利用RS422串口實(shí)現(xiàn)微控制器程序在線(xiàn)升級(jí)的方法

西南技術(shù)物理研究所　楊光海

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所　彭文淵

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利用RS422串口實(shí)現(xiàn)微控制器程序在線(xiàn)升級(jí)的方法

西南技術(shù)物理研究所楊光海

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所彭文淵

西南技術(shù)物理研究所張川公丕華王海徐丹吳曄

本文以工程應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，介紹了在微控制器軟件使用中，利用RS422異步串口實(shí)現(xiàn)微控制器程序在線(xiàn)升級(jí)的方法，從而實(shí)現(xiàn)了不打開(kāi)配有微控制器的設(shè)備不開(kāi)箱實(shí)現(xiàn)程序升級(jí)，以供工程開(kāi)發(fā)者進(jìn)行選用。

【摘要】RS422；微控制器；在線(xiàn)升級(jí)

0　引言

微控制器是將微型計(jì)算機(jī)的主要部分集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。單片機(jī)為微控制器中的一種，相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，具有體積小、質(zhì)量輕、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)。如今，單片機(jī)的使用領(lǐng)域已十分廣泛，如智能儀表、實(shí)時(shí)工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。在上述電子系統(tǒng)中，各部件間的計(jì)算機(jī)微控制芯片（單片機(jī)）都需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換建立通訊聯(lián)系，使用串行通訊手段是其中一種重要、常用的通訊方式。串行通訊工作方式分為同步方式和異步方式兩種，在實(shí)際工作中，異步方式用得最多，包括三個(gè)常用的總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)：RS-232、RS-422、RS-485。單片機(jī)（Mircocontrollers）是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能（某些還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、SPI等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)。

目前，單片機(jī)的程序存貯器一般都由可編程的FLASH存貯器組成，相對(duì)于原來(lái)的SRAM存儲(chǔ)器，具有不揮發(fā)性、高密度、低功耗、快速讀取、在線(xiàn)可重寫(xiě)等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備需求更改時(shí)，不需更換設(shè)備上單片機(jī)，只需重新改寫(xiě)單片機(jī)FLASH內(nèi)的軟件程序即可。隨著電子系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)其外形尺寸、重量的需求越來(lái)越高，電子系統(tǒng)機(jī)箱小型化、易維護(hù)性、可靠性等需求日益增長(zhǎng)。機(jī)箱越小，勢(shì)必造成機(jī)箱內(nèi)的電路板越來(lái)越小，這也造成機(jī)箱內(nèi)的電路板拆卸、維護(hù)、維修造成不便。而一般而言，電子系統(tǒng)的維護(hù)、維修需要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的單片機(jī)FLASH內(nèi)的軟件程序進(jìn)行改寫(xiě)升級(jí)即可，但電子系統(tǒng)的小型化，給單片機(jī)的軟件程序改寫(xiě)升級(jí)工作帶來(lái)不便。

串行通信接口是微控制芯片單片機(jī)常用的通訊接口，本文以串行通信接口中最為常用的RS422接口，升級(jí)Silabs公司的C8051F120單片機(jī)為例，介紹利用RS422串口實(shí)現(xiàn)微控制器程序在線(xiàn)升級(jí)的方法。

1　總體設(shè)計(jì)思路

目前，多數(shù)單片機(jī)程序升級(jí)都是基于單片機(jī)的IAP（In-System programming）技術(shù)，IAP技術(shù)是應(yīng)用在Flash程序存儲(chǔ)器的一種編程模式，它從結(jié)構(gòu)上將Flash存儲(chǔ)器映射為兩個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域，通過(guò)運(yùn)行其中一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域上特定的IAP程序（在線(xiàn)升級(jí)基程序）接收PC上位機(jī)內(nèi)在線(xiàn)升級(jí)界面軟件的程序數(shù)據(jù)，來(lái)對(duì)另一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域進(jìn)行編程操作，編程完成后跳轉(zhuǎn)到嵌入式設(shè)備內(nèi)單片機(jī)工作程序開(kāi)始運(yùn)行，利用RS422串口實(shí)現(xiàn)升級(jí)的示意圖如圖1所示。

圖1　RS422串口升級(jí)微控制器程序的示意圖

C8051F120采用高速、流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)的CIP-51內(nèi)核，與MCS-51兼容，其內(nèi)部PLL可倍頻至100MHz，具有2個(gè)UART串口，128KB可在系統(tǒng)編程的Flash存儲(chǔ)器，8488字節(jié)的片上RAM，有JTAG接口可以直接下載程序可執(zhí)行代碼到Flash存儲(chǔ)器，完全具備單片機(jī)程序進(jìn)行RS422串口升級(jí)程序的條件。

