基于USB接口的ISP下載系統設計

1 引言

ISP（In-System Programming）在系統編程，通過(guò)下載電纜直接對安裝在用戶(hù)目標板上的器件編程，給電子產(chǎn)品的設計和生產(chǎn)帶來(lái)許多革命性的變化。目前，比較成熟的ISP下載器大多是基于串口或者并口通信的，但是也存在著(zhù)以下問(wèn)題：

（1）用戶(hù)PC機的主頻、硬件和操作系統不同，可能會(huì )造成控制信號錯誤；www.51kaifa.com

（2）不同的廠(chǎng)商提供不同的ISP下載器，互不兼容，給嵌入式開(kāi)發(fā)帶來(lái)不便；

（3）限于串、并口的通信協(xié)議，ISP數據傳輸速率較低，影響嵌入式產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

基于以上原因，本文提出了一種將單片機和USB總線(xiàn)相結合，進(jìn)行ISP下載的方法，經(jīng)過(guò)實(shí)際應用，取得了較好的效果。

2 系統設計

本系統分為硬件和軟件兩部分，硬件平臺主要由USB接口和單片機控制模塊組成，完成對PC機通信和對目標芯片ISP編程。軟件面向用戶(hù)設計，由用戶(hù)選擇要下載的、已經(jīng)編譯成Hex文件格式的代碼文件，然后向目標芯片下載程序代碼，同時(shí)可以檢測目標芯片型號、擦除目標芯片、從目標芯片讀出程序代碼等。整體框架如圖1所示。www.51kaifa.com

圖1 系統框架圖

2.1 硬件系統設計

硬件是整個(gè)系統的基礎，是完成各個(gè)功能的物理平臺。硬件部分主要完成USB通信和ISP下載。采用USB接口芯片與單片機相結合，USB接口芯片已經(jīng)封裝好USB1.1協(xié)議，使用單片機控制對目標芯片ISP下載操作，硬件模塊關(guān)系如圖2所示。

圖2 硬件模塊關(guān)系圖

本設計通過(guò)USB接口與PC機通信，微控制器接收完數據后，使用ISP方式下載到目的芯片中，故在硬件上采用ATMEL公司的51系列單片機AT89S52作為本設計的嵌入式微控制器，采用PHILIP公司的PDIUSB12作為USB設備接口器件。

2.1.1 PDIUSB12設計

PDIUSBD12 PDIUSB12是PHILIPS公司生產(chǎn)的一種USB接口芯片，完全封裝USB1.1協(xié)議，是一款性?xún)r(jià)比很高的USB 器件。它通常用作微控制器系統中實(shí)現與微控制器進(jìn)行通信的高速通用并行接口，支持本地的DMA 傳輸。PDIUSBD12 完全符合USB1.1 版的規范。PDIUSBD12 所具有的低掛起功耗連同LazyClock 輸出，可以滿(mǎn)足使用ACPI、OnNOW 和USB 電源管理的要求，其低的操作功耗可以應用于使用總線(xiàn)供電的外設。其電路設計原理圖如圖3所示。

圖3 PDIUSB12電路

該電路設計分析如下：

（1）PDIUSB12的時(shí)鐘源頻率為6MHz；

（2）D0～D7分別與MCU的P0.0～P0.7相連；

（3）D12的A0引腳通過(guò)10K的電阻與地相連；

（4）D12的ALE引腳與MCU的ALE引腳相連；

（5）GL_N通過(guò)一個(gè)電阻和紅色LED串聯(lián)到VCC；www.51kaifa.com

（6）DMACK_N和EOT_N通過(guò)電阻上拉到VCC。

2.1.2 MCU設計

本設計中的MCU采用ATMEL公司的AT89S52單片機，主要用于USB通信和ISP下載。其硬件原理圖如圖4所示。

圖4 MCU硬件原理圖

上圖中，電路配置描述如下：

（1）MCU采用24MHz晶振；

（2）數據總線(xiàn)P0端口接上拉電阻，P0.0～P0.7與PDIUSB12芯片的D0～D7相連。MCU

的地址鎖存引腳ALE與PDIUSB12的ALE引腳相連，端口P0作地址/數據總線(xiàn)復用；

（3）功能引腳P3.6、P3.7與PDIUSB12的WR_N和RD_N相連，控制PDIUSB12的讀

寫(xiě)信號；

（4）MCU的P2.1引腳、P2.2引腳和P2.3引腳分別與PDIUSB12的片選引腳CS_N、掛起狀態(tài)引腳SUSPEND和復位引腳RESET_N相連接，作為相應的功能控制。

2.2 軟件設計

本設計的軟件主要分為兩個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C上的控制系統設計和PC機上的應用程序設計。單片機控制系統負責與PC機通信和對目標芯片ISP編程，PC機上的應用程序包括USB的驅動(dòng)程序和ISP下載控制軟件。

