摘 要：本文介紹了如何利用MEGA8通過(guò)CAN總線進(jìn)行的遠(yuǎn)距離在線升級(jí)的方案。詳細(xì)論述了分布式控制系統(tǒng)中，通過(guò)CAN總線技術(shù)以及MEGA8的BOOT功能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離在線升級(jí)，這對(duì)于系統(tǒng)調(diào)試及以后的升級(jí)維護(hù)都提供了極大的便利，大大減少了維護(hù)時(shí)間與成本。文中還給出了比較詳細(xì)的軟硬件程序流程圖和部分源程序。
關(guān)鍵詞：CAN總線，MEGA8，IAP，BOOT引導(dǎo)，熔絲位
1、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
1.1 系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
CAN（Controller Area Network）即控制器局域網(wǎng)，是目前廣泛應(yīng)該的總路線之一。CAN總線通信距離限制小,它的直接通信距離最大可達(dá)10km，最高通信速率可以達(dá)1Mb/s（此時(shí)距離最長(zhǎng)為40m），節(jié)點(diǎn)數(shù)可多達(dá)110個(gè)。因此它特別適合于工業(yè)遠(yuǎn)程過(guò)程監(jiān)控設(shè)備的互聯(lián)和電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的調(diào)試和維護(hù)。基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)的一般組成模式如圖1所示。上位機(jī)PC機(jī)通過(guò)RS-232連接到總線上某一智能節(jié)點(diǎn)。可以對(duì)安裝在現(xiàn)場(chǎng)某些節(jié)點(diǎn)的程序進(jìn)行遠(yuǎn)距離在線升級(jí)和改變某些功能，因此利用CAN總線進(jìn)行單片機(jī)的在線編程就顯得非常必要。
圖1 基于CAN總路線的分布式控制系統(tǒng)
根據(jù)圖1所示的CAN總線分布式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，在線編程采用主從結(jié)構(gòu)。智能節(jié)點(diǎn)1為主節(jié)點(diǎn)，其它節(jié)點(diǎn)為從節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)采用ATMEL公司推出的AVR系列單片機(jī)MEGA8，內(nèi)含8K FLASH程序存儲(chǔ)器，1K的內(nèi)部SRAM，512字節(jié)的內(nèi)部EEPROM。為了便于升級(jí)，除了提供ISP即在線編程功能（In System Programming）以外，還提供了BOOT引導(dǎo)功能，為實(shí)現(xiàn)IAP即在應(yīng)用中編程（In Application Programming）為系統(tǒng)升級(jí)提供了可能。
1、2 節(jié)點(diǎn)升級(jí)過(guò)程
主節(jié)點(diǎn)在編程監(jiān)控模式下，接收PC機(jī)發(fā)送的“編程”命令，若編程節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)，則程序可以通過(guò)RS-232下載到主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)接收編程數(shù)據(jù)，完成 FLASH的在線編程，此時(shí)，從節(jié)點(diǎn)分別執(zhí)行各自缺省的應(yīng)用程序。若編程節(jié)點(diǎn)為從節(jié)點(diǎn)，則主節(jié)點(diǎn)就通過(guò)CAN總線進(jìn)行廣播，全部從節(jié)點(diǎn)監(jiān)控包括被選擇節(jié)點(diǎn) ID號(hào)在內(nèi)的“編程初始信息”，并與各自的節(jié)點(diǎn)ID進(jìn)行比較，被選擇的從節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)和PC機(jī)建立編程通信連接，其它從節(jié)點(diǎn)繼續(xù)運(yùn)行其缺省應(yīng)用程序，從而實(shí)現(xiàn)了在線升級(jí)功能。可見(jiàn)，在從節(jié)點(diǎn)編程模式下，主節(jié)點(diǎn)在PC機(jī)的RS-232總線與從節(jié)點(diǎn)的CAN總線之起著路由器的作用。
1、3 CAN總線系統(tǒng)智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)
