基于USB接口的ISP下載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

ISP（In-System Programming）在系統(tǒng)編程，通過(guò)下載電纜直接對(duì)安裝在用戶目標(biāo)板上的器件編程，給電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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，但是也存在著以下問(wèn)題：

（1）用戶PC機(jī)的主頻、硬件和操作系統(tǒng)不同，可能會(huì)造成控制信號(hào)錯(cuò)誤；www.51kaifa.com

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

（3）限于串、并口的通信協(xié)議，ISP數(shù)據(jù)傳輸速率較低，影響嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)。

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

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分，硬件平臺(tái)主要由USB接口和單片機(jī)控制模塊組成，完成對(duì)PC機(jī)通信和對(duì)目標(biāo)芯片ISP編程。軟件面向用戶設(shè)計(jì)，由用戶選擇要下載的、已經(jīng)編譯成Hex文件格式的代碼文件，然后向目標(biāo)芯片下載程序代碼，同時(shí)可以檢測(cè)目標(biāo)芯片型號(hào)、擦除目標(biāo)芯片、從目標(biāo)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(tǒng)框架圖

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是完成各個(gè)功能的物理平臺(tái)。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(jī)相結(jié)合，USB接口芯片已經(jīng)封裝好USB1.1協(xié)議，使用單片機(jī)控制對(duì)目標(biāo)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(shè)計(jì)通過(guò)USB接口與PC機(jī)通信，微控制器接收完數(shù)據(jù)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(jī)AT89S52作為本設(shè)計(jì)的嵌入式微控制器，采用PHILIP公司的PDIUSB12作為USB設(shè)備接口器件。

2.1.1 PDIUSB12設(shè)計(jì)

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，是一款性價(jià)比很高的USB 器件。它通常用作微控制器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)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(guī)范。PDIUSBD12 所具有的低掛起功耗連同LazyClock 輸出，可以滿足使用ACPI、OnNOW 和USB 電源管理的要求，其低的操作功耗可以應(yīng)用于使用總線供電的外設(shè)。其電路設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。

圖3 PDIUSB12電路

該電路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的MCU采用ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)，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(shù)據(jù)總線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(shù)據(jù)總線復(fù)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

寫信號(hào)；

（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(fù)位引腳RESET_N相連接，作為相應(yīng)的功能控制。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟件主要分為兩個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)上的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和PC機(jī)上的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。單片機(jī)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)與PC機(jī)通信和對(duì)目標(biāo)芯片ISP編程，PC機(jī)上的應(yīng)用程序包括USB的驅(qū)動(dòng)程序和ISP下載控制軟件。

2.2.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)

單片機(jī)控制系統(tǒng)是核心內(nèi)容，處理與計(jì)算機(jī)進(jìn)行USB通信、數(shù)據(jù)處理和對(duì)目標(biāo)芯片ISP下載代碼。將PDIUSB12設(shè)計(jì)成完全的中斷驅(qū)動(dòng)，當(dāng)MCU處理前臺(tái)任務(wù)時(shí)，USB的傳輸可

以在后臺(tái)進(jìn)行，這就確保了最佳的傳輸速率和更好的軟件結(jié)構(gòu)，同時(shí)簡(jiǎn)化了編程和調(diào)試。

MCU一旦上電就初始化其所有端口、存儲(chǔ)區(qū)、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(shè)置為 ON。主機(jī)通過(guò)設(shè)備的上拉電阻產(chǎn)生的信號(hào)變化來(lái)檢測(cè)新的設(shè)備連接。因?yàn)檫@些過(guò)程確保了在MCU準(zhǔn)備好提供服務(wù)之前PDIUSB12不會(huì)進(jìn)行操作。設(shè)備上電后，主機(jī)通過(guò)設(shè)備的上拉電阻產(chǎn)生的信號(hào)變化來(lái)檢測(cè)新的設(shè)備連接。PDIUSB12片內(nèi)有1.5kΩ的Soft Connect上拉電阻，默認(rèn)狀態(tài)下不與VCC相連，允許系統(tǒng)微控制器來(lái)決定與USB建立連接的時(shí)間。

單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是使PDIUSB12在USB上達(dá)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(qǐng)求。將USB通信處理設(shè)計(jì)成完全的中斷驅(qū)動(dòng)。當(dāng)CPU處理前臺(tái)任務(wù)時(shí)，USB的傳輸可在后臺(tái)進(jìn)行，這就確保了最佳的傳輸速率和更好的軟件結(jié)構(gòu)，同時(shí)簡(jiǎn)化了編程和調(diào)試。前后臺(tái)任務(wù)處理關(guān)系如圖5所示。

