摘? 要: 介紹一種在應(yīng)用可編程單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，適合于基于8051核的CISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了該方案的實(shí)現(xiàn)方法與引導(dǎo)程序及上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞: 串行通訊? 在應(yīng)用可編程(IAP)? MCU
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電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代越來(lái)越快，怎樣縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，快速推出產(chǎn)品，降低設(shè)計(jì)成本和提高系統(tǒng)整體性能是每個(gè)設(shè)計(jì)人員共同關(guān)心的問(wèn)題。一種叫做在應(yīng)用可編程(In Application Programming-IAP)的設(shè)計(jì)方案應(yīng)運(yùn)而生，它可以在現(xiàn)場(chǎng)(當(dāng)原存在的代碼正在運(yùn)行時(shí))重新寫(xiě)入運(yùn)行代碼。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是可以降低開(kāi)發(fā)代碼的時(shí)間、可在裝配線上測(cè)試和改裝產(chǎn)品、可在現(xiàn)場(chǎng)修正代碼錯(cuò)誤、可以容易地添加產(chǎn)品新功能甚至可以遠(yuǎn)程進(jìn)行系統(tǒng)的升級(jí)。目前，實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用可編程一般有兩種方法:一種方法是使用與單片機(jī)配套的專用芯片;另一種是采用新型的支持在應(yīng)用可編程的單片機(jī)。本文介紹一種基于AT89C51單片機(jī)的在應(yīng)用可編程的設(shè)計(jì)方案，它只占用AT89C51的UART，只需少數(shù)的幾塊芯片就能實(shí)現(xiàn)上述功能。特別適用于需要用UART進(jìn)行通訊的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。
1 設(shè)計(jì)思路
基于8051核的單片機(jī)提供兩個(gè)獨(dú)立的地址空間，一個(gè)用于程序存儲(chǔ)器，一個(gè)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。這種特殊的地址結(jié)構(gòu)在任何情況下都不會(huì)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入程序空間，保護(hù)程序代碼不會(huì)被數(shù)據(jù)覆蓋，但這種特性使單片機(jī)在應(yīng)用可編程不能實(shí)現(xiàn)。如果采用一種方法“欺騙”系統(tǒng)使之誤認(rèn)為程序存儲(chǔ)器即為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，則可向程序存儲(chǔ)器中寫(xiě)數(shù)據(jù)了。“欺騙”系統(tǒng)的方法是在IAP期間暫時(shí)將程序存儲(chǔ)器“重新分類”為數(shù)據(jù)空間而不是程序空間，然后在IAP完成后再將它重新分類為程序空間。這種方案需要一款存儲(chǔ)器既可以當(dāng)作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器又能作為程序存儲(chǔ)器。現(xiàn)在市面上的多種具有掉電保護(hù)功能的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器既具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的高讀寫(xiě)速度又具有程序存儲(chǔ)器的非揮發(fā)性。如DALLAS公司的DS1230Y-70是與通用RAM27256管腳兼容的，內(nèi)嵌鋰電池保護(hù)的非易失性存儲(chǔ)器，讀寫(xiě)速度為70ns，掉電狀態(tài)下可以保存數(shù)據(jù)10年。
按照上述思路設(shè)計(jì)的具有在應(yīng)用可編程能力的單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)有以下幾個(gè)特點(diǎn):(1)有三塊RAM，其中RAM3是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，RAMA、RAMB既是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器又是程序存儲(chǔ)器，RAMA和RAMB采用DS1230Y-70靜態(tài)RAM。RAMA和RAMB具有相同的地址，當(dāng)其中一塊作為程序存儲(chǔ)器時(shí)，另一塊是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。AT89C51的數(shù)據(jù)空間與地址空間分開(kāi)的特性保證了這兩塊存儲(chǔ)器不會(huì)沖突。(2)增加了選擇電路，用來(lái)將程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器“重新分類”，通過(guò)DN_CON控制信號(hào)線來(lái)選擇是將WR信號(hào)還是將PSEN信號(hào)送入相應(yīng)的靜態(tài)RAM。(3)增加了串行EEPROM以保存重要的信息，如模塊號(hào)及下載標(biāo)志等。
