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1、MEGA8单片机的远距离在线升级设计广州市天河双龙电子有限公司 耿德根北京汇讯电子技术有限公司 张树民摘要：本文介绍了如何利用MEGA8通过RS485总线进行远距离在线升级的方法，介绍了MEGA8的BOOT功能，并给出了比较详细的程序流程图和部分源程序。由于该部分具有通用性，所以可很容易地移植到AVR其它MEGA系列的设计方案中。关键词：ISP，IAP，BOOT引导，RISC，熔丝位一、MEGA8单片机简介ATMEL公司最新推出的AVR系列单片机MEGA8，内含8K FLASH程序存储器，1K的内部SRAM，512字节的内部EEPROM。为了便于升级，除了提供ISP在线编程功能以外，还提供了B
2、OOT引导功能，为实现IAP在系统升级提供了可能。与传统的51单片机不同，MEGA8为RISC结构，在16MHz的晶振下，可以提供高达16MIPS的处理性能，外设包括1个USART同异步串口，1个SPI接口，1个TWI（兼容I2C协议）接口，3个PWM，2个8位定时器，1个16位定时器，一个模拟比较器，还有最多6路10bit、2路8bit 的A/D接口等，内部还自带WDT、BOD，及最高达8M的可校准RC，供电电压最宽可从2.7V到5.5V。由于它具有如此多的功能及相对低廉的价格，使其在工控、仪表、电力、医疗、通讯、家电等诸多电子领域取得了广泛的应用。二、ISP和IAPISP即在系统编程（In
3、 System Program），可以通过下载线对PCB板上的单片机直接进行烧录，而不必将单片机取下来，这已经大大方面了我们的设计，而最新的IAP，即在应用中编程（In Application Program），则可以通过在程序运行中接收新的升级数据，然后将自身重新编程的一个过程。这需要一个引导程序，而这个程序可以由用户编写后保存在单片机的BOOT区当中。下面通过一个实际的例子，介绍MEGA8如何实现远距离在线升级。三、系统简介本系统包括30个分机，采用RS485总线连接，由上位计算机进行总控制。系统构成如图一。MEGA8含有一个USART，本次只使用其异步通讯功能。具体设置为19200bps
4、、8、N、1工作方式，经过MAX485E芯片转换为RS485工作电平。MAX485E的DT和RT接在一起，由MEGA8单片机的PD2口控制，这样可以避免单片机在发送的时候接收自己发送的数据。RS485总线分机1分机2分机30计算机232转485图一由于计算机只提供RS232接口，而要使用RS485通讯，就必须进行接口转换。目前市场上有多种型号RS232-RS485接口模块，功能也很强。基本上都采用了串口窃电、波特率自适应技术等，极大地简化了用户的重复开发，本次采用了迈威公司的MWE485-A型号转换模块。实际测试在19200波特率下，传送距离可达600m，发送和接收非常可靠。四、MEGA8的B
5、OOT介绍由于MEGA8具有IAP可在应用中升级的功能，本系统在软件设计上采用了BOOT引导功能。主程序采用C语言编写，BOOT程序则采用了汇编编写。为了提高下载速度，本次设计放弃了ATMEL提供的AVRPROG烧录软件，另外采用了一个下载烧录速度较高的通讯协议，在程序代码量比较大的时候，具有更明显的速度优势，并且也便于用户二次开发。MEGA8的引导功能可通过相应的熔丝位来确定，BOOT引导程序的入口、BOOT区的大小可以通过烧录单片机的BOOTSZ1、BOOTSZ0两个熔丝位来确定，熔丝位如表一：表一单片机复位后向量入口也是通过烧录单片机的BOOTRST熔丝位来确定。熔丝位如表二：表二另外，
6、单片机在执行IAP编程时需要用到Store Program Memory Contorl Register(SPMCR)寄存器，该寄存器结构如表三：表三该寄存器包含了页擦除，页写入，BOOT区加密设置，页填充及页的RWW（Read While Write）等功能的设置。需要注意的是在执行每个功能时，都需要设置SPMEN标志，在随后的4个时钟周期内运行SPM指令，该标志会在SPM执行完成后自动清零。函数如下：Do_SPM: Wait_SPM: ; 等待页操作完成intempl,SPMCRsbrc templ,SPMENrjmp Wait_SPMout SPMCR,tempspm ; 执行SPM指
