隨著單片機技術的不斷發(fā)展，支持ISP(In-SystemProgramming)或IAP(In-Application Programming)的單片機芯片日益增加，這類單片機芯片的應用程序寫入采用了在線下載的方式。單片機與計算機的連接端口也從串口或并口逐步過渡到USB(Universal SerialBus)口。由于USB口具有高速、使用靈活方便等特點，單片機程序下載連接口也更加廣泛地應用USB口。但是，USB口與單片機連接的下載線在設計和應用上還是與串、并口連接一樣，不同的單片機采用不同的下載線，也對應有不同的下載軟件和硬件驅動程序。這些軟件和程序隨著功能的完善和操作改進等原因具有不同的版本。這就造成下載線的使用者需要不斷更新軟件，也讓使用者在更換單片機時不僅更換下載線，還要熟悉新的下載軟件及使用方法。為此，如果能設計一種不需要下載軟件的下載線或統(tǒng)一操作的下載軟件，則能大大提高單片機程序下載線的通用性及操作效率。設計一種通用而不需下載軟件的USB接口的單片機的下載線就顯得尤其必要。
1．硬件設計
1．1 設計分析
單片機USB接口下載線對于計算機而言，就是一個USB外部設備。為了實現(xiàn)在計算機中不需要安裝額外的下載線驅動程序和操作軟件，盡可能使用操作系統(tǒng)已有的USB設備的驅動程序、操作系統(tǒng)命令或軟件作為下載線的驅動程序及操作軟件。在對計算機操作系統(tǒng)進行分析和比較下，目前計算機操作系統(tǒng)中都帶有U盤的驅動程序，資源管理器就是一個現(xiàn)有的磁盤操作軟件。若將下載線虛擬為一個U盤，即從計算機角度將下載線和目標單片機視為一個虛擬磁盤，計算機對目標單片機的程序下載變?yōu)橛嬎銠C對磁盤的寫操作。
當下載線系統(tǒng)接收到計算機寫入該磁盤的文件時，通過下載線系統(tǒng)程序對數(shù)據進行處理后把數(shù)據寫入目標單片機，實現(xiàn)單片機程序下載。下載線系統(tǒng)完成對計算機的磁盤響應和程序的控制和傳輸，這樣既能保證在所有計算機上都可以通用，又實現(xiàn)了在計算機中不需要專用的下載程序，只需要如磁盤操作一樣進行復制、粘貼或其他文件復制操作即可將程序寫入單片機。
下載線硬件系統(tǒng)如圖1所示。
1．2 硬件設計
在分析各種USB接口芯片后，選用Philips公司的PDIUSBDl2作為系統(tǒng)的USB接口芯片，實現(xiàn)與微控制器進行通信的高速通用并行接口。該芯片采用了USB 1．1標準，現(xiàn)有的計算機采用USB 1．1及USB 2．O接口標準，采用PDIUSBDl2作為下載線與計算機的接口芯片能夠滿足設計需要。
為了實現(xiàn)可靠的程序下載，對目標單片機的接口電路選用原Altra的并口驅動芯片74HC244作為下載線與目標單片機的接口驅動芯片。該芯片是三態(tài)的總線驅動芯片，在寫入和讀出目標單片機數(shù)據時有足夠的驅動能力和較小的延時，能夠實現(xiàn)正常的程序下載，在程序下載完成后，該芯片工作于高阻態(tài)，使下載線不影響目標單片機的正常工作。系統(tǒng)電路原理如圖2所示。
在圖2中，PDIUSBDl2的數(shù)據端口連接到單片機的P0端口，實現(xiàn)單片機與PDIUSBDl2的數(shù)據交換通道。將PDIUSBDl2的讀寫控制分別接到P3.6和P3．7引腳，實現(xiàn)單片機寫入和讀出PDIUSBDl2的數(shù)據。地址端A0接到P2．O引腳上，用于實現(xiàn)對PDIUSBDl2的數(shù)據和地址選擇。PDIUSB Dl2從CLKOUT輸出時鐘信號，連接到單片機AT89S52的XTAL1上，作為單片機的時鐘信號。
