(shè)計(jì)
單片機(jī)(下位機(jī))軟件開發(fā)采用PL／M語言。主要由更新程序和通信程序組成，通信程序又包括通信主程序、接收、發(fā)送和定時(shí)中斷程序等。其中通信主程序是不斷循環(huán)執(zhí)行的，如果上位機(jī)發(fā)送了數(shù)據(jù)則進(jìn)入接收中斷處理程序，并同時(shí)在定時(shí)中斷中設(shè)置一個(gè)在接收中斷中被清零的計(jì)數(shù)器，當(dāng)定時(shí)器溢出某個(gè)時(shí)間范圍時(shí)，說明接收完畢。這時(shí)觸發(fā)發(fā)送中斷，上發(fā)接收到的整個(gè)文件內(nèi)容用于校驗(yàn)。這里僅給出部分更新程序代碼。
固化中斷服務(wù)程序，并通過在PL／M語句中嵌入?yún)R編語句完成程序的跳轉(zhuǎn)。下載完成后，將程序復(fù)制到AT29C256后運(yùn)行新程序，DS1230Y仍用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
PC(上位機(jī))操作界面應(yīng)用Delphi 6．0開發(fā)。在Delphi 6．0開發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)串行通信有多種方法，如：調(diào)用MSCOMM．OCX控件、在Windows下使用Win-dows API、應(yīng)用嵌入式匯編語言、直接構(gòu)造Delphi中的通信控件、利用動(dòng)態(tài)鏈接庫(DLL)等?？紤]到該系統(tǒng)的通信情況比較簡單，所以直接使用MSComm組件編寫串口通信軟件，主要包括三個(gè)方面的設(shè)計(jì)內(nèi)容：
(1)收發(fā)數(shù)據(jù)，指的是在PC機(jī)的串口與80C196KC的串口UART之間能收發(fā)字符串，二進(jìn)制串(16進(jìn)制顯示)；
(2)收發(fā)文件，指的是在PC機(jī)的串口與80C196KC的串口UART之間能收發(fā)字符型文件，16進(jìn)制文件(．Hex文件)
(3)差錯(cuò)校驗(yàn)及系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)。通信的成功與否最后還要看校驗(yàn)的結(jié)果，即接收端是否能正確無誤的接收到發(fā)送端發(fā)送的內(nèi)容。差錯(cuò)控制流程圖如圖3所示，核心代碼如下：
最終開發(fā)出的操作界面如圖4所示，包括下載進(jìn)程顯示條，串口初始化設(shè)置框，收發(fā)數(shù)據(jù)文本框，選擇打開發(fā)送文件按鈕，發(fā)送文件大小顯示框，校驗(yàn)按鈕，文本與16進(jìn)制類型選擇框以及通信狀態(tài)顯示項(xiàng)。
3 結(jié) 語
提出了基于串口通信的通用的單片機(jī)ISP方法并針對(duì)80C196KC實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)上已編譯程序的在線下載。通過回聲法校驗(yàn)，返回的接收文件與發(fā)送文件完全一致，系統(tǒng)可靠性高，設(shè)計(jì)簡單，實(shí)現(xiàn)容易，具有一定的理論研究意義和應(yīng)用前景。為“國家雜交水稻工程技術(shù)研究中心”人工氣候室智能控制系統(tǒng)的系統(tǒng)程序更新，升級(jí)和遠(yuǎn)程維護(hù)提供了方便。
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