利用串口与并口实现51内核单片机的在线编程

摘要：详细说明利用并口模拟I2C总线协议，实现Myson MTV230芯片的在线编程（ISP）过程，以及利用PC机的串口通信实现Winbond W78E516B的在线编程（ISP）过程；阐述PC机的串口与并口在单片机开发中的应用。


关键词：并口编程 串口通信 在线编程 ISP MTV230 W78E516B

引 言

1 在线编程简介

　　51内核的单片机在线编程模式一般分为两大类。一类是使用JTAG协议的在线编程模式。这类模式一般由厂家提供在线编程工具，使用方便。使用这一类模式的单片机价格往往较高，使用的厂商也不多，故不在本文的讨论之列。另一类在线编程模式是使用一条特殊的指令，使单片机进入在线编程模式。在进入在线编程模式后，要自己控制对单片机的擦除写入逻辑。这一类模式又可细分为两种不同的模式：一是进入在线编程模式后，单片机只是提供一个接口，不再运行用户的程序，擦写逻辑全由上位机(PC)提供，如以下要讨论的MTV230就属于这种模式；另一类是进入在线编程模式以后，芯片会运行在某一区域的用户编写的程序，芯片的编程逻辑都由芯片中这段程序控制，上位机(PC)只是作为单片机的一个数据源，向单片机传输要擦写的数据，如以下要讨论的W78E516B。

2 利用并口对MTV230在线编程的实现

2.1 MTV230简介

　　MTV230是由Myson公司出品的一块集成OSD功能的基于51内核的芯片。它使用12MHz晶振时可以设置为倍频工作，同时还集成了4路A/D和4路PWM DAC。其中最具竞争力的便是它使用了Flash OSD字库。与一般的OSD芯片不同，它的字库不是掩膜在芯片中，用户可以自己定制。该款芯片可以满足视频应用中的控制需求，因而被广泛应用于视频类产品中。

2.2 MTV230在线编程模式的进入

　　要使MTV230具有在线编程的功能，可以添加一段程序在主应用程序中。该程序用来响应特定的单片机状态，如某一特定引脚的电平变化，或是串口接收到特定的字符以确定是否要进入在线编程模式。在执行以下程序后，MTV230可以进入在线编程模式[1]：

① 清看门狗，以防止在编程期间单片机被复位；

② 单片机的在线编程模式是在空闲状态(idle)下进行的，所以要关闭所有中断，防止单片机被唤醒；

③ 由于MTV230在线编程时是作为I2C的从设备，因而要配置单片机的I2C从地址；

④ 向ISPEN写入0x93，使能在线编程功能；

⑤ 进入51的空闲模式，在线编程开始。

具体程序如下：
WDT=0; //1
IE=0; //2
ISPSLV=0x7C; //3
ISPEN=0x93; //4
PCON=0x01; //5

　　 以上程序中1~5与上述说明对应。以上将I2C地址设置为0x7C。值得注意的是，设置I2C从地址时，最低两位无效[1]。执行完以上程序，单片机已经变为一个I2C从设备，将I2C中SCL与芯片的15脚相连，SDA与芯片的16脚相连，就可以用I2C协议，按一定的命令格式对芯片进行在线编程。命令格式详见参考文献[1]，在此不再赘述。

2.3 PC机I2C接口的实现

　　对MTV230进行在线编程，就要实现I2C通信协议。作为对MTV230进行编程的上位机PC来说，实现I2C有三种方法：

① 使用串口与单片机通信，再由单片机模拟I2C协议，成本高，I2C速度视使用的单片机而定；

② 对计算机的并口编程，模拟I2C协议，成本低，I2C速度一般；

③ 使用USB接口实现I2C协议，成本高，I2C速度快市场上可以买到。

　　由于MTV230进行编程时，I2C时钟速度最高为140kHz，速度要求不高，同时考虑到成本，决定使用方案②。

2.4 并口I2C硬件的实现

　　由于并口的每个引脚都是单向的，只能单向输出或者单向输入；而I2C又是一个双向协议，SDA与SCL都要求既能输入又能输出(有时要获取SCL当前状态)，所以，SDA与SCL要分别各由一个输出引脚与一个输入引脚构成。为了增加并口的驱动能力与可靠性，设计电路如图1所示。其中并口的2、12引脚构成SDA脚，并口的3、10引脚构成SCL脚。
　　　　　　　
2.5 并口I2C软件的实现

