一種實(shí)用的PIC編程器的設(shè)計(jì)

摘要 介紹一種簡便實(shí)用的PIC編程器實(shí)現(xiàn)方案。設(shè)計(jì)思想是：以單片機(jī)作為主控機(jī)，欲寫入的PIC程序代碼存放在主控機(jī)中，由主控機(jī)提供PIC芯片編程所需信號，并監(jiān)測整個(gè)編程流程。在時(shí)鐘脈沖信號作用下，把代碼寫入PIC的Flash中以達(dá)到對芯片編程的目的。該方案可以在脫離PC的環(huán)境下運(yùn)行，適用于對批量的PIC芯片進(jìn)行編程。
關(guān)鍵詞 PIClOF202 串行編程 89C51

隨著工業(yè)生產(chǎn)的擴(kuò)大，存在著對同一型號芯片進(jìn)行相同代碼編程的需要。目前采用的編程方式是通過專用的編程器來執(zhí)行，其編程過程離不開PC機(jī)。在對一定批量的芯片編程時(shí)，操作比較煩瑣，保密性能差，且難以在工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行。

本編程器設(shè)計(jì)簡單，操作方便，保密性好，易攜帶，需要的外部設(shè)備少。編程器以PIClOF202為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。PIClOF2xx系列是 Microchip公司生產(chǎn)的低功耗，高性能Flash單片機(jī)。其封裝小，易于使用，成本低。性能穩(wěn)定，在通用電子設(shè)計(jì)中被廣泛使用。本設(shè)計(jì)的基本思想適用于其他類型的單片機(jī)。

1 PICl0F2xx的存儲結(jié)構(gòu)及編程方法
1．1 存儲空間映射
以PICl0F202為例，其內(nèi)部程序存儲空間映射如下：
0000H～0lFFH是用戶可以使用的代碼存儲空間，0200H～03FFH是系統(tǒng)的配置空間。其中01FFH單元是復(fù)位向量，系統(tǒng)復(fù)位后程序指針PC 將指向此地址單元。0200H～0203H是用戶ID信息存儲區(qū)間。0204H地址單元存放的是備份的OSCCAL值，被預(yù)留用來測試內(nèi)部晶振，因此該值在任何情況下都不應(yīng)該被更改。一旦被擦除，必須恢復(fù)該值，否則芯片不能正常工作。03FF地址單元存放系統(tǒng)的配置字，其他地址單元系統(tǒng)保留。

1.2 芯片編程方法
采用串行在線編程的方式，串行時(shí)鐘信號由主控單元的I／O口發(fā)出，從PIC的時(shí)鐘引腳ISCLK輸入。在串行時(shí)鐘信號作用下，串行數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)引腳ISDAT輸入／輸出，完成對芯片的Flash的代碼寫入。

只有在進(jìn)入編程模式后，PIClOF202才能允許對其存儲空間的操作，如圖l所示。當(dāng)保持ISDAT(串行數(shù)據(jù)輸入端)和ISCLK(串行時(shí)鐘輸入端) 為低電平時(shí)，VCC(芯片電源)上升到高電平。經(jīng)tl延時(shí)，MCLR(編程模式選擇端)上升到高電平，再經(jīng)t2延時(shí)，開始時(shí)鐘脈沖和數(shù)據(jù)的輸入／輸出。此時(shí)PIClOF202進(jìn)入編程模式。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)邏輯框圖如圖2所示，由主控機(jī)、控制模塊、監(jiān)控顯示模塊和目標(biāo)芯片組成。主控機(jī)選用89C51單片機(jī)，用單片機(jī)的2個(gè)I／O口分別提供ISDAT和 ISCLK信號；目標(biāo)芯片即PIC。PIC的MCLR端為編程模式選擇端。為了讓PIC10F202能夠進(jìn)入編程狀態(tài)，需要由控制模塊實(shí)現(xiàn)對MCLR端的電平控制。監(jiān)控顯示模塊用于指示目前系統(tǒng)的工作狀態(tài)和監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行。

2．1 控制模塊的實(shí)現(xiàn)
為了實(shí)現(xiàn)控制模塊對MCLR端的電平控制，使用2個(gè)晶體管T1、T2，如圖3所示。當(dāng)單片機(jī)I／O口為高電位時(shí)，T1導(dǎo)通，其發(fā)射級為低電位，T2導(dǎo)通，于是電源VPP與PIC的MCLR端接通；當(dāng)I／O口為低電位時(shí)，T1截止，其發(fā)射級為高電位，T2截止，VPP和MCLR端之間斷開。