2.2.1 單片機控制系統

單片機控制系統是核心內容，處理與計算機進(jìn)行USB通信、數據處理和對目標芯片ISP下載代碼。將PDIUSB12設計成完全的中斷驅動(dòng)，當MCU處理前臺任務(wù)時(shí)，USB的傳輸可

以在后臺進(jìn)行，這就確保了最佳的傳輸速率和更好的軟件結構，同時(shí)簡(jiǎn)化了編程和調試。

MCU一旦上電就初始化其所有端口、存儲區、定時(shí)器和中斷服務(wù)程序。之后MCU將重新連接USB，包括將Soft_Connect寄存器設置為 ON。主機通過(guò)設備的上拉電阻產(chǎn)生的信號變化來(lái)檢測新的設備連接。因為這些過(guò)程確保了在MCU準備好提供服務(wù)之前PDIUSB12不會(huì )進(jìn)行操作。設備上電后，主機通過(guò)設備的上拉電阻產(chǎn)生的信號變化來(lái)檢測新的設備連接。PDIUSB12片內有1.5kΩ的Soft Connect上拉電阻，默認狀態(tài)下不與VCC相連，允許系統微控制器來(lái)決定與USB建立連接的時(shí)間。

單片機控制系統的設計目標就是使PDIUSB12在USB上達到最大的傳輸速率，使更多的時(shí)間留給ISP控制處理程序處理ISP請求。將USB通信處理設計成完全的中斷驅動(dòng)。當CPU處理前臺任務(wù)時(shí)，USB的傳輸可在后臺進(jìn)行，這就確保了最佳的傳輸速率和更好的軟件結構，同時(shí)簡(jiǎn)化了編程和調試。前后臺任務(wù)處理關(guān)系如圖5所示。

圖5 前后臺任務(wù)處理關(guān)系圖

整個(gè)系統程序設計采用模塊化設計思想。為了使軟件可移植性強、易維護，采用分層

的方法來(lái)編寫(xiě)PDIUSB12的驅動(dòng)程序和ISP下載程序。

2.2.2 PC機ISP下載軟件設計

PC機ISP下載軟件是面向用戶(hù)的一個(gè)接口，它向用戶(hù)提供讀目標芯片廠(chǎng)商號，讀目標芯片型號，寫(xiě)目標芯片Flash，讀目標芯片Flash和擦除目標芯片Flash等ISP編程操作。因為所有ISP操作都在單片機控制系統中實(shí)現，所以PC機ISP下載軟件僅是通過(guò)USB接口向單片機發(fā)送ISP編程指令和代碼數據，同時(shí)接收并顯示單片機反饋回的信息。

實(shí)現USB通信的功能函數包括ReadData和WriteData兩個(gè)函數。

（1）ReadData函數

int __stdcall ReadData(int pipenum,unsigned char *recbuffer,int len,int waittime=-1)

其中參數pipenum表示要操作的管道號，可以為0、2、4，分別對應端點(diǎn)0、1、2；參數recbuffer表示接收數據緩沖區；len為接收緩沖區長(cháng)度，而且必須為要接收數據的真實(shí)長(cháng)度，但最大長(cháng)度為1024；waittime表示超時(shí)時(shí)間，單位為毫秒。

（2）WriteData函數

int __stdcall WriteData(int pipenum,unsigned char *sendbuffer,int len,int waittime=-1)

其中參數pipenum表示要操作的管道號，可以為1、3、5，分別對應端點(diǎn)0、1、2；參數recbuffer表示發(fā)送數據緩沖區；len為發(fā)送緩沖區長(cháng)度，而且必須為要發(fā)送數據的真實(shí)長(cháng)度，但最大長(cháng)度為1024；waittime表示超時(shí)時(shí)間，單位為毫秒。

3 應用與測試

使用USB Analyser分析USB-bus1.1分析儀采集的數據，當本設計與PC連接時(shí)，主機檢測到新設備，并提示安裝驅動(dòng)程序，安裝完驅動(dòng)程序后，PC機開(kāi)始枚舉USB設備。PC

機根據讀取得USB設備描述符配置設備，此時(shí)，USB設備枚舉成功，進(jìn)入掛起狀態(tài)，本設備已經(jīng)被PC機識別，如圖6所示，USB接口測試成功。

圖6 PC機識別出本設計

將USB-ISP單片機開(kāi)發(fā)與教學(xué)實(shí)驗板與PC機相連接，在PC機運行USB調試助手，通過(guò)USB調試助手與本設計進(jìn)行數據通信，在PC機上運行ISP控制軟件，測試檢測連接功能、擦除Flash功能、下載功能和讀取Flash功能能夠較好的實(shí)現。

4 結論

本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：設計了一種單片機（MCU）控制、基于USB接口通信的通用智能型ISP下載器。由于ISP下載系統使用USB接口，PC機主機不直接操縱編程器的硬件電路，而是向內置單片機發(fā)以命令的形式間接控制下載器工作，避免PC機軟件受病毒侵害出現錯誤、聯(lián)機電纜接觸不良、外界電磁干擾等原因造成控制錯誤，整個(gè)設計顯得靈活、方便。

參考文獻

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