　　在Win98中对并口的编程非常简单，通过在VC中内嵌汇编，使用IN与OUT指令访问与并口相对应的端口，设置相对应端口的值中的位就可以控制相应并口引脚的高低电平值。

例如：要将计算机并口1的第2引脚先置高再置低，汇编语言可以这样写：
MOV DX ， 0x378 ;设置端口地址
MOV AL ， 1 ;将待写入的位0的值写入AL中
OUT DX ， AL ;将值送到相应端口
MOV AL ， 0
OUT DX ， AL

　　但在Win2000/XP中，由于系统加强了对硬件设备的保护，假如在程序中直接用IN与OUT指令访问并口，则会引发系统的非法操作；而并口访问又不像串口，直接可以使用Windows API函数，因而就必须使用驱动程序。可以到www.sstnet.com网站上去下载DriverLINX Port I/O Driver并口驱动程序。该程序可以免费复制与分发。有了这个驱动程序，在Win2000/XP下编写并口程序就十分方便。安装该驱动程序后，在程序中包含相应的dlportio.h与dlportio.lib后就可以用DlPortReadPortUchar(IN ULONG Port)来读取端口的值(相当于汇编中的IN指令)，用DlPortWritePortUchar(IN ULONG Port，IN UCHAR Value)来向一个端口写一个特定的值(相当于汇编中的OUT指令)。利用改变端口值中的一个位的值，可以使相应并口引脚输出高低电平，从而可以用其来模拟I2C协议，实现并口与单片机间的I2C通信。关于I2C协议，网上有很多资料，在此不再赘述。

2.6 程序说明

　　如前文所述，MTV230在进入在线编程模式后，就相当于一个I2C从设备，编程逻辑全都由在PC上运行的程序来实现。该程序采用VC6.0编写。编程程序的主界面如图2所示，主要模块如表1所列。由于用并口模拟I2C对单片机编程，会使该线程暂时处在阻塞状态，假如在主线程(UI)中实现该过程，则在对芯片编程时，程序的主界面就无法响应用户退出命令，所以采用了多线程程序结构，在一个工作线程实现该过程，使用户可以随时退出编程过程。
　　　　　　　　　　
　　表1所列的头三个类采用了层次设计结构：上层类调用下层类，下层类为上层类提供接口，这样设计保证了代码的最大可重用性。举例来说，假如有另一芯片同样是使用I2C接口进行在线编程，则只要重写MTVISP这个芯片的在线编程协议类就可以了；如果使用前面所述的并口实现方案1或3，只要重写最底层的Parallel类便可。
　　　　　　　
　　程序工作线程的大致流程如图3所示。
　　　　　　　　
　　程序的特色：

① 可以自己设置I2C速度的高低，模拟I2C的并口地址，以及使用并口的引脚。

② 可以选择简单校验和完全校验，即对编程后的芯片是进行内部校验寄存器值的简单校验，还是将
芯片中的内容全部读出与编程文件进行比较的完全校验。

③ 可以对芯片内的程序区、OSD区进行编程，还可以读出这两区的数据(只有对可以设定进入在线编 程模式的程序才可以)。

④ 进行烧写的文件支持二进制文件格式(*.bin)与Intel的Hex文件格式(*.hex)。

3 利用串口对W78E516B在线编程的实现

3.1 W78E516B简介

　　W78E516B是由Winbound公司出品的基于52内核的高性能芯片，外部晶振可以达到40MHz，内部具有64KB的程序区与4KB的引导程序区，以及256B的RAM区和256B的AUX-RAM区。AUX-RAM区相当于外部存储区，进行寄存器设置后，用MOVX指令进行访问。在Keil编译器中，进行相应的设置便可使用pdata类型变量访问。

3.2 W78E516B在线编程模式的进入

　　W78E516B在线编程模式的进入可以分为两种模式：一种为软件模式，另一种为硬件模式。当芯片进入在线编程模式后，芯片会从现在的64KB程序区跳转到4KB的引导区的0x00地址处去执行程序。如前文所述，该类型芯片的在线编程逻辑都是由在这4KB引导区中的程序决定的，而上位机(PC)只是为在线编程提供一个数据源。