2.2 監(jiān)控顯示模塊
采用一組發(fā)光二極管來顯示系統(tǒng)狀態(tài)和編程結(jié)果。系統(tǒng)的工作狀態(tài)包括：目標(biāo)芯片檢測、就緒等待、編程進(jìn)行中、代碼校驗(yàn)等。系統(tǒng)在就緒等待狀態(tài)下，就緒狀態(tài)燈亮，主控機(jī)監(jiān)控按鍵指令；接到指令后即進(jìn)入編程狀態(tài)，同時(shí)編程燈亮，編程后執(zhí)行校驗(yàn)，校驗(yàn)完成后結(jié)束燈亮，說明完成整個(gè)縮程工作。整個(gè)編程過程中，若遇到故障，相應(yīng)故障燈顯示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 數(shù)據(jù)(命令)輸入方法
無論是指令還是需要寫入的代碼數(shù)據(jù)，都在相應(yīng)的時(shí)鐘節(jié)拍下由串行數(shù)據(jù)端輸入。串行時(shí)鐘始終與串行數(shù)據(jù)的要求一致。對于不同的命令，時(shí)鐘脈沖間的時(shí)間參數(shù) t1~t6的要求是不同的。在相應(yīng)時(shí)鐘脈沖下降沿，PIC對數(shù)據(jù)端采樣，命令代碼在前，一段時(shí)間延時(shí)后，輸入代碼數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)低位在前，高位在后，如圖4所示。時(shí)間參數(shù)的具體要求見參考文獻(xiàn)。

下面以數(shù)據(jù)導(dǎo)入為例簡要說明。
代碼舉例如下：

由命令字表中可知，若導(dǎo)人數(shù)據(jù)的命令字是xx0010B，低位在前由ISDAT輸入，每次ISCLK的下降沿對ISDAT采樣。以上代碼實(shí)現(xiàn)了“0”、 “1”的輸入，其他命令的輸入類似。數(shù)據(jù)輸入和命令輸入都是下降沿有效。每次導(dǎo)入1字節(jié)的數(shù)據(jù)為12位，但是必須在16個(gè)時(shí)鐘脈沖中完成。前6個(gè)時(shí)鐘脈沖的下降沿輸入命令字，且前4位有效。一段時(shí)間參數(shù)的延遲后，數(shù)據(jù)開始輸入，第1個(gè)時(shí)鐘下降沿輸入起始位，后第2～13個(gè)時(shí)鐘的下降沿輸入1字節(jié)的數(shù)據(jù)，共 12位。第14、15個(gè)時(shí)鐘下降沿輸入數(shù)據(jù)無效，最后一個(gè)下降沿輸入停止位(起始位和停止位固定為O)。

3．2 PC指針的處理及尋址方法
在對其編程的過程中，需要知道當(dāng)前PIC的PC指針指向的Flash存儲區(qū)單元地址，也就是當(dāng)前的操作單元。由于無法直接讀取其PC指針的值，故采用在 89C5l的RAM區(qū)定義一個(gè)變量用來記錄PIC的PC指針(12位，占用2字節(jié))。該變量的值始終和PIC的PC指針一致，讀取該值便可取得當(dāng)前所操作的PIC的Flash存儲單元地址。

變量的操作應(yīng)該遵循如下運(yùn)算規(guī)則：
①只有“加1”這一種運(yùn)算；
②03FF+1=0000(03FF為PIC10F202的存儲器末地址)}
③當(dāng)變量的值不等于03FF時(shí)，其“加l”運(yùn)算與指針值“加1”同步；
④初始情況下，指針的值指向03FF。
PICl0F202的Flash單元地址為0000H～03FFH。在以上運(yùn)算規(guī)則下，記錄PC指針的變量值也只能是0000H～03FFH，通過“加1”運(yùn)算即可尋址到每一個(gè)Flash存儲單元。

3．3 數(shù)據(jù)的讀取
從Flash存儲單元中讀取數(shù)據(jù)位的方法：先是6個(gè)時(shí)鐘下降沿輸入6位命令字，在接收到這個(gè)命令字后，PIC將當(dāng)前PC指針?biāo)鶎?yīng)ROM存儲單元的值按位由ISDAT輸出。在第6個(gè)下降沿結(jié)束后，經(jīng)延時(shí)，在時(shí)鐘脈沖每個(gè)上升沿對ISDAT采樣，一共16個(gè)上升沿，輸出16位的數(shù)據(jù)。第2～13位是12位的數(shù)據(jù)；14、15位無效；首位和末位分別是起始位和結(jié)束位，如圖5所示。

讀取數(shù)據(jù)時(shí)有兩點(diǎn)值得注意：
①命令字的輸入和其他操作相同，但數(shù)據(jù)輸出時(shí)是上升沿有效；
②由于01FFH和0204H是系統(tǒng)預(yù)定值單元，當(dāng)尋址到這兩個(gè)單元時(shí)，執(zhí)行讀取指令后必須保留其內(nèi)容，以便編程時(shí)恢復(fù)。

3．4 寫入Flash方法
數(shù)據(jù)寫入Flash的過程如下：
每次導(dǎo)入一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)(12位)，輸入開始寫入的指令碼，經(jīng)過一段時(shí)間參數(shù)的延時(shí)，再輸人結(jié)束寫入指令碼，就完成一個(gè)字節(jié)的寫入過程。但需要注意的是，無論是數(shù)據(jù)讀取還是寫入，都是對當(dāng)前PC指針?biāo)赶虻腇1ash單元進(jìn)行的；而且數(shù)據(jù)寫入只有在當(dāng)前存儲單元已經(jīng)被擦除的情況下才可以正確地實(shí)現(xiàn)。

