基于USB接口的51單片機在線編程設計

陳志英

(廈門理工學院電子與電氣工程系，福建廈門 361024)

0 引言

51單片機的Flash存儲器程序燒寫主要有兩種模式:并行Flash編程和串行Flash編程。其中串Flash編程模式支持ISP編程(系統在線編程)，這種模式在燒寫單片機應用程序時不需要把芯片從工作環境中剝離，解決了在開發產品時因頻繁插拔芯片導致其引腳折斷從而損壞芯片的問題，同時也給系統軟件升級提供了便利。目前，市面上大部分51單片機ISP編程主要采用PC機并口或RS232串口進行程序下載，而基于USB接口的ISP編程較少，這對于只有USB接口的PC機來說非常不方便。基于這個原因，本文給出了一種基于USB接口的51單片機在線編程設計方案，主要針對ATMEL公司生產的51單片機AT89S51/52/53芯片進行系統在線編程，無需外接電源，采用從PC機USB接口取電，方便用戶使用，寫入速度快及穩定性好［1，2］。該設計包括USB-SPI硬件接口轉換電路和PC端上位機編程軟件兩部份。系統原理框圖如圖1所示。

USB-SPI接口轉換電路采用南京沁恒公司USB轉換芯片CH341實現。PC端上位機編程軟件采用VB編寫，利用API函數調用CH341運行的動態鏈接庫文件實現PC機與CH341之間的USB接口數據傳送，CH341再將從USB接口接收到的數據通過SPI同步串行接口傳送到目標單片機AT89S51。由此，可完成單片機Flash在線編程。

1 USB-SPI接口轉換電路

轉換芯片CH341A是一個全速USB設備接口，可轉換成并行口、異步串行口、或2線、4線同步串行接口。它的部分引腳具有多個功能，具體功能由復位后的功能配置決定［3］。本設計將CH341配置成4線同步串行接口，電路原理如圖2所示。該電路不僅可實現將USB接口轉換成SPI同步串行接口，且具有USB通信標志信號、向外電路供電和過電流保護等功能。

圖2 CH341 USB轉SPI接口電路

CH341芯片部分引腳具有多個功能，所以在芯片復位期間與復位完成后正常工作狀態下具有不同的特性。用戶可通過CH341芯片SCL和SDA引腳配置芯片功能，有兩種方式:外部芯片配置和直接組合配置。外部芯片配置是由SCL引腳和SDA引腳組成兩線同步串口，連接外部串行EEPROM配置芯片，通過EEPROM芯片定義芯片功能、廠商ID和產品ID等。直接組合配置是將SCL引腳和SDA引腳進行連接組合，配置CH341的功能，其特點是:無需增加額外成本，但是只能使用默認的廠商ID和產品ID等信息。CH341功能配置如表1所示。在直接組合配置方式下，除了產品ID之外，其它信息與外部芯片配置的默認值相同。本設計中CH341的功能是將USB接口轉換成SPI接口，因此將SDA引腳接低電平，SCL懸空，使CH341芯片配置成4線同步串口。4線串口引腳為:DIN(22腳)是4線串口數據輸入，接單片機MISO(P1.6);DOUT(20腳)是4線串口數據輸出，接單片機MOSI(P1.5);SCK(18腳)是4線串口時鐘輸出，時鐘頻率約為1.6MHz，接單片機SCK(P1.7);CS2～CS0是4線串口片選輸出，低電平片選有效，本設計選擇CS1(16腳)為片選引腳，接單片機RST(Pin9)。其中SCK引腳默認為低電平，DOUT引腳在時鐘上升沿將數據從CH341輸出到51單片機，DIN引腳在時鐘下降沿將數據從51單片機輸入到CH341。

表1 SDA和SCL的功能配置表

CH341芯片ACT#引腳為輸出引腳，用于USB設備配置完成狀態輸出。當USB設備尚未配置或者取消配置后，該引腳輸出高電平，當USB設備配置完成后，該引腳輸出低電平。因此在ACT#引腳外串聯了發光二級管LED1，用于指示USB設備配置完成狀態。當CH341設備配置成功后，發光二極管LED1亮，否則發光二極管LED1滅。

CH341芯片UD+和UD-是USB信號引腳，芯片內置了USB上拉電阻，將UD+和UD-引腳直接連接到USB總線上。PC機發送的數據通過UD+和UD-引腳傳送到CH341中。