CAN總線系統(tǒng)智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)由5部分組成：微控制器Mega8，并串轉(zhuǎn)換電路，獨(dú)立CAN控制器SJA1000，CAN總線驅(qū)動(dòng)器TJA1050和高速光電耦合6N137。如圖2所示
圖2 CAN智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)硬件原理圖
為了提高穩(wěn)定性和安全性，在SJA1000的TX0和RX0與TJA1050的TXD和RXD相連時(shí)，采用了高速光電耦合6N137，并且兩個(gè)光電耦合器各自連接兩個(gè)完全隔離的電源，這樣就很好地實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。在SJA1000與Mega8通信中，中間加入了一個(gè)并串轉(zhuǎn)換電路。除了給Mega8留出更多的引腳用于外圍電路外，更重要的是傳輸多位數(shù)據(jù)時(shí)，可以通過(guò)并串轉(zhuǎn)換電路，連接到Mega8單片機(jī)的通用同/異步串行接口 USART的RXD與TXD引腳。把接收過(guò)進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)送入U(xiǎn)SART數(shù)據(jù)寄存器UDR中，通過(guò)ID認(rèn)證后，進(jìn)入FLASH編程監(jiān)控程序，進(jìn)行自編程修改，達(dá)到升級(jí)的目的。
2、MEGA8單片機(jī)升級(jí)功能
2.1 引導(dǎo)加載自編程功能
ATmega8具備引導(dǎo)加載支持的用戶程序自編程功能（In-System Programming by On- chip Boot Program）,它提供了一個(gè)真正的由MCU本身自動(dòng)下載和更新（采用讀/寫(xiě)同時(shí)“Read-While-Write”進(jìn)行的方式）程序代碼的系統(tǒng)程序自編程更新的機(jī)制。使用該功能時(shí)，MCU可以靈活地運(yùn)行一個(gè)常駐Flash的引導(dǎo)加載程序（Boot Loader Program），實(shí)現(xiàn)對(duì)讀取代碼，或者從程序存儲(chǔ)器中讀取代碼，然后將代碼寫(xiě)入（編程）到Flash存儲(chǔ)器中。引導(dǎo)加載程序有能力讀寫(xiě)整個(gè)Flash存儲(chǔ)器，包括引導(dǎo)加載程序所在的引導(dǎo)加載區(qū)本身。引導(dǎo)加載程序還可以對(duì)自身進(jìn)行更新修改，甚至可以將自身刪除，使系統(tǒng)的自編程能力消失。基于這個(gè)因素，使得在線升級(jí)成為了可能。引導(dǎo)加載程序區(qū)的大小可以由芯片的熔絲位設(shè)置，該段程序區(qū)還提供兩組鎖定位，以便用戶選擇對(duì)該程序區(qū)的不同級(jí)別的保護(hù)。
2、2 MEGA8的BOOT介紹
由于MEGA8具有IAP可在應(yīng)用中升級(jí)的功能，本系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)上采用了BOOT引導(dǎo)功能。主程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，BOOT程序則采用了匯編編寫(xiě)。目的是為了提高下載速度，設(shè)計(jì)中放棄了ATMEL提供的AVRPROG燒錄軟件，另外采用了一個(gè)下載燒錄速度較高的ID通訊協(xié)議，在程序代碼量比較大的時(shí)候，具有更明顯的速度優(yōu)勢(shì)，并且也便于用戶二次開(kāi)發(fā)。
MEGA8的引導(dǎo)功能可通過(guò)相應(yīng)的熔絲位來(lái)確定，BOOT引導(dǎo)程序的入口、BOOT區(qū)的大小可以通過(guò)燒錄單片機(jī)的BOOTSZ1、BOOTSZ0兩個(gè)熔絲位來(lái)確定。單片機(jī)復(fù)位后向量入口也是通過(guò)燒錄單片機(jī)的BOOTRST熔絲位來(lái)確定。另外，單片機(jī)在執(zhí)行IAP編程時(shí)需要用到 Store Program Memory Control Register（SPMCR）寄存器。
SPMCR寄存器包含了頁(yè)擦除，頁(yè)寫(xiě)入，BOOT區(qū)加密設(shè)置，頁(yè)填充及頁(yè)的RWW（Read While Write）等功能的設(shè)置。需要注意的是在執(zhí)行每個(gè)功能時(shí)，都需要設(shè)置SPMEN標(biāo)志，在隨后的4個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)運(yùn)行SPM指令，該標(biāo)志會(huì)在SPM執(zhí)行完成后自動(dòng)清零。函數(shù)如下：
