STM32F103系列微控制器在应用编程技术研究

摘要：STM32F103系列微控制器由于其低廉的价格和强大的功能在嵌入式产品中被广泛应用，而STM32F103系列微处理器在下载程序时通常使用的JTAG、ISP两种方式都不适用于产品的软件更新。为解决使用STM32F103系列芯片的嵌入式产品软件更新不便的问题，本文对STM32F103系列微处理器的IAP(在应用程序编程)进行了研究，研究了两种IAP技术，给出了硬件测试和软件流程图，并作了总结，最后提出一种基于蓝牙串口模块通过ymoclem传输协议实现的IAP方案。
关键词：STM32F103；蓝牙串口模块；IAP；ymodem传输协议

引言
    STM32F103系列芯片下载程序主要通过JTAG以及ISP(In-System Programming)这两种方式。其中JTAG需要专门的下载器，这种方式主要用于软件调试。
    ISP是在系统编程，指的是利用STM32F103中自带的Bootloader程序，通过通信接口擦除和下载用户代码。STM32F103系列芯片中引脚BOO T0和BOOT1置位为1和0时就会进入ISP模式，但下载程序完成后需要将BOOT0和BOOT1都置为0，才能进入正常工作模式。这就使得在下载程序完成后需要设置跳线帽等机械性的操作。而一个嵌入式产品的设计不得不考虑软件部分的更新，前面介绍的两种下载方式都不适合用来做软件更新，也就不适合用在嵌入式产品中。
    IAP(In—Application Programming)是在应用编程，指的是用户利用自己编写的烧写程序，通过通信接口擦除或下载自己的代码。嵌入式产品需要使用这种简单方便且不需要机械操作的软件升级方式进行程序更新。
    现今嵌入式产品功能日益强大，无线传输数据更成了嵌入式必不可少的功能，设计了一种基于蓝牙模块通过无线更新程序的方法。
    本文首先介绍了一种通过模拟硬件电平变化的方法间接通过STM32F103自带的Bootloader完成程序下载的方法，给出了设计原理和设计流程。接着介绍了IAP下载的设计方法和流程。最后在IAP的基础上设计了一种基于蓝牙模块的无线软件更新方法，介绍了设计流程并给出了实验结果。

1 Bootloader和外围电路完成的IAP方案
    STM32F103芯片通过在复位后读取BOOT0及BOOT1引脚的高低电平，通过表1选择启动方式。

    STM32F103系列的嵌入式产品需要将启动模式配置为正常启动方式，即将BOOT0和BOOT1置GND。使用ISP进行程序更新时需要将BOOT0置为高电平。
    利用STM32F103的Bootloader和外围电路完成IAP的方案是，从利用STM32F103复位开始，到检测BOOT0引脚电平高低的时间约有15 ms，使用外围电路电容放电，保持BOOT0引脚高电平15ms以上，使STM32进入ISP的方式来完成在程序下载。由以上原理将BOOT0引脚外围电路做如图1所示的改动。

    图1是一个使用开关三极管设计的电压保持电路，GPIO是STM32F103的一个I／O口，当该I／O口为低电平时三极管截止，BOOT0相当于接GND。当需要更新软件时置高该GPIO，并保持一段时间为电容C1充电，通过看门狗软件来复位系统，这时C1放电使得开关三级管Q导通，BOOT0相当于接VCC，则STM32F103进入系统存储器启动(ISP)的模式，通过串口ISP下载实现软件更新，待电容C1放电完成后三极管Q再次截止BOOT0回到GND，芯片恢复到正常启动模式。其中C1、R、Q的型号可以根据嵌入式产品设计的电气参数来设定。
    图2是使用Tektronix公司的TDS2024B示波器测试的波形图，其中R1=1 kΩ，R2=1 MΩ，R3=1 MΩ，R4=200 kΩ，C1=1μF，Q为8050。从图中可以看出从电压2．48 V放电到2．24 V用了2．120 s，远远大于15 ms。由此仿真图可以得出，通过硬件实现软件更新是可行的。

    图3是该设计的软件流程图。
    进行软件更新时，首先置高I／O口，等待1 s为电容充电，接着使用看门口复位整个芯片。
    使用硬件解决方案可以通过搭建简单的电路，并在触发更新软件的中断中加入简单的几行改变GPIO高低电平和软件复位的代码，就能够实现软件更新，操作简单。

2 软件完成的IAP方案
    该方案是在主程序前添加一个简单的Bootloader程序，用该程序来判断是否进行软件更新。Bootloader程序的主要编程思路如图4所示。

    该方案的原理是：STM32F103芯片启动时将从FLASH的0x8000000地址开始执行程序，Bootloader程序也要写在地址0x8000000处，在Boot loader程序中通过判断标志位的值来判断是否直接进入主函数，判断标志位的值存放在STM32F103的FLASH中避免标志位丢失。主程序的位置在Bootloader程序所占用的地址空间之后，具体地址要由Bootloader程序的大小来决定。
    更新主程序的过程就是将以前的主程序覆盖掉。Bootloader程序、主程序以及更新标志位的地址位置及加入Bootloader程序后，主程序的中断工作过程如图5所示。

    Bootloader程序被放在芯片启动后读取的第一个地址0x8000000上，依次按照地址排下来是Bootloader的中断向量表、Bootloader的主程序。在IAP主程序之后0x8000000+X处放置更新标志位temp。在更新标志位后0x8000000+X+M处地址开始主程序。
    主程序的中断响应过程为：中断发出中断请求，中断请求根据STM32F103的硬件机制会到0x8000000后的中断向量表进行中断的响应，但主程序有自己的中断向量表，所以在主程序的main()函数开始时要偏移中断向量表，使中断响应时按照主程序的中断向量表进行。
    由上述分析可以得出编写主程序的三个注意事项：
    首先，在主程序编译前需要先将程序的启动地址设置为Bootloader写入的地址，例如在RVMDK软件中设置芯片的启动地址为0x8000000，但主程序写在0x8004000的位置，所以需要将主程序的启动地址改为0x8004000。
    其次，就是在main()函数中设置偏移中断向量表，如下面的程序所示，在主程序开始时偏移中断向量表。
   
    最后，使用IAP下载的更新程序的格式最好为．bin文件，但不能是．hex文件，可以使用fromelf这一类的工具将．hex格式文件转换为．bin文件。

3 蓝牙串口模块完成的无线IAP方案
    该方案主要由图6所示的几个部分组成，STM32F103的其中一个串口与蓝牙串口模块相连接。蓝牙串口模块支持SPP蓝牙串口通信协议，即使用蓝牙替代串口线，通过无线的方式进行串口通信。上位机是一台PC机，负责给嵌入式产品下载更新软件，PC机需要通过一个蓝牙适配器与嵌入式产品的蓝牙串口模块进行蓝牙数据传输。

    在PC机上安装蓝牙串口工具，该工具可以将蓝牙适配器设备组织成为一个串口，使用超级终端与嵌入式产品进行串口通信。
    嵌入式产品中的IAP程序的伪程序如下所示：
   
   
    实验结果如图7所示，通过超级终端使用ymodem传输协议完成主程序的下载。

结语
    本文提出的通过蓝牙串口完成的无线IAP方案能够完成无线的软件更新，但下载方式单一，下载速度不快，而且仅使用了ymodem传输方式。在此基础上可以使用其他无线方案(比如WiFi串口模块)和更多的传输方式。