上位機(jī)與下位機(jī)之間應(yīng)先約定兩者之間的通訊協(xié)議，包括串行通訊的通訊格式檢測(cè)數(shù)據(jù)幀是否符合格式要求，以設(shè)置串行通訊時(shí)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位數(shù)、奇偶校驗(yàn)、發(fā)送和接收的波特率，通訊的命令字、狀態(tài)字，以及每幀傳輸?shù)某绦驍?shù)據(jù)個(gè)數(shù)（一般一幀數(shù)據(jù)中包含1024個(gè)程序數(shù)據(jù)字節(jié)）、錯(cuò)誤重發(fā)機(jī)制等。

2　下位機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)

在下位機(jī)機(jī)箱中的單片機(jī)C8051F120硬件設(shè)計(jì)如圖2所示，該單片機(jī)通過(guò)串口驅(qū)動(dòng)芯片MAX3491，配以相應(yīng)的匹配電阻，構(gòu)成串口驅(qū)動(dòng)電路，與上位機(jī)建立RS422串口通訊聯(lián)系。

圖2　單片機(jī)RS422串口硬件設(shè)計(jì)示意圖

圖3　下位機(jī)單片機(jī)升級(jí)軟件工作流程

2.2下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

該軟件設(shè)計(jì)僅為結(jié)合硬件電路系統(tǒng)及通訊協(xié)議給出的單片機(jī)C8051F120的部分程序，以設(shè)置RS422異步串行通訊時(shí)數(shù)據(jù)串的數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位數(shù)、奇偶校驗(yàn)、發(fā)送和接收的波特率及中斷方式等。

在單片機(jī)片內(nèi)的Flash存儲(chǔ)區(qū)域先劃定一定起始地址的IAP程序存儲(chǔ)區(qū)域和工作程序存放區(qū)域。IAP程序存儲(chǔ)區(qū)域用來(lái)存放下位機(jī)的IAP程序（在線(xiàn)升級(jí)基程序），以便IAP程序運(yùn)行后把上位機(jī)傳來(lái)的工作程序數(shù)據(jù)搬放到工作程序存放區(qū)域。

下位機(jī)單片機(jī)軟件的工作過(guò)程為：

單片機(jī)上電，先進(jìn)行單片機(jī)初始化工作，初始化完成后，向上位機(jī)發(fā)送程序裝載握手?jǐn)?shù)據(jù)幀。收到上位機(jī)發(fā)送的握手成功數(shù)據(jù)幀后，向上位機(jī)返回“發(fā)送下一幀程序數(shù)據(jù)幀”請(qǐng)求；收到上位機(jī)發(fā)送的程序數(shù)據(jù)幀后，擦除單片機(jī)FLASH上相應(yīng)區(qū)域的數(shù)據(jù)內(nèi)容，并將上位機(jī)傳來(lái)的程序數(shù)據(jù)寫(xiě)入剛擦除完畢的Flash區(qū)域，直到將最后一幀程序數(shù)據(jù)內(nèi)容寫(xiě)入單片機(jī)FLASH上相應(yīng)區(qū)域；讀取寫(xiě)入Flash區(qū)域的數(shù)據(jù)，計(jì)算校驗(yàn)和并與上位機(jī)傳來(lái)的校驗(yàn)和比較，將比較結(jié)果返回給上位機(jī)。單片機(jī)上電后設(shè)計(jì)6秒內(nèi)，上位機(jī)須返回握手?jǐn)?shù)據(jù)，否則單片機(jī)進(jìn)入工作程序，不能再通過(guò)RS422串口進(jìn)行程序升級(jí)。單片機(jī)升級(jí)軟件工作流程如圖3所示。

在本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)C8051F120的串行波特率設(shè)置為115200，通訊格式為8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，IAP程序（在線(xiàn)升級(jí)基程序）部分函數(shù)簡(jiǎn)化如下：

void UART_Init（ void ）

｛

……

SCON0 = 0x50；

SSTA0 = 0x05；

……

｝

void EraseFlash（ unsigned int div ）

｛

……

FLSCL | = 0x01；

PSCTL | = 0x03；

XBYTE［div * 0x400］ = 0xFF；

FLSCL & = ～0x01；

PSCTL & = ～0x03；

……

｝

void Copy2Flash（unsigned int dst， unsigned char *src， unsigned int len）

｛

……

for（i=0；i＜ len；i++）

｛

Tmp = *（src+i）；

FLSCL | = 0x01；

PSCTL | = 0x01；

XBYTE［dst+i］ = tmp；

FLSCL & = ～0x01；

PSCTL & = ～0x01；

｝

……

｝

char ReadFlash（unsigned int n， unsigned int verify）

｛

……

for（i=0x400；i＜n；i++）

｛

Check += （unsigned char）*（ptr+i）；

｝

if（check == verify）

｛

return 1；

｝

else

｛

return 0；

｝

……

｝

3　上位機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1上位機(jī)硬件設(shè)計(jì)