Do_SPM:
Wait_SPM: ; 等待頁(yè)操作完成
in templ,SPMCR
sbrc templ,SPMEN
rjmp Wait_SPM
out SPMCR,temp
spm ; 執(zhí)行SPM指令
.dw 0xffff
nop
ret
有了以上的函數(shù)，就可以很容易的進(jìn)行頁(yè)擦除、頁(yè)寫(xiě)入、頁(yè)填充等程序的設(shè)計(jì)了。比如需要執(zhí)行頁(yè)擦除指令，則首先要將需要擦除的頁(yè)地址寫(xiě)入Z寄存器，然后置位SPM的PGERS（頁(yè)擦除位）和SPMEN（SPM允許位），然后再調(diào)用Do_SPM函數(shù)即可。程序如下：
……
ld temp,y+
mov zl,temp ; Z指針地址賦值
ld temp,y+
mov zh,temp
ldi temp,（1<
rcall Do_SPM ; 執(zhí)行頁(yè)寫(xiě)入
……
3、BOOT程序介紹及流程圖
Mega8單片機(jī)上電后設(shè)置冷啟動(dòng)標(biāo)志，而熱啟動(dòng)入口則設(shè)置熱啟動(dòng)標(biāo)志。然后初始化堆棧、串口以及必要的I/O狀態(tài)等。初始化完成后，如果BOOT程序檢測(cè)到熱啟動(dòng)標(biāo)志則直接進(jìn)入燒錄狀態(tài);如果為冷啟動(dòng)標(biāo)志則繼續(xù)檢測(cè)下載位是否允許（本設(shè)計(jì)通過(guò)PB0開(kāi)關(guān)選擇），如為高電平則進(jìn)入燒錄狀態(tài)，如為低電平則進(jìn)入用戶程序。
BOOT引導(dǎo)程序在設(shè)計(jì)時(shí)提供了兩個(gè)入口，一個(gè)是系統(tǒng)復(fù)位時(shí)的冷啟動(dòng)入口，另一個(gè)是用戶程序在運(yùn)行時(shí)進(jìn)入升級(jí)程序的熱啟動(dòng)入口。BOOT程序主要包括燒錄子程序、串口發(fā)送、串口接收、引導(dǎo)主程序等。
串口發(fā)送采用了查詢發(fā)送完成標(biāo)志。這樣當(dāng)該標(biāo)志被設(shè)置時(shí)，證明串口的停止位已經(jīng)發(fā)送完成，這對(duì)于CAN總線通訊非常有用。燒錄程序主要使用“SPM” 指令，該指令完成對(duì)MEGA8的燒錄等功能。而讀取MEGA8的指令則使用“LPM”。由于擦除，頁(yè)填充，寫(xiě)入，讀出等基本命令單片機(jī)都已解釋完成，因此所有過(guò)程都可以由計(jì)算機(jī)端程序進(jìn)行控制。
程序開(kāi)始時(shí)，計(jì)算機(jī)端發(fā)送命令，先對(duì)單片機(jī)的頁(yè)進(jìn)行擦除，然后接收一幀數(shù)據(jù)，接收完畢后執(zhí)行頁(yè)寫(xiě)入命令，寫(xiě)入完成再進(jìn)行讀出進(jìn)行校驗(yàn)，如果校驗(yàn)無(wú)誤再繼續(xù)寫(xiě)入下一頁(yè)，直到所有頁(yè)都寫(xiě)入完畢，即完成一次下載過(guò)程。如果傳輸或頁(yè)校驗(yàn)出現(xiàn)錯(cuò)誤，程序會(huì)連續(xù)進(jìn)行5次測(cè)試，如再仍不成功，則認(rèn)為本次下載失敗。主程序流程圖如圖3。
MEGA8單片機(jī)的主程序通過(guò)CAN接口執(zhí)行計(jì)算機(jī)發(fā)送的命令，并且定義了一個(gè)更新代碼的特殊命令，當(dāng)接收到該命令時(shí)，主程序首先關(guān)閉中斷，關(guān)閉看門(mén)狗，然后跳轉(zhuǎn)到BOOT的熱啟動(dòng)入口，再執(zhí)行BOOT下載燒錄程序。下載完成后再直接跳轉(zhuǎn)到$0000地址進(jìn)入用戶程序區(qū)，這樣就完成了代碼的在線升級(jí)。為了保證該命令的可靠性，本程序設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定單片機(jī)必須在100ms內(nèi)同時(shí)接收到兩次該命令才認(rèn)為正確，超過(guò)100ms則不予認(rèn)可。
圖3
4、結(jié)束語(yǔ)
由于采用了MEGA8單片機(jī)的BOOT功能，以及CAN總線高速遠(yuǎn)距離通信，同時(shí)抗干擾性強(qiáng)，使得遠(yuǎn)距離在線升級(jí)，譬如通過(guò)以太網(wǎng)、無(wú)線等方式，成為了可能。這對(duì)于系統(tǒng)調(diào)試及以后的升級(jí)維護(hù)都提供了極大的便利，這也是今后單片機(jī)和CAN總線發(fā)展的一個(gè)方向。由于該部分具有通用性，所以可很容易地移植到 AVR其它MEGA系列的設(shè)計(jì)方案中。
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