圖5 前后臺(tái)任務(wù)處理關(guān)系圖

整個(gè)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想。為了使軟件可移植性強(qiáng)、易維護(hù)，采用分層

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

2.2.2 PC機(jī)ISP下載軟件設(shè)計(jì)

PC機(jī)ISP下載軟件是面向用戶的一個(gè)接口，它向用戶提供讀目標(biāo)芯片廠商號(hào)，讀目標(biāo)芯片型號(hào)，寫目標(biāo)芯片F(xiàn)lash，讀目標(biāo)芯片F(xiàn)lash和擦除目標(biāo)芯片F(xiàn)lash等ISP編程操作。因?yàn)樗蠭SP操作都在單片機(jī)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，所以PC機(jī)ISP下載軟件僅是通過(guò)USB接口向單片機(jī)發(fā)送ISP編程指令和代碼數(shù)據(jù)，同時(shí)接收并顯示單片機(jī)反饋回的信息。

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

（1）ReadData函數(shù)

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

其中參數(shù)pipenum表示要操作的管道號(hào)，可以為0、2、4，分別對(duì)應(yīng)端點(diǎn)0、1、2；參數(shù)recbuffer表示接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；len為接收緩沖區(qū)長(zhǎng)度，而且必須為要接收數(shù)據(jù)的真實(shí)長(zhǎng)度，但最大長(zhǎng)度為1024；waittime表示超時(shí)時(shí)間，單位為毫秒。

（2）WriteData函數(shù)

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

其中參數(shù)pipenum表示要操作的管道號(hào)，可以為1、3、5，分別對(duì)應(yīng)端點(diǎn)0、1、2；參數(shù)recbuffer表示發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；len為發(fā)送緩沖區(qū)長(zhǎng)度，而且必須為要發(fā)送數(shù)據(jù)的真實(shí)長(zhǎng)度，但最大長(zhǎng)度為1024；waittime表示超時(shí)時(shí)間，單位為毫秒。

3 應(yīng)用與測(cè)試

使用USB Analyser分析USB-bus1.1分析儀采集的數(shù)據(jù)，當(dāng)本設(shè)計(jì)與PC連接時(shí)，主機(jī)檢測(cè)到新設(shè)備，并提示安裝驅(qū)動(dòng)程序，安裝完驅(qū)動(dòng)程序后，PC機(jī)開始枚舉USB設(shè)備。PC

機(jī)根據(jù)讀取得USB設(shè)備描述符配置設(shè)備，此時(shí)，USB設(shè)備枚舉成功，進(jìn)入掛起狀態(tài)，本設(shè)備已經(jīng)被PC機(jī)識(shí)別，如圖6所示，USB接口測(cè)試成功。

圖6 PC機(jī)識(shí)別出本設(shè)計(jì)

將USB-ISP單片機(jī)開發(fā)與教學(xué)實(shí)驗(yàn)板與PC機(jī)相連接，在PC機(jī)運(yùn)行USB調(diào)試助手，通過(guò)USB調(diào)試助手與本設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，在PC機(jī)上運(yùn)行ISP控制軟件，測(cè)試檢測(cè)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(xiàn)。

4 結(jié)論

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：設(shè)計(jì)了一種單片機(jī)（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(tǒng)使用USB接口，PC機(jī)主機(jī)不直接操縱編程器的硬件電路，而是向內(nèi)置單片機(jī)發(fā)以命令的形式間接控制下載器工作，避免PC機(jī)軟件受病毒侵害出現(xiàn)錯(cuò)誤、聯(lián)機(jī)電纜接觸不良、外界電磁干擾等原因造成控制錯(cuò)誤，整個(gè)設(shè)計(jì)顯得靈活、方便。

參考文獻(xiàn)

[1]胡曉軍.USB接口開發(fā)技術(shù)[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社．2005

[2]任衛(wèi)華、葉明．基于PDIUSB12芯片的USB接口實(shí)現(xiàn)方案[J]．國(guó)外電子元器件．2005

[3]USB Interface Association Descriptor Device Class Code and Use Model, http://www.usb.org．

[4]王志強(qiáng)等. USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)技術(shù)研究[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，2：257－260www.