上位機(jī)使用一臺(tái)帶有RS422串口功能的臺(tái)式PC機(jī)或其它兼容機(jī)均可，另需準(zhǔn)備一根PC機(jī)串口端口到下位機(jī)嵌入式設(shè)備單片機(jī)RS422數(shù)據(jù)接收端的線(xiàn)纜，PC機(jī)作為上位機(jī)，通過(guò)串行通訊接口電纜與下位機(jī)電子機(jī)箱內(nèi)的單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3.2上位機(jī)工作軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)PC機(jī)軟件可采用VC++等高級(jí)語(yǔ)言將下位機(jī)單片機(jī)工作軟件程序可執(zhí)行代碼轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制的Hex文件，根據(jù)上位機(jī)與下位機(jī)之間約定的通訊格式要求，將Hex文件依次分成若干個(gè)相同長(zhǎng)度（一般一幀數(shù)據(jù)中包含1024個(gè)程序數(shù)據(jù)字節(jié)）的數(shù)據(jù)幀，并將上述數(shù)據(jù)幀通過(guò)串行通訊接口依次發(fā)送給下位機(jī)IAP程序（在線(xiàn)升級(jí)基程序）。其軟件界面如圖4示。

圖4　上位機(jī)工作軟件界面

上位機(jī)工作軟件工作流程為：點(diǎn)擊圖4上位機(jī)工作軟件中“轉(zhuǎn)化HEX”按鈕，將單片機(jī)工作軟件程序可執(zhí)行代碼轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制的Hex文件；設(shè)置好上位機(jī)工作軟件界面上的“串口連接狀態(tài)選擇”；下位機(jī)電子箱內(nèi)單片機(jī)系統(tǒng)上電后，點(diǎn)擊“連接”按鈕，收到下位機(jī)發(fā)來(lái)的程序裝載握手?jǐn)?shù)據(jù)幀后，向下位機(jī)發(fā)送握手正確狀態(tài)數(shù)據(jù)幀；收到下位機(jī)發(fā)來(lái)的“發(fā)送下一幀程序數(shù)據(jù)幀請(qǐng)求”后，將單片機(jī)工作程序HEX文件及程序數(shù)據(jù)校驗(yàn)和按順序一幀一幀的發(fā)送給下位機(jī)；收到下位機(jī)發(fā)送來(lái)的“發(fā)送程序數(shù)據(jù)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)幀”后，重復(fù)發(fā)送上一幀單片機(jī)工作程序HEX文件數(shù)據(jù)；將與下位機(jī)通訊的實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示在“上位機(jī)軟件工作狀態(tài)”區(qū)域。

上位機(jī)工作軟件部分簡(jiǎn)化程序如下：

Void CFlashDonloadDlg：OnButtonStart（）

｛

……

m_nTotalCont = file.GetLength（）；

m_nDataLeft= m_nTotalCont；

m_nVerify= 0；

if（ （m_nTotalCont%1024） == 0 ）

｛

m_nToalFrame = m_nTotalCont/1024；

｝

else

｛

m_nToalFrame = m_nTotalCont/1024+1；

｝

……

for（ int i=0x400；i＜ m_nTotalCont；i++ ）

｛

m_nVerify + = （unsigned char）addArray［i］；

｝

m_nVerify &= 0x0000FFFF；

m_strEdit += “等待下位機(jī)握手信號(hào)… ”；

……

｝

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)RS422串口實(shí)現(xiàn)對(duì)電子機(jī)箱等設(shè)備內(nèi)的微控制器進(jìn)行程序在線(xiàn)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)不打開(kāi)設(shè)備升級(jí)程序的方法，以解決現(xiàn)有電子系統(tǒng)機(jī)箱內(nèi)單片機(jī)軟件程序需開(kāi)箱改寫(xiě)升級(jí)的不足之處，提供一種直觀簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)流程短，可靠性高，不需打開(kāi)電子系統(tǒng)機(jī)箱，通過(guò)RS422串行異步通訊升級(jí)電子系統(tǒng)機(jī)箱內(nèi)微控制器軟件程序的方法，以提高工作效率。

［1］楊光海，彭曉樂(lè)等.遠(yuǎn)程升級(jí)控制系統(tǒng)嵌入式設(shè)備程序的設(shè)計(jì)方法［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2016，6：18-19.

［2］張麥龍，朱國(guó)強(qiáng).DSP平臺(tái)使用串口升級(jí)軟件的實(shí)現(xiàn)［J］.信息與電腦（理論版），2012，08：166-167.

［3］吳小艨，李正宇，周進(jìn)松.通過(guò)RS232串口實(shí)現(xiàn)DSP并行FLASH程序升級(jí)［J］.通信技術(shù)，2012，01：148-150.

［4］汪晶晶，蘇建徽，孫佩石.基于串口通信的DSP應(yīng)用程序在線(xiàn)升級(jí)方法［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2013，14：19-21，28.

楊光海（1978—），大學(xué)本科，工程師，研究方向：嵌入式控制。