基于STM32的通用高速編程器的設計與實現

何晉紅潘桃于婷馬義德.蘭州大學信息科學與工程學院 .蘭州資源環境職業技術學院

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基于STM32的通用高速編程器的設計與實現

何晉紅1潘桃2于婷1馬義德1
1.蘭州大學信息科學與工程學院 2.蘭州資源環境職業技術學院

文章設計并實現了一種針對FLASH、EEROM等存儲器進行數據更新的高速通用編程器。該編程器是一個以STM32為核心，能對24、25等系列的存儲器完成數據寫入、讀出等操作的嵌入式系統。系統具備USB連接PC機的聯機操作模式和基于UCGUI的脫機操作模式。它可以控制接口電壓以適用更多的芯片，與當前常見編程器進行性能比較，其具有更好的兼容性、更快的操作速度和更高的數據正確率。

編程器 STM32 嵌入式系統 UCGUI

隨著信息時代的快速前進，物聯網、汽車電子等都有了前所未有的發展，智能家居、可穿戴設備也應運而生。這些數字化、智能化的產品與我們的日常生活已密不可分。而它們的固件升級，程序更新和量產都需要相關人員對其存儲器內的數據進行讀寫操作。然而目前所見存儲器種類繁多，編程接口和時序也不盡相同，這就要求我們設計一個能夠操作常見存儲器的多功能、通用編程器，它不僅要有足夠快的寫入速度，而且需要保證寫入數據的正確性。目前市面上有一些類似的產品，如XTW100、 TL866CS等，然而它們一般都針對某一特定系列的存儲芯片并且讀寫速度比較慢。基于這樣的現狀，這里設計了一個基于ST（意法半導體）公司的STM32F207單片機的編程器。憑借其120MHz的工作頻率、400Kb/S的I2C接口，30Mb/S的SPI接口以及 硬件SD卡接口，該編程器擁有了非常優越的性能。

1　系統原理概述

本文所設計的編程器主要完成24，、25、26、45、95系列存儲芯片的讀寫、擦除等，同時可以用作SD卡讀卡器。它由硬件和軟件兩部分組成。其中硬件部 分以STM32為核心，軟件包括PC機應用程序、USB 驅動程序以及編程器固件。固件程序運行于硬件平臺之上構成 整個系統的核心。它接受來自PC機的數據和指令，并根據指令對連接其上的存儲芯片進行操作。編程器與PC機通信使用USB2.0協議標準。該系統還使用觸摸屏進行人機交互來完成脫機操作。

1.1編程器硬件平臺

硬件平臺是系統重要組成部分，采用STM32F207 Contex-M3［2］芯片作為控制器，含有 供電系統、觸摸屏、SD卡以及電平轉換電路的編程器平臺。

系統電源含兩部分：3.3伏固定電壓與程序可調電源。其中3.3伏為MCU，觸摸屏，SD卡等供電， 而可調電源的輸出電壓受MCU控制。在MCU與 存儲芯片之間接有電平轉換接口芯片SN74LVC8T245，該芯片分A、B兩個端口，A、B 兩端的數字電平可以獨立進行設置。同時這里還使 用了TCA9517，它是I2C接口專用電平轉換芯片。

SD卡上存放編程器的配置數據、脫機操作文件、 脫機讀取的芯片內數據和脫機芯片參數庫。它通過SD卡接口與STM32連接，MCU上移植了嵌入式文件系統FatFs以對SD卡進行基于文件的讀寫操作。

在SD卡根目錄下有data子目錄用來存放脫機操作的數據。名為Chipinfo的文件存放芯片參數庫。Dat文件存放文件命名編號信息。執行讀取操作時，讀出來的數據保存在命名為被操作芯片型號-文件編號.bin的文件內。每次讀取完成后文件編號增一并保存到Dat里面。例如連續讀取兩次EN25Q80芯片就會創建兩個文件，分別為EN25Q80-00006. bin和 EN25Q80-00007.bin。在SD卡根目錄下還有一個文件LCD_CONFIG，它存儲了LCD觸摸屏的配置參數。