圖2中的R1是保護電阻從USB接口取出的電路總電流不得超過250mA，否則電阻R1將燒壞，電路斷開［4］。因此當發生電路短路或所接外電路總電流過大時可保護CH341芯片及外電路中一些較昂貴的芯片。

CH341芯片XI和XO引腳之間接12MHz晶振和2個20pF電容可為CH341提供正常工作所需的時鐘信號。

2 51單片機在線編程原理

51單片機Flash閃速存儲器可通過SPI同步串行接口進行在線編程，SPI串行接口包含時鐘引腳SCK(Pin1.7)、串行數據輸入引腳 MOSI(P1.5)和串行數據輸出引腳MISO(P1.6)。將單片機復位引腳RST(Pin9)拉高后，在其它操作前必須發出編程使能指令，并在編程前擦除芯片。編程時單片機的電源電路與時鐘電路需正常工作，且編程串行時鐘SCK不得超過單片機片外晶振時鐘的1/16。具體的串行編程采用如下進程［5］。

(1)上電次序:將電源加在Vcc和GND引腳，RST置為“H”，等候10ms;

(2)將編程使能指令發送到MOSI(Pin1.5)，編程時鐘接至SCK(Pin1.7)，此頻率需小于晶體時鐘頻率的1/16;

(3)代碼陣列的編程可選字節模式或頁模式。寫周期是自身定時的，一般不大于0.5ms(5V電壓時);

(4)任意代碼單元均可通過MISO(Pin1.6)和讀指令選擇相應的地址回讀數據進行校驗;

(5)編程結束應將RST置為“L”以結束操作;

(6)斷電次序:假如沒有使用晶體，將XATL置為低，RST置為低，關斷電源Vcc。

串行編程指令設置為一個4字節協議，具體格式請參見文獻［3］，對AT89S51/52單片機串行編程共有9條命令，分別用來實現編程允許、芯片擦除、讀/寫數據(字節或頁模式兩種)、讀加密位以及讀簽名字節內容等功能。CH341通過 DIN、DOUT、SCK模擬SPI接口信號，完成對AT89S51/52單片機串行編程和校驗。AT89S51/52編程和校驗時序如圖3所示。對AT89S51/52編程或校驗時，字節數據總是高位在前，低位在后。寫數據(編程)時，在SCK為低電平期間，將數據送到MOSI(P1.5)，而讀數據(校驗)是在SCK為高電平時將數據輸出到MISO(P1.6)。

圖3 AT89S51單片機串行編程與校驗時序圖

3 PC端上位機軟件

PC端上位機軟件設計采用VB(Visual Basic)語言編寫，實現對AT89S51/52芯片程序擦除、下載和回讀等功能。

上位機軟件主要包括以下內容:打開文件、全片擦除、下載代碼、讀入代碼、自動完成、讀單ID和文件更新后自動下載等。

VB可以調用 CH341動態鏈接庫中的函數CH341OpenDevice()打開CH341設備，若打開成功則可對CH341設備進行如下的一系列操作:調用CH341SetStream()設置CH341同步串口流模式，使CH341數據流模式為SPI數據流，并且為高位在前的傳輸模式，與AT89S51/52的ISP編程規則一致;調用CH341StreamSPI4()函數處理SPI數據流，燒寫AT89S51/52時通過編程指令將PC機中的代碼從USB接口發送到CH341，CH341再通過MOSI引腳發送到AT89S51/52，讀取代碼時通過讀指令將AT89S51/52閃存中的代碼從MISO引腳回送到CH341，CH341再通過USB接口將代碼傳回PC機;調用CH341CloseDevice()關閉CH341設備，此后不能操作CH341。因此要操作CH341設備，必須先調用CH341OpenDevice函數打開CH341設備;調用CH341SetDeviceNotify()檢測CH341設備是否與PC機相連。

圖4是AT89S51/52代碼下載的程序流程圖。

圖4 下載代碼流程圖

［1］ 梁睿，等.ISP技術在AT89SX單片機中的應用［D］.徐州:中國礦業大學電學院，2004

［2］ 楊恒新，等.ISP技術在單片機程序升級中的應用［D］.南京:南京郵電大學光電工程學院，2006

［3］ 南京沁恒電子有限公司.CH341［Z］，2008

［4］ 廖濟林.USB2.0應用系統開發實例精講［M］.北京:電子工業出版社，2006

［5］ 歐陽文.ATMEL89系列單片機的原理與開發實踐［M］.北京:中國電力出版社，2007

［6］ Atmel Corporation.AT89S51［Z］，2001