基于串口的通用的单片机在系统编程设计及实现

1 通用的在系统编程方法
    随着嵌入式系统技术的发展，电可擦除的FLASH芯片以容量大，价格低，编程方便等优势得到了广泛的应用。用一片FLASH作为程序存储器的系统无法直接实现在系统编程(ISP)，为了方便现场调试和程序升级，可以采用集成ISP功能的MCU(如AVR、部分ARM芯片等)，或者采用双FLASH设计等方法实现ISP功能。但有不少系统仍然使用不具备直接ISP功能的MCU(如M68K、N80C196等)，同时因印制版面积、成本等原因的考虑也没有采用双FLASH芯片，此类系统在程序升级时通常需要编程器、仿真器等特定工具，在现场调试时很不方便。
    针对使用不具备ISP功能的MCU系统，只要满足以下四个条件，就可以按照本文的方法进行ISP设计。考虑自编程过程中文件出错、断电等特殊情况，此方案可实现故障保护。
    (1)程序空间和数据空间统一编址，程序可以在RAM中运行；
    (2)FLASH芯片正确连接了写信号；
    (3)拥有能放下Update程序并让其正常工作的额外程序／数据空间；
    (4)具备某种通信能力(例如以太网、串口、CAN、MODEM等)。
    程序分布如图1所示。这种情况下需要把整个工作分为三部分完成。第一是引导程序(称为Boot程序)；第二是升级程序(Update程序)；第三是正常程序(Normal程序)。Boot程序负责控制程序的运行模式：升级模式、正常模式。如果进入升级模式，Boot程序需要将Update程序复制到指定的运行空间，并转入执行Update程序；如果进入正常模式，Boot需要做的工作就十分简单，可以直接把控制权交给正常程序。要注意Update在自编程时不能破坏Boot程序。此时Normal程序不再负有复制Update程序到指定运行空间的任务，完全按照正常的模式运行。

    按照这种方案，Boot程序和Update程序是自编程设计的核心内容，只要保证这部分程序代码的完整性，就能拥有在线编程的能力。要对这部分程序代码区进行保护，保证在第一次写入程序存储器后就不会再被擦除。这样即使在自编程时发生灾难性故障，Boot程序和Update程序是不会被破坏的，仍然可以继续运行，保证下次仍然可以进行自编程。程序完成后必须分别固化到程序存储器的指定空间，以保证程序的正常运行。

2 80C196KC ISP的通信模块设计
    实现80C196KC ISP的核心思想即用AT29C256代替常用的M27C256做程序存储器与80C196KC相接，区别在于前者1引脚接／WR，后者1脚悬空；再用一片DS1230Y(NV SRAM)做中转。AT29C256分三个空间存放引导程序、更新程序和正常控制程序；其中引导程序用于80C196KC和上位机进行串口通信，接收上位机编译好的更新程序(．Hex文件)，并把它放到DS1230Y中，在下载完成后把其中接收的程序代码发回上位机进行校验，校验无误后跳转去运行更新程序；更新程序用于将DS1230Y中校验无误的新程序复制到AT29C256的正常控制程序空间；正常控制程序即待更新或已经更新的系统程序。每次系统上电后由键盘判断是否需要在系统编程，如果需要，则经过引导程序和更新程序执行后，跳转到正常控制程序空间运行更新了的程序。如果不需要，则直接跳转到正常控制程序空间运行。在从AT29C256取指令时，注意WE脚保持高电平。
2．1 通信协议
    目前微机的串行通信口都是基于RS 232协议的，但因其传送速率较低、抗干扰能力较差、传送距离太近等缺点，该系统采用RS 422通信方式。RS 422每个通道通过二条信号线进行传输，采用平衡驱动、差分接收形式，对在接收器输入端出现的共模噪声起到了抑制作用，可以允许较大的信号衰减。另外由于两者之间不共地，不存在回路之间的电位差，彻底消除了远距离信号传输中因地电位不等造成的影响，从而有很强的抗干扰能力，并且可获得较长的传输距离。
2．2 通信接口电路
    鉴于篇幅，这里只给出串口通信中PC端硬件接口部分。
    首先由一块MAX232芯片把PC机串行口的RS 232电平转换为TTL电平，然后通过6N137的光电隔离模块进行隔离，再通过MAX 487芯片完成RS 232协议到RS 422协议的转换。其实也就是一个电平被转换为两个压差电平的过程，如图2所示。

2．3 通信软件设计
    单片机(下位机)软件开发采用PL／M语言。主要由更新程序和通信程序组成，通信程序又包括通信主程序、接收、发送和定时中断程序等。其中通信主程序是不断循环执行的，如果上位机发送了数据则进入接收中断处理程序，并同时在定时中断中设置一个在接收中断中被清零的计数器，当定时器溢出某个时间范围时，说明接收完毕。这时触发发送中断，上发接收到的整个文件内容用于校验。这里仅给出部分更新程序代码。

    固化中断服务程序，并通过在PL／M语句中嵌入汇编语句完成程序的跳转。下载完成后，将程序复制到AT29C256后运行新程序，DS1230Y仍用作数据存储器。
    PC(上位机)操作界面应用Delphi 6．0开发。在Delphi 6．0开发环境下实现串行通信有多种方法，如：调用MSCOMM．OCX控件、在Windows下使用Win-dows API、应用嵌入式汇编语言、直接构造Delphi中的通信控件、利用动态链接库(DLL)等。考虑到该系统的通信情况比较简单，所以直接使用MSComm组件编写串口通信软件，主要包括三个方面的设计内容：
    (1)收发数据，指的是在PC机的串口与80C196KC的串口UART之间能收发字符串，二进制串(16进制显示)；
    (2)收发文件，指的是在PC机的串口与80C196KC的串口UART之间能收发字符型文件，16进制文件(．Hex文件)
    (3)差错校验及系统可靠性设计。通信的成功与否最后还要看校验的结果，即接收端是否能正确无误的接收到发送端发送的内容。差错控制流程图如图3所示，核心代码如下：

    最终开发出的操作界面如图4所示，包括下载进程显示条，串口初始化设置框，收发数据文本框，选择打开发送文件按钮，发送文件大小显示框，校验按钮，文本与16进制类型选择框以及通信状态显示项。

3 结 语
    提出了基于串口通信的通用的单片机ISP方法并针对80C196KC实现了PC机上已编译程序的在线下载。通过回声法校验，返回的接收文件与发送文件完全一致，系统可靠性高，设计简单，实现容易，具有一定的理论研究意义和应用前景。为“国家杂交水稻工程技术研究中心”人工气候室智能控制系统的系统程序更新，升级和远程维护提供了方便。