指令輸入形式(如芯片擦除、開始寫入、結(jié)束寫入和地址加1等)可以查得其命令宇，其輸入方法與圖4和圖5類似，每個(gè)指令都需要時(shí)鐘脈沖的6個(gè)下降沿輸入。僅有“導(dǎo)入數(shù)據(jù)”和“讀取數(shù)據(jù)”2條命令需要后跟數(shù)據(jù)字節(jié)，其他的指令在輸入完成后，經(jīng)延時(shí)，便可以進(jìn)行下一條指令的輸入。字節(jié)寫入流程如圖6所示。

3．5 配置字編程及代碼保護(hù)的處理
配置字是關(guān)于PIC的設(shè)置，包括是否使能看門狗，是否采用I／O弱上拉，以及MCLR引腳的配置等。配置字在03FFH單元，PIC進(jìn)入編程模式時(shí)，配置字單元就是Pc指針?biāo)赶虻膯卧?。配置字的寫入方法與一般的代碼寫入方法一致。一旦設(shè)置了代碼保護(hù)，用戶代碼空間的0040H以上的字節(jié)讀出為“0”，其他的配置空間依舊可以正確讀出，包括配置字單元和用戶ID區(qū)。配置字可以被多次寫入，但是在任何情況下擦除配置字單元，用戶儲存區(qū)的代碼也同時(shí)被擦除?？梢酝ㄟ^圖7的方法解除代碼保護(hù)，但是這樣的處理會將整個(gè)Flastl存儲空間全部清除，所以在代碼保護(hù)使能的情況下，是不可能正確讀取代碼值的。即使可以重寫配置字，但是重寫過程中代碼已經(jīng)被清除。

3．6 預(yù)定值的處理
每個(gè)PIC芯片都沒有廠家設(shè)定的預(yù)定值。這些值是不應(yīng)該被更改的，否則PIC芯片就無法正常工作。ROM區(qū)的01FFH單元保存復(fù)位向量，系統(tǒng)復(fù)位后，PC 指針將指向該單元。0204H單元保存著OSSCAL的值。這兩個(gè)單元的值應(yīng)該先讀出并且保存在一個(gè)臨時(shí)單元(因?yàn)樵谛酒脸倪^程中會丟失)，待到需要編程的代碼執(zhí)行完畢，再從臨時(shí)單元讀出并寫入相應(yīng)的位置。其實(shí)際過程就是一個(gè)“讀取保存恢復(fù)”的過程。

要讀取預(yù)定值，首先必須尋址到預(yù)定值所在的單元。其尋址的過程如圖8所示：進(jìn)入編程模式后，此時(shí)指向的存儲單元是03FFH，89C51中記錄PC指針的變量的值也應(yīng)該設(shè)置成03FF。按照該變量的運(yùn)算規(guī)則，執(zhí)行地址加1指令，變量值也加1，并查詢當(dāng)前變量的值，直到所需的存儲單元為止?；謴?fù)的過程是先尋址到01FF和0204單元，然后把保留的值寫入，具體流程與圖8類似。

3．7 軟件流程
系統(tǒng)在初始化中，如果檢測到目標(biāo)芯片已經(jīng)安裝就緒，監(jiān)控顯示模塊便會顯示系統(tǒng)處于就緒狀態(tài)，然后監(jiān)控按鍵。一旦按鍵按下。編程開始，如圖9所示。先讀取系統(tǒng)預(yù)定值并保存在主控機(jī)的RAM中，然后PIC芯片擦除，包括用戶使用的代碼區(qū)和PIC系統(tǒng)配置區(qū)。擦除完成后，將PC指向首地址0000H，開始代碼寫入，每次寫入l個(gè)字節(jié)的代碼，寫完后校驗(yàn)。所有代碼寫完后，恢復(fù)已保存的預(yù)定值，恢復(fù)的過程與代碼寫入一致。

尋址到配置字單元后進(jìn)行配置字寫入，在先前的擦除工作中，配置字單元已經(jīng)擦除。寫入的過程也與代碼寫入一致。

整個(gè)編程過程中，監(jiān)控顯示模塊會顯示目前的系統(tǒng)狀態(tài)。寫入過程中(包括代碼、預(yù)定值和配置字等)出現(xiàn)的任何錯(cuò)誤，編程會報(bào)錯(cuò)停止，并回到就緒等待狀態(tài)，等待下次編程的開始。

若無任何錯(cuò)誤的狀況發(fā)生，系統(tǒng)顯示編程成功，整個(gè)芯片編程過程結(jié)束。

4 小結(jié)
本系統(tǒng)操作簡單，性能穩(wěn)定，編程速度快，無需PC機(jī)的支持。所有的代碼均保存在主控機(jī)的ROM區(qū)中。在主控機(jī)ROM寫保護(hù)的情況下，代碼不可能被讀出，具有很強(qiáng)的保密性。需要的外部設(shè)備少，易于攜帶，而且成本低。本方法對于工業(yè)現(xiàn)場的批量芯片編程有一定借鑒意義。