一種基于USB帶自動冷啟動功能的STC-ISP下載器設(shè)計

粟慧龍，韓雪

（1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 株洲 412001；2.湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 株洲 412001）

一種基于USB帶自動冷啟動功能的STC-ISP下載器設(shè)計

粟慧龍1，韓雪2

（1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 株洲 412001；2.湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 株洲 412001）

設(shè)計了一種基于USB帶自冷啟動功能的STC單片機下載器，文中對下載器的電路原理、軟件編程以及關(guān)鍵控制信號進行了詳細闡述和分析。下載器以STC15F104E作為主控單元，通過解析計算機USB端口與CH340T芯片通訊的MODEM聯(lián)絡(luò)信號，適時對目標單片機的電源進行控制，對其進行冷啟動引，以實現(xiàn)單片機目標代碼的自動下載，從而有效地解決目前筆記本和臺式電腦沒有RS232串口，無法進行STC單片機程序下載的問題。

USB；自動冷啟；單片機；STC下載器；程序下載

近年來，STC單片機以保密性好、功能強、價格低、在線可編程等優(yōu)點，在眾多智能電子產(chǎn)品中作為核心控制器件廣泛使用。STC單片機在出廠時已經(jīng)為用戶寫入程序做了充分的準備，在單片機內(nèi)部設(shè)計了ISP在線下載模塊，通過廠家提供的STC-ISP下載軟件，連接上RS232通訊電路，程序燒錄前進行單片機的冷啟動即實現(xiàn)程序下載。

目前一般的計算機，特別是筆記本電腦，大多沒有配置RS232串口，而只配置了USB串口，為此，市面上針對STC單片機的USB轉(zhuǎn)RS232串口下載器應(yīng)運而生，通過對現(xiàn)有USB轉(zhuǎn)RS232串口下載器的研究分析發(fā)現(xiàn)有以下特點：1）采用分立元件實現(xiàn)下載器的自動冷啟動控制，電路比較復(fù)雜；2）有些型號的下載器不能實現(xiàn)程序的連續(xù)下載，需要進行USB的熱拔插才能繼續(xù)工作；3）不帶自動冷啟動功能，需要手動操作實現(xiàn)STC單片機冷啟動才能完成程序的下載。針對現(xiàn)有STC單片機下載器的上述不足，文中設(shè)計了一種基于USB帶自動冷啟動功能的STC-ISP下載器。

1 STC單片機程序下載過程

STC單片機內(nèi)部設(shè)計了在線編程模塊，即ISP模塊。經(jīng)過對數(shù)據(jù)流的驗證直接寫入用戶程序區(qū)，完成用戶程序下載動作。

在線下載用戶程序的過程如圖1所示，先由PC機端發(fā)起ISP下載命令流，單片機冷啟動，啟動后先運行在出廠時已經(jīng)寫入ISP監(jiān)控程序區(qū)的ISP監(jiān)控程序[1-2]。當ISP監(jiān)控程序檢測到RXD引腳上存在ISP命令流時應(yīng)答一組握手信號[3-4]。握手成功之后，PC機下載程序?qū)纹瑱C用戶程序發(fā)送給單片機，單片機的ISP模塊將接收到的用戶程序?qū)懭胗脩舫绦騾^(qū)[5]。

當接收到PC機發(fā)來的數(shù)據(jù)傳送完成標志后，單片機執(zhí)行軟復(fù)位指令，將程序指針指向用戶程序區(qū)的起始地址，進而執(zhí)行用戶程序，從而完成用戶程序下載的全過程[6]。

圖1 STC單片機ISP過程

2 下載器硬件設(shè)計

2.1 下載器電路組成

下載器硬件主要由USB接口、USB-RS232串口轉(zhuǎn)換電路、程序下載冷啟動控制電路和下載接口組成。下載器電路原理如圖2所示，U1、C1～C4、Y1構(gòu)成USB-RS232串口轉(zhuǎn)換電路，其中，C1、C2為電源濾波電容，Y1、C3、C4構(gòu)成時鐘振蕩電路，給CH340T提供時鐘脈沖；C5、U2、R1、Q1構(gòu)成程序下載冷啟動控制電路，STC15F104E的INT0腳與CH340T的RST引腳相連，用于檢測CH340T的MODEM聯(lián)絡(luò)信號，INT0腳通電阻R1與Q1相連，通過控制Q1的通斷實現(xiàn)對下載芯片的電源控制。

2.2 STC單片機冷啟動控制原理

下載器通過USB接口，接收到上位機軟件STC-ISP的ISP指令流后，USB-RS232轉(zhuǎn)換芯片CH340T的RST引腳會輸出一串由低電平引導(dǎo)的MODEM聯(lián)絡(luò)信號[2]，STC15F104E的INT0腳檢測到MODEM信號后，INT1腳輸出2秒的高電平，關(guān)斷Q1，使程序下載的單片機斷電2 s。然后INT1腳保持低電平輸出，Q1飽和導(dǎo)通，目標單片機得電，冷啟動過程完成，MODEM聯(lián)絡(luò)信號及STC15F104E冷啟動控制信號波形如圖3所示。

圖2 下載器電路原理圖

圖3 MODEM聯(lián)絡(luò)信號與冷啟動信號波形圖

3 下載器軟件設(shè)計

下載器軟件設(shè)計的關(guān)鍵是對CH340T的MODEM聯(lián)絡(luò)信號進行檢測，并根據(jù)MODEM聯(lián)絡(luò)信號控制STC單片機的冷啟動，從而確保單片機程序下載過程的順利完成。下載器軟件模塊主要由MCU初始化子程序、MODEM聯(lián)絡(luò)信號起始邊延檢測中斷子程序、MODEM電平脈寬測量中斷子程序、冷啟動定時中斷子程序和主程序構(gòu)成。