7、令.dw 0xffffnop ret有了以上的函数，就可以很容易的进行页擦除、页写入、页填充等程序的设计了。比如需要执行页擦除指令，则首先要将需要擦除的页地址写入Z寄存器，然后置位SPM的PGERS（页擦除位）和SPMEN（SPM允许位），然后再调用Do_SPM函数即可。程序如下：ldtemp,y+mov zl,temp ; Z指针地址赋值ldtemp,y+mov zh,temp ldi temp,(1PGERS)|(1SPMEN) ; 页写入标志rcall Do_SPM; 执行页写入五、串口函数单片机所有的控制命令和数据都是通过串口接收和发送的，由于为RS485总线，单片机通过PD2对RS4
8、85的发送允许进行控制。串口发送和接收及初始化函数如下：串口接收函数：uartGet:cbiportd,2; rs485接收允许uartGet_wait:sbis UCSRA,RXC; 等待串口数据 (直到RXC=1)rjmp uartGet_waitin temp,UDR; 返回接收数据ret串口发送函数：uartSend:sbiportd,2; rs485 发送语序out UDR,temp; 开始发送uartSend_wait:sbis UCSRA,TXC; 等待发送完成 (直到 TXC=1)rjmp uartSend_waitsbiUCSRA,TXCcbiportd,2; rs485 发
9、送完成，关闭发送。ret串口初始化函数：uartInit:; 允许发送，接收，8，N，1模式ldi temp,12outUBRRL,templditemp,0out UBRRH,templdi temp,(1RXEN)|(1TXEN)out UCSRB,templditemp,(1URSEL)|(1UCSZ1)|(1UCSZ0)outUCSRC,tempret六、BOOT程序介绍及流程图MEGA8单片机上电后设置冷启动标志，而热启动入口则设置热启动标志。然后初始化堆栈、串口以及必要的I/O状态等。初始化完成后，如果BOOT程序检测到热启动标志则直接进入烧录状态；如果为冷启动标志则继续检测下载位
10、是否允许（本设计通过PB0开关选择），如为高电平则进入烧录状态，如为低电平则进入用户程序。BOOT引导程序在设计时提供了两个入口，一个是系统复位时的冷启动入口，另一个是用户程序在运行时进入升级程序的热启动入口。BOOT程序主要包括烧录子程序、串口发送、串口接收、引导主程序等。串口发送采用了查询发送完成标志。这样当该标志被设置时，证明串口的停止位已经发送完成，这对于RS485通讯非常有用。另外在发送时还要打开MAX485E的发送允许，发送完成后再关闭。烧录程序主要使用“SPM”指令，该指令完成对MEGA8的烧录等功能。而读取MEGA8的指令则使用“LPM”。由于擦除，页填充，写入，读出等基本命令
11、单片机都已解释完成，因此所有过程都可以由计算机端程序进行控制。程序开始时，计算机端发送命令，先对单片机的页进行擦除，然后接收一帧数据，接收完毕后执行页写入命令，写入完成再进行读出进行校验，如果校验无误再继续写入下一页，直到所有页都写入完毕，即完成一次下载过程。如果传输或页校验出现错误，程序会连续进行5次测试，如再仍不成功，则认为本次下载失败。主程序流程图如图二。MEGA8单片机的主程序通过RS485接口执行计算机发送的命令，并且定义了一个更新代码的特殊命令，当接收到该命令时，主程序首先关闭中断，关闭看门狗，然后跳转到BOOT的热启动入口，再执行BOOT下载烧录程序。下载完成后再直接跳转到$00
12、00地址进入用户程序区，这样就完成了代码的在线升级。为了保证该命令的可靠性，本程序设计时规定单片机必须在100ms内同时接收到两次该命令才认为正确，超过100ms则不予认可。计算机端的程序采用了VB6编写，执行界面如图三。当然用户可以根据实际情况来编写适合于自己的界面。BOOT入口设置冷启动标志设置热启动标志主程序入口初始化热启动？YPB0=1？转应用程序：$0000Y上载程序开始帧数据接收页擦除命令A页写入命令B页读出命令E页数据填充上载完成D返回ACK返回NAK转应用程序：$0000帧接收错误图二图三七、结束语由于采用了MEGA8单片机的BOOT功能，使得远距离在线升级，譬如通过以太网、无线等方式，成为了可能，这对于系统调试及以后的升级维护都提供了极大的便利，这也是今后单片机发展的一个方向。参考文献1 耿德根，等.AVR高速嵌入式单片机原理与应用.北京：北京航空航天大学出版社，20022 马潮，等.ATmega8原理及应用手册.北京：清华大学出版社，20033 MAX485.PDF，MAXIM产品资料全集6.0版（光盘）
