利用ISP技術的控制系統網絡實驗室的設計

徐園園，鄭力新

（華僑大學信息科學與工程學院，福建 泉州 362021）

利用ISP技術的控制系統網絡實驗室的設計

徐園園，鄭力新

（華僑大學信息科學與工程學院，福建 泉州 362021）

將在系統編程（ISP）技術和虛擬儀器有機結合，開發網絡化的單片機實驗系統，實現虛擬實驗室的遠程實時功能.用戶可在遠程的客戶端在線實時地調試自己編寫的單片機程序，通過網絡對服務器端（實驗室）的單片機進行遠程在系統編程和實驗開發，完善網絡控制實驗室的功能.經測試，系統操作靈活，運行可靠.

網絡實驗室；虛擬儀器；單片機；在系統編程

在早期設計的網絡實驗室系統中，由設計者編好單片機控制程序，用戶只能在客戶端通過調節實驗參數進行控制系統的實驗，卻無法設計單片機程序.為此，本文將單片機的在系統編程（ISP）技術引進控制系統網絡實驗室，使用戶可在客戶端通過網絡對服務器端（實驗室）的單片機進行遠程在系統編程和實驗開發.

1 控制系統架構

單片機網絡虛擬實驗系統的結構框圖，如圖1所示.它采用C/S模式，但不是一般意義的“胖客戶端/瘦服務器”，而是針對高校實驗室的特點設計的一種服務器（實驗服務器）與客戶端一一對應的實驗系統［1-2］，由客戶端、服務器及單片機硬件電路3部分構成［3］.

用戶程序運行過程中的狀態和數據由服務器端負責采集，服務器端把采集到的電機速度、誤差數據、控制數據等通過網絡傳送到客戶端，客戶端再把這些數據顯示給用戶.

圖1 控制系統的結構圖Fig.1 Control system diagram

2 上位機實現

系統的上位機功能要求客戶端通過網絡遠程控制服務器，并通過服務器端與單片機的RS232接口實現單片機程序的自動下載.其設計包括客戶端和服務器兩部分.

2.1 客戶端實現

首先，用戶在客戶端使用WAVE等常用編譯器進行源代碼的編輯、編譯及調試，將單片機實驗程序編譯成HEX或BIN文件；然后，客戶端通過基于Lab Windows/CVI平臺的控制系統網絡實驗室，應用TCP/IP協議將HEX或BIN文件發送到服務器端，以便單片機實現對其下載運行.最后，將單片機的運行結果從服務器端通過網絡返回客戶端的面板顯示.

2.2 服務器實現

在服務器端利用計算機串口進行ISP編程方式下的程序下載.服務器接收到客戶端的ISP更新請求后，接收用戶的目標程序即HEX或BIN文件形成的字節流到一個數組.然后向單片機傳送ISP更新命令，并通過RS232串口向單片機發送該字節流.用戶程序下載結束后，服務端自動向單片機發送復位信號，用戶程序開始運行.

要實現自動下載功能必須實現Lab Windows/CVI環境下對HEX文件的解析.其具體實現過程有如下3個步驟.

（1）讀取HEX文件.可用CVI函數IntFileSelectPopup（），GetFileInfo（path，＆filesize）等來實現［4］.

（2）對照ASCII碼轉換表，將HEX文件轉化成十六進制的ASCII碼.由于讀取的是HEX文件的十六進制字符的ASCII碼的值，要把其轉化成十六進制碼的真正表達的數值大小，應參照ASCII碼表做出1～16的碼制轉換.需要注意的是，讀取的HEX文件中的換行和行頭的“：”也代表一個的ASCII的值，要把其剔出.

（3）剔除標識符之類的字符.得到真正十六進制碼后，還需再對每行的ASCII碼進行分析，把其中的標識符等無效字符進一步剔除，就可得到單片機程序的有效數碼.

其主要源代碼如下：

3 單片機的ISP功能實現

C8051F310（美國Cygnal公司）一般都固化有ISP引導程序，但該引導程序是針對與它配套的IDE軟件來設計的，這顯然不能達到設計要求.因此，需要重新編寫ISP引導程序.

3.1 硬件電路設計

單片機硬件電路即下位機部分，其主要任務是接收并響應上位機傳來的信息，對各種實驗對象進行控制，對運行所得的有用數據進行顯示，并通過串口回送給上位機.圖2為單片機硬件電路的原理框圖.

圖2 硬件電路的原理框圖Fig.2 Block diagram of the hardware circuit

3.2 ISP編程

對C8051F310的16KB的FLASH進行了3段分區，分別為引導程序區（4KB）、用戶程序區（8KB）和固化程序區（4KB）.引導程序區存放系統初始化、程序更新及如何跳轉的代碼；用戶程序區存放用戶自己編寫的程序代碼；固化程序區存放設計者已編好的默認程序代碼.從服務器下載的程序存放在一個8KB的外部數據存儲器，同時置位程序更新位，以使引導程序能正確查詢.