3.1 MODEM聯(lián)絡(luò)信號檢測與冷啟動處理

當用戶使用STC-ISP軟件發(fā)出程序下載命令，CH340T接收到ISP命令流后，CH340T的RST引腳會產(chǎn)生約5.3 s的MODEM聯(lián)絡(luò)信號，MODEM聯(lián)絡(luò)信號由3 s的低電平和若干個20 ms左右的方波脈沖信息號構(gòu)成。

根據(jù)MODEM聯(lián)絡(luò)信號特點，結(jié)合STC15F104E的外部中斷和定時器功能，采用了邊沿檢測和脈寬濾波的方法對MODEM聯(lián)絡(luò)信號進行檢測，為確保MODEM聯(lián)絡(luò)信號的起始下降沿檢測的準確性，首先對CH340T的RST引腳高電平脈寬進行測量，即在RST引腳產(chǎn)生下降沿之前，高電平脈寬必須大于50 ms，此時的邊沿即為MODEM聯(lián)絡(luò)信號的起始下降沿，然后進行2 s的定時，同時關(guān)斷目標單片機的電源，定時結(jié)束后再次將其電源開啟，完成ISP過程中目標單片機的冷啟動。通過對CH340T的RST引腳高電平脈寬的檢測，能有效濾除MODEM聯(lián)絡(luò)信號周期內(nèi)高電平脈沖對起始邊沿檢測的干擾，確保單次程序下載命令周期內(nèi)只對單片機進行一次冷啟動操作。

3.2 MODEM信號檢測與冷啟動軟件實現(xiàn)

MODEM信號檢測與冷啟動軟件由MODEM聯(lián)絡(luò)信號起始邊延檢測中斷子程序、MODEM電平脈寬測量中斷子程序、冷啟動定時中斷子程序3部分組成，3個中斷子程序協(xié)同工作實現(xiàn)STC單片機自動冷啟和程序下載功能。

1）RST電平脈寬檢測

如圖3所示，MODEM聯(lián)絡(luò)信號包含多個方波窄脈沖，為了準確檢測起始邊延信號，在程序設(shè)計時開啟了單片機TIMER0的定時功能，對外部輸入RST引腳高平進行脈寬測量。根據(jù)MODEM聯(lián)絡(luò)信號的方波脈沖特點，脈寬測量以50 ms作為閥值，即只有高電平脈寬大于50 ms時所引導(dǎo)的下降才為MODEM聯(lián)絡(luò)信號的起始下降沿，同時觸發(fā)TIMER0定時中斷，并開啟冷啟標志位Rst_Flg，軟件代碼如下所示：

2）MODEM聯(lián)絡(luò)信號起始邊延檢測

MODEM聯(lián)絡(luò)信號邊延檢測采用單片機外部中斷INT0的邊沿觸發(fā)方式，當下降沿引導(dǎo)脈寬大于50 ms即冷啟動復(fù)位標志Rst_Flg為‘1’時，INT1引腳輸出高電平‘1’，關(guān)斷目標單片機的電源，進行冷啟動斷電操作。同時啟動定時器1，進行2 s的定時，讓目標單片機的電源關(guān)斷2 s，然后上電，完成冷啟過程。軟件代碼如下所示：

3）冷啟動時間控制

在兼顧下載效率和穩(wěn)定性的同時，確保下載器穩(wěn)定可靠的工作，通過反復(fù)測試，冷啟動斷電的時間在2 s最為合適。冷啟動時間采用單片機定時器timer1進行控制，每次定時50 ms，循環(huán)累計定時40次，定時結(jié)束，同時INT1引腳輸出低電平‘0’，開啟目標單片機的電源，冷啟動結(jié)束，程序進入自動下載模式，直至程序燒錄完成，軟件代碼如下所示：

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的STC單片機下載器電路簡單、下載速度快、工作穩(wěn)定可靠，能有效地解決目前筆記本和臺式電腦沒有配制RS232串口，無法進行程序下載的問題。此外，下載器具備自動冷啟功能，可實現(xiàn)目標代碼的自動燒錄和批量下載功能，具有一定的實用和推廣價值。

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Based on USB with automatic cold start function of STC-ISP downloader design

SU Hui-long1，HAN Xue2
（1.Hunan Railway Professional Technology College，Zhuzhou 412001,China；2.Hunan Vocational College of Railway Technology，Zhuzhou 412001，China）

This paper presents a USB-based cold start function with self-STC microcontroller Downloader，the text of the circuit principle downloader，software programming and critical control signals are described and analyzed in detail.Downloader to STC15F104E as the main control unit，by analyzing the computer’s USB port to communicate with chip CH340T MODEM communication signals，timely and on target device power control，its cold start lead to SCM object code automatically downloaded，thereby effectively to resolve the current notebook and desktop computers no RS232 serial port，can not be STC microcontroller program download problem.

USB；automatic cold start；SCM；STC downloader；download

TN710

A

1674－6236（2016）15-0168-03

2015-12-04 稿件編號：201512043

湖南省科技計劃項目（2013GK3133）；湖南省教育廳科學(xué)研究項目（15C0914）；湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級課題（HTKY-KT2015-20）

粟慧龍（1982—），男，湖南常德人，碩士，講師，工程師。研究方向：嵌入式技術(shù)。