系統采用240*320分辨率的LCD作顯示，電阻式觸摸屏作觸控感應。觸摸控制芯片使用 XTP2046。它將模擬電壓值進行數字采樣量化并通過SPI接口將數據傳輸給MCU。LCD界面的開發使用了UCGUI。編程器啟動時會判斷LCD_ CONFIG 文件是否存在，不存在時將會調用校準代碼進行觸摸屏校準并生成該文件。編程器上有一個32Pin的鎖緊座。編程器與待編程存儲器的連接會根據具體芯片選擇使用SPI或I2C接口。

1.2編程器固件程序

固件程序主要完成PC機控制指令的解析和執行， 同時響應觸摸輸入。固件程序解析執行PC機指令然后返回執行結果 和數據。PC機應用通過USB接口連接編程器并結合固件程序對存儲芯片進行操作，同時操作SD卡上的編程數據和脫機芯片庫等。固件程序含有大量的代碼，編程器會根據待操作芯片進行適配選擇。固件程序還提供了脫機操作的功能。在脫機的情況下固件程序會通過用戶的交互輸入執行操作，并將結果反饋顯示給用戶。脫機操作的實現依賴于觸摸屏交互和SD卡上的芯片庫以及文件系統。

1.3PC機軟件系統

PC機程序開發使用MFC類庫。借助PC機優越的運算性能，聯機的情況下比脫機操作具有更快的速度，而且在聯機的情況下還可以對編程文件進行可視化編輯。PC機軟件提供的操作包括：文件加載、芯片選擇、芯片自動識別、編程、擦除、讀取、向數據庫中添加芯片以及對SD卡的操作。在程序中動態地建立ODBC數據源，并將芯片信息存儲進ACCESS數據庫中。數據庫里記錄了常用的24，25，26，45，95等系列的芯片，對于一些未收錄的，用戶可以自己將芯片信息添加進數據庫，編程器會根據芯片的特性自動選擇合適的讀寫時序嘗試操作。PC程序根據待編程的芯片從數據庫中讀取芯片參數。從PC文件系統中讀取Hex或Bin格式文件并進行解碼，然后將指令包和數據傳送給編程器。從存儲芯片讀取數據的時，首先將讀到的數據使用 CListCt r l控件顯示給用戶，用戶可以將該數據保存在PC上指定的位置。PC也通過USB訪問編程器上的SD卡。由于使用了USB接口進行通信，所以這里還需要為編程器開發USB驅動［7］來負責應用層和USB 總線層的數據傳遞。驅動程序還進行數字簽名，以便自動安裝。

2　系統關鍵技術

2.1編程器電源系統及接口電壓轉換

本系統需要兩種電壓。一個3.3V和一個編程可調 的電源。它們都通過對5V輸入電壓進行降壓得到。采用LM1117-3.3穩壓芯片產生3.3V電壓。在其輸入和輸出端分別接入兩個濾波電容，一個容值較大，濾去電源的低頻成分，而另外一個容值較小，對高頻成分呈現較低的阻抗，主要濾除由負載電流變化而引起的高頻成分。

可調電壓用STM32的一路DAC和LM1117-ADJ可調三端穩壓芯片產生。使用DAC的輸出來抬高 ADJ端的電壓，調節DAC的輸出就可以達到調節輸 出電壓的目的。

從DAC到LM1117的ADJ端使用運放LM358做了電壓跟隨。因為LM1117工作的時候ADJ端會有微弱的電流流出，而DAC輸出阻抗較大，該電流如果直接流經DAC的輸出端，對ADJ端的電勢會有影響。

設計中還將兩個110歐姆串聯，然后接到其輸出端，從兩個電阻的中間取得電壓接至STM32的ADC上面，STM32對此電壓進行實時監測，防止電壓設置不當造成器件損壞。