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AT89C51具有4K的片內(nèi)Flash 存儲(chǔ)器，可以存放引導(dǎo)程序。系統(tǒng)初始化、串口中斷等程序作為引導(dǎo)程序，固化在AT89C51的Flash 存儲(chǔ)器中，而將主程序放在32KB的靜態(tài)RAM程序存儲(chǔ)器中。因此，該系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器的地址空間從0000h～03FFh和8000H～0FFFFH。而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址從0000H～0FFFFH，如圖2所示。引導(dǎo)程序中將串口中斷設(shè)定為最高優(yōu)先級(jí)，當(dāng)AT89C51接收到程序代碼下載的命令后，將向8000H～0FFFH的數(shù)據(jù)空間依次寫(xiě)入程序代碼。當(dāng)程序代碼寫(xiě)結(jié)束時(shí)，改變DN_CON控制信號(hào)，使原來(lái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器變?yōu)槌绦虼鎯?chǔ)器，而原來(lái)的程序存儲(chǔ)器變?yōu)閿?shù)據(jù)存儲(chǔ)器。在串口中斷程序結(jié)束時(shí)，將堆棧中的串行中斷返回指針指向8000H，并退出中斷，使程序跳至8000H運(yùn)行下載的程序代碼。圖2中串行EEPROM采用基于I2C總線的24C01芯片，用以存放一些關(guān)鍵的數(shù)據(jù)信息，如測(cè)控模塊的站號(hào)、下載標(biāo)志等。
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2 選擇電路的實(shí)現(xiàn)
3 引導(dǎo)程序的設(shè)計(jì)
引導(dǎo)程序的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵要解決以下問(wèn)題:(1)系統(tǒng)上電時(shí)，要能自動(dòng)設(shè)別該系統(tǒng)的主程序代碼是否下載及下載在哪個(gè)靜態(tài)RAM中，并能自動(dòng)正確執(zhí)行。(2)要保證其它的中斷能正確響應(yīng)，包括除程序下載命令外的其它串行中斷。(3)在程序下載串行中斷響應(yīng)后，要能正確退出中斷，并跳到主程序的正確位置執(zhí)行代碼。
在8000H開(kāi)始的主程序區(qū)的頂端設(shè)立中斷映射區(qū)如圖2所示，在原來(lái)的000BH、0013H等中斷入口地址處設(shè)立相應(yīng)的長(zhǎng)調(diào)用語(yǔ)句Ljmp 800BH，Ljmp 8013H，將除串行中斷以外的所有中斷跳至從8000H開(kāi)始的中斷映射區(qū)。而在800BH和8013H等地方放置真正的中斷程序入口地址。程序下載命令之外的其它串行中斷由串行中斷程序判別并跳至8023H，串行中斷程序流程圖4所示。
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引導(dǎo)程序的主流程圖如圖5所示。引導(dǎo)主程序中包含系統(tǒng)初始化、串口設(shè)置及讀下載標(biāo)志等程序。在引導(dǎo)程序的中斷程序中(如圖4)包括程序下載命令的解釋程序和代碼的下載操作。為了編程方便，下載的程序代碼都是ASCII碼，這樣可以方便地定義一些控制字符。下載的簡(jiǎn)單協(xié)議為“AAH(下載命令)+程序代碼(以ASCII 碼形式)+1BH(文件結(jié)束符)+異或校驗(yàn)和”。當(dāng)中斷程序接收到二進(jìn)制數(shù)AAH時(shí)，即認(rèn)為接收到程序下載的命令，并在中斷程序中以查詢的方式接收數(shù)據(jù)，依次將接收的代碼轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)后放入以8000H為首地址的數(shù)據(jù)空間，同時(shí)產(chǎn)生接收數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和。而當(dāng)接收到1BH結(jié)束符時(shí)，則認(rèn)為所下載的程序代碼已結(jié)束，并準(zhǔn)備接收校驗(yàn)和。當(dāng)程序代碼接收正確，在中斷程序中依據(jù)所讀出的下載標(biāo)志設(shè)置新的下載標(biāo)志，然后改變堆棧指針，使串行中斷退出，并使PC指針指向8000H，開(kāi)始運(yùn)行下載的程序。中斷退出代碼如圖4所示。當(dāng)串行中斷接收的命令不是程序下載命令，則在中斷程序直接跳至中斷映射區(qū)的串行中斷入口8023H，執(zhí)行相應(yīng)的串行中斷程序。