引導程序的流程圖，如圖3所示.單片機開始運行后，先進行初始化設置，包括初始化定時器/計數器、設定串行口波特率及其工作方式、設定中斷優先級、啟動定時器等.然后，讀取更新位并進行判斷.若更新位為1，調用更新用戶程序區的子程序，執行用戶程序的更新并跳轉到用戶程序區；若更新位為0，跳轉到固化程序區.如果單片機已經進入固化程序區，此時若接收到服務器的ISP命令，則在完成接收代碼后，跳轉到引導程序的更新部分，執行程序更新并跳轉到用戶程序區.

圖3 引導程序的流程圖Fig.3 Guide the process flow chart

FLASH存儲區要求在寫入新值之前，必須先擦除待編程地址的數據，FLASH存儲器是以512B的扇區為單位組織的，一次擦除操作將擦除整個扇區.因此，子程序中對FLASH的擦除和寫操作都是以扇區為單位的.首先，先擦除一個扇區；其次，讀取外部數據存儲器（XRAM），寫入已擦除的扇區；然后扇區數加1并判斷是否為16（8KB=512B×16），直到等于16，退出子程序.在對FLASH存儲器編程的過程中，要注意FLASH鎖定和關鍵碼功能、FLASH的擦除及寫操作［5］.

從用戶軟件寫和擦除FLASH受FLASH鎖定和關鍵碼功能的保護.在進行FLASH操作之前，必須按順序向FLASH鎖定和關鍵碼寄存器（FL KEY）寫入正確的關鍵碼0xA5，0xF1.在使用MOVX指令對FLASH存儲器寫入之前，必須先允許FLASH寫操作.

擦除一個扇區有如下6個步驟：（1）禁止中斷；（2）置“1”程序存儲器擦除允許位（PSCTL中的PSEE），以允許FLASH扇區擦除；（3）置“1”程序存儲器寫允許位（PSCTL中的PSWE），以允許FLASH寫入；（4）向FL KEY寫第1個關鍵碼（0xA5）；（5）向FL KEY寫第2個關鍵碼（0xF1）；（6）用MOVX指令向待擦除頁內的任何一個地址寫入一個數據字節.

允許FLASH寫操作的過程：（1）將程序存儲寫允許位PSWE（PSCTL.0）設置為邏輯“1”；（2）按順序向FLASH鎖定寄存器（FL KEY）寫入FLASH關鍵碼.PSWE位將保持置位狀態，直到被軟件清除.寫FLASH存儲器可以清除數據位，但不能使數據位置“1”，只有擦除操作能將FLASH中的數據位置“1”.因此，在寫入新值之前，必須先擦除待編程的地址.

4 運行實例

以直流電機轉速實驗為例.通過基于ISP技術的單片機網絡實驗系統，用戶可在客戶端編寫電機控制實驗的單片機程序，并將其下載到遠程服務器端的單片機系統中.經過實驗運行，可達到實時控制直流電機轉速的系統要求.客戶端的運行結果，如圖4所示.

圖4 客戶端運行結果Fig.4 The results of clients running

5 結束語

將ISP技術和虛擬儀器有機結合，開發了網絡化的單片機實驗系統，從而實現了虛擬實驗室的遠程實時功能.該系統操作靈活，運行可靠，為組建基于網絡的單片機實驗開發系統提供一種新思路，可在高校和科研機構等推廣應用.

［1］INGVAR G.Remote laboratory experiments in electrical engineering education［C］//Proceedings of Fourth IEEE International Caracas Conference on Devices，Circuits and Systems.Aruba：IEEE，2002：1-5.

［2］DEEPAK S，BABU J.An internet-mediated-process control laboratory［J］.IEEE Control Systems Magazine，2003，23（1）：11-18.

［3］徐園園，鄭力新.TCP/IP和DataSocket技術在網絡虛擬實驗室中的應用［J］.電氣電子教學學報，2007，29（4）：85-87.

［4］張毅剛，喬立巖.虛擬儀器軟件開發環境Lab Windows/CVI編程指南［M］.北京：機械工業出版社，2002.

［5］張迎新，雷文，姚靜波.C8051F系列SOC單片機原理及應用［M］.北京：國防工業出版社，2005.

Design of the Network Control System Laboratory Based on ISP Technology

XU Yuan-yuan，ZHEN G Li-xin
（College of Information Science and Engineering，Huaqiao University，Quanzhou 362021，China）

This article designs the network single-chip experimental system by the combination of in-system programming（ISP）technology and virtual instruments.Through internet，users on the client can remotely debug their single-chip program，and program in the system to the single-chip on the server side（Lab）.ISP technology makes functions of the network control laboratory more perfect.After testing，the system is flexible and reliable.

network laboratory；virtual instrument；single-chip；in-system programming

TP 391.9；TP 273+.5

A

1000-5013（2010）04-400-04

（責任編輯：魯 斌 英文審校：吳逢鐵）

2009-02-19

徐園園（1980-），女，助教，主要從事虛擬儀器及智能檢測控制技術的研究.E-mail：hixyy@126.com.

教育部科技研究重點項目（207145）