2.2控制指令格式

由于數據較大，本編程器使用USB批量傳輸方式。編程器配置了兩個USB端點，一個控制端點，用來進行USB的枚舉等，另外一個批量端點，用來批量傳輸數據。

2.2.1命令包結構

在USB枚舉完成以后，PC機會根據用戶所選擇 的操作構建一個命令塊包，然后發給編程器。命令塊包的結構總共有30個字節。

dSignature字段是控制命令包標志，為字符串 USBC。

dTag是命令包標簽，由PC機程序隨機生成。當編程器完成該命令返回狀態的時候，需要在狀態包的dTag字段中填入對應命令的dTag。

dDataLength指定在數據階段需要傳輸的數據長度。

fVol是待操作芯片電壓信息，是一個浮點數。編程器根據fVol設置接口電壓。部分指令的fVol域無效。

bFlags最高位（D7）表示數據方向，0表示輸出，1表示輸入。

bCBLength表示后面CB的長度。

CB是需要執行的命令和命令對應的參數。12字節數據不一定完全使用，有效長度由bCBLength指定。

2.2.2狀態包結構

編程器執行完操作后會返回執行結果給PC。dSignature為狀態包標志。字符串USBS。dTag為狀態包標簽，其值為命令封包中的dTag。

bStatue標識命令執行結果，0x00表示成功， 0x01表示失敗。

2.2.3編程器命令結構

命令包含存儲芯片操作命令和SD卡操作命令。接口類型分為兩類：0x01表示SPI，0x02表示 I2C；芯片類型使用24、25等作為區分。接口速率占 一個字節，I2C以K為單位，SPI以Mb/s為單位。

2.3芯片參數庫設計

為支持多種芯片，設計了芯片參數庫。在芯片操作時需要獲取數據庫中的芯片信息。下面給出數據表中所有字段及說明。

Chip Index：芯片的索引編號。

ManuID：廠商ID，主要用來芯片的自動識別。Chip ID：芯片ID號。用來芯片的自動識別。RomSize：芯片的存儲容量，以字節為單位。PageSize：存儲器的頁大小。芯片編程采用頁編程方式，有利于編程速度的提高。

VectorName：芯片廠商名稱簡稱，方便用戶選 擇芯片。

InterFace：芯片的編程接口類型。

Vol：編程接口電壓信息。

Speed：芯片編程接口支持的最大讀寫速率。 設置正確的讀寫速率，才能保證讀寫的正確率。 Type：芯片類型。24、25系列等。

在進行操作之前一般會自動識別或者手動選擇 芯片。選定芯片后應用程序會從數據庫獲取芯片的 信息，然后構建命令塊包并發送給編程器。

3　結論

在此將對該編程器的性能參數做一些測試。這里將抽取不同系列、不同廠商的不同容量存儲器進行測試。測試相關數據，包括對編程器來講至關重要的一項指標：寫入數據的正確率。分析結果可以發現，不同的芯片操作速度相差較大，尤其是寫入和擦除的速度。這主要是受芯片自身性能和芯片容量的影響。同時，這里還跟其他的編程器，如XTW100、TL866CS等做了性能對比，發現該編程器跟其他相比速度平均提升了1.5倍左右，而這主要得益于我們MCU良好的處理性能、高效的通信協議以及我們優異的編程算法。而前面所提兩 款編程器只支持24、25系列的部分存儲器，且不具備脫機操作的功能。另外值得一提的是本編程器數據寫入的正確率。由于采用了可靠的通信協議，使得對所有支持的存儲器都達到了百分之百正確寫入的效果。

［1］ USB Imp lementer’s Forum. USB Speci f ication Rev2.0. http：//www.usb.org，2000.

［2］ 喻金錢，喻斌.STM32F系列ARMCor tex-M3核微控制器開發與應用［M］.北京：清華大學出版社， 2011.

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