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4 上位機(jī)軟件的編程
上位機(jī)軟件可以采用Delphi開(kāi)發(fā)工具編寫(xiě)基于Windows95/98/2000平臺(tái)下的串行通訊程序。MSCOMM32.OCX控件是微軟公司在VB和VC開(kāi)發(fā)軟件中隨帶的串行通信控件，該控件屏蔽了通信過(guò)程中的底層操作，程序員應(yīng)用時(shí)只需設(shè)置和監(jiān)視該控件的屬性和事件即可完成對(duì)串行口的初始化和數(shù)據(jù)的輸入和輸出工作。在Delphi5.0中已將它重新定義為TMSComm類。在應(yīng)用可編程測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中需要發(fā)送與接收控制字符，這些控制字符有可能包含ASCII值大于80H的字符，因此要求上位機(jī)軟件既能接收二進(jìn)制數(shù)據(jù)又能發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)。在TMSComm類中有一項(xiàng)InputMode屬性，當(dāng)設(shè)置InputMode=1時(shí)，數(shù)據(jù)是以二進(jìn)制方式取回，而發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)則需要依照TMSComm類的規(guī)則通過(guò)動(dòng)態(tài)數(shù)組和變體的方法實(shí)現(xiàn)。
下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的發(fā)送和接收二進(jìn)制數(shù)據(jù)的例子程序:
串口設(shè)置
mscomm1.Comport:=1；?????????? ?????? //操作對(duì)象為串口1
mscomm1.Settings:=’9600，N，8，1’； //設(shè)置串口參數(shù)
mscomm1.Rthreshold:=1；?????? ???? ???//收到1個(gè)字節(jié)后觸發(fā)串口事件
mscomm1.inbuffercount:=0；?????????? ?//清串口接收緩沖區(qū)
mscomm1.OutBufferCount:=0；?????????? //清串口發(fā)送緩沖區(qū)
mscomm1.PortOpen:=true；??????????????//打開(kāi)串口
發(fā)送例程:
var
MyFlexibleArray : array of byte；? //定義動(dòng)態(tài)數(shù)組
????outputdata: variant；????????????? //定義變體
begin
SetLength(MyFlexibleArray，1)；????//在使用動(dòng)態(tài)數(shù)組前必須設(shè)置它的長(zhǎng)度。
MyFlexibleArray[0]:=＄AA；????????? //將待發(fā)送二進(jìn)制數(shù)放入數(shù)組
outputdata := myFlexibleArray；????//將動(dòng)態(tài)數(shù)組賦給變體
mscomm1.Output:=outputdata；???????//將變體中的二進(jìn)制數(shù)0AAH發(fā)出
end；
在串口事件中接收數(shù)據(jù)例程
mscomm1.Inputlen:=1；????????????????? //每次從接收緩沖區(qū)中讀1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)
mscomm1.InputMode:=1；??????????????? ?//以二進(jìn)制方式接收數(shù)據(jù)
inbuf:=mscomm1.input；???????????? ??? //讀緩沖區(qū)，將數(shù)據(jù)接收至inbuf變量
本文所述的在應(yīng)用可編程測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)已在FWC-2型大壩自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中實(shí)際使用。該系統(tǒng)基于RS-485網(wǎng)絡(luò)，可以管理255個(gè)測(cè)量模塊的數(shù)據(jù)采集和程序下載。運(yùn)行結(jié)果表明，該方案具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、開(kāi)發(fā)迅速等優(yōu)點(diǎn)。
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參考文獻(xiàn)
1 FlashFlex51 MCU SST89F54/SST89F58 User Manual.Silicon Storage Technology.Inc 1999.9
2 Marco Cantu(美).Delphi3從入門到精通.北京:電子工業(yè)出版社，1998.4