(1)软件进入模式

① 向CHPERN寄存器依此写入0x87，0x59开启CHPCON寄存器的写模式。

② 关闭中断。

③ 向CHPCON写入0x03表示进行程序区编程。

④ 向CHPCRN写入0x00关闭CHPCON寄存器写模式。

⑤ 设置好定时器为延时12μs引发中断。

⑥ 将单片机转入空闲模式，开启中断。
例如：将以下程序嵌入主循环中，当串口收到字符“A”时便进入在线编程模式：
if(B_Temp==‘A’{//B_Temp中存放从串口接收到的数
TR0=0; //停止定时器
TH0=TL0=256-250; //设置定时器定时值
CHPENR = 0x87; //开启CHPCON写模式
CHPENR = 0x59;
CHPCON|=0x03; //开启编程功能
CHPENR=0x00; //关闭CHPCON写模式
TR0=1; //开启定时器
PCON=0x01; //转入空闲模式
}

(2)硬件进入模式

　　如表2所列，将相应引脚设置为相应电平，在进行复位以后也可进入在线编程模式。值的注意的是，在芯片正常工作时应避免误入在线编程模式，否则后果不堪设想。表2中L代表低电平，X代表任意电平。
　　　　　　　　　　　　　　
3.3 W78E516B在线编程的实现

(1)单片机引导区程序

　　W78E516B在线编程逻辑主要在这部分程序中实现。在参考文献[2]中的最后有一个示例程序，它是从外部的SRAM中读取数据对64KB程序区进行编程。将其改写一下，变为从串口读入数据。对程序区进行更新，大致流程与示例程序相同，代码也大致相同。有兴趣的朋友可以自行阅读文献[2]中的程序源文件，在此只列出关键的更改处：
;使用24MHz晶振
;使用WAVE编译程序
;其中R3存有待写入数据字节数-1的高16位
;其中R4存有待写入数据字节数-1的低16位
JMP PROG_D_64K
PADJUEST:
INC R2 ;将低位地址增加1
CJNE R2，#00H，PROG_D_64K
INC R1 ;低位进位时将高位增加1
MOV SFRAH，R1 ;改变高位地址
PROG_D_64K:
MOV SFRAL，R2 ;将低位地址放入
JNB RI，$ ;从串口接收一个待写入的字节
MOV A，SBUF
CLR RI
MOV SFRFD，A ;将待写入的值放入
MOV TCON，#10H ;开启定时器
MOV PCON，#01H ;CPU进入IDLE状态(进行编程)
CLR C ; 比较R3、R4，看是否写入完成
MOV A，R4
SUBB A，R2
JNZ PADJUEST
CLR C
MOV A，R3
SUBB A，R1
JNZ PADJUEST

(2)PC机程序

　　PC机程序为单片机提供一个数据源。该数据是通过PC机的串口进行数据传输的。程序由VC6.0编写，串口通信使用的是VC自带的串口控件MSCOMM。由于MSCOMM的接收数据是以消息形式，同时在该程序中接收的数据量很小，而发送数据为阻塞模式，所以新开一个工作线程用于发送数据，而接收数据与主线程合并。程序整体采用状态机模式。单片机进行擦除、编程、校验等各个状态时，都通过串口向PC机发送状态字，PC机通过接收状态字来决定单片机现在的工作状态，并决定要向单片机提供的数据。同时主线程中有一定时器，假如在特定时间内单片机无应答，或应答有误，则报错，停止单片机的编程过程。值得注意的是，由于使用了MSCOMM控件，在未装VC6.0的机器上运行该程序要将源文件SYSTEM目录中的三个文件拷贝到system32系统目录下。程序主界面如图4所示。PC机与单片机通信的工作流程如图5所示。
　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　
程序特色：
① 可以设定使用的串口与通信的波特率。(与其相应的4KB引导区中的程序也要相应修改)。
② 可以设定使单片机进入在线编程模式的字符命令。
③ 进行烧写的文件支持二进制文件格式(*.bin)与Intel的Hex文件格式(*.hex)。

4 结 论

　　使用并口模拟I2C程序可以方便地对板上的MTV230芯片进行在线编程，使用串口为W78E516B提供数据源也可方便地对其进行编程，两者均经过实践检验，程序完全达到预期目的。使用芯片的在线编程技术，方便了芯片程序的更新，降低了产品的维护成本。