下載線接口驅動電路74HC244采用P2的部分引腳進行控制。其中，P2．1接74HC244的門控端，輸出低電平時電路工作，在平時輸出高電平時使74HC244工作在高阻狀態(tài)，使下載線與目標單片機脫離連接。P2．2接2Y4通過下載線接口作為SCK，實現(xiàn)ISP接口的同步脈沖。P2．3通過74HC244后接到下載線接口作為MOSI，實現(xiàn)對目標芯片的串行數(shù)據讀出。下載線接口的MISO通過74HC244驅動后接到P2．5，實現(xiàn)對目標芯片的串行數(shù)據的讀出。P2．5通過74HC244控制目標芯片的RESET引腳，使其進入和退出串行程序下載模式。
另外，在系統(tǒng)中保留了P3．O和P3．1作為異步串行通信端口，作為系統(tǒng)調試端口。P1．5，P1．6，P1．7和RESET與VCC，GND連接到系統(tǒng)控制芯片，作為系統(tǒng)控制芯片自身的程序寫入接口。
2 軟件系統(tǒng)設計
2．1 系統(tǒng)架構
基于虛擬內存的USB下載線，就是從計算機角度看，下載線與目標單片機是計算機的一個通用的USB存儲器，在對目標單片機程序進行寫操作時，就像對磁盤(U盤)進行寫操作一樣。
在PC機端主要完成的任務是USB設備驅動程序，即將USB設備(下載線)識別為U盤，實現(xiàn)文件的寫入和讀出操作。在Windows 2000及以后的操作系統(tǒng)中，將USB磁盤驅動作為標準驅動程序，直接利用操作系統(tǒng)磁盤驅動程序。文件的寫入和讀出，由操作系統(tǒng)完成相關功能，在本系統(tǒng)中不需要編寫程序。
下載線與計算機連接采用PDIUSBD12作為接口芯片，要與計算機交換數(shù)據，就需要對PDIUSBDl2芯片進行操作，下載線系統(tǒng)需要PDIUSBDl2驅動程序。要向計算機說明下載線是一個U盤，下載線系統(tǒng)需要在計算機硬件詢問時要按USB Disk應答，下載線系統(tǒng)還需要構建一個文件系統(tǒng)，由于下載線系統(tǒng)是面向單片機的程序下載，數(shù)據量小，采用FAT12作為下載線的文件系統(tǒng)。
當下載線接收到計算機傳送過來的一個程序文件時，需要將程序文件中的內容分離出來。設計本系統(tǒng)主要支持bin和HEX兩種格式，其中bin文件就是機器指令的數(shù)據，直接寫入單片機的程序存儲器中即可完成程序下載；Hex文件的INTEL格式是Intel公司提出的按地址排列的數(shù)據信息，并不是直接的機器指令代碼，因此還需要將HEX格式轉換為bin格式。
在對目標單片機進行程序下載時，需要按照目標單片機的程序下載時序，逐次將數(shù)據寫入目標單片機的程序存儲器中，下載系統(tǒng)需要控制下載接口電路實現(xiàn)程序時序。整個隨著單片機技術的不斷發(fā)展，支持ISP(In-SystemProgramming)或IAP(In-Application Programming)的單片機芯片日益增加，這類單片機芯片的應用程序寫入采用了在線下載的方式。單片機與計算機的連接端口也從串口或并口逐步過渡到USB(Universal SerialBus)口。由于USB口具有高速、使用靈活方便等特點，單片機程序下載連接口也更加廣泛地應用USB口。但是，USB口與單片機連接的下載線在設計和應用上還是與串、并口連接一樣，不同的單片機采用不同的下載線，也對應有不同的下載軟件和硬件驅動程序。這些軟件和程序隨著功能的完善和操作改進等原因具有不同的版本。這就造成下載線的使用者需要不斷更新軟件，也讓使用者在更換單片機時不僅更換下載線，還要熟悉新的下載軟件及使用方法。為此，如果能設計一種不需要下載軟件的下載線或統(tǒng)一操作的下載軟件，則能大大提高單片機程序下載線的通用性及操作效率。設計一種通用而不需下載軟件的USB接口的單片機的下載線就顯得尤其必要。
1．硬件設計
1．1 設計分析
單片機USB接口下載線對于計算機而言，就是一個USB外部設備。為了實現(xiàn)在計算機中不需要安裝額外的下載線驅動程序和操作軟件，盡可能使用操作系統(tǒng)已有的USB設備的驅動程序、操作系統(tǒng)命令或軟件作為下載線的驅動程序及操作軟件。在對計算機操作系統(tǒng)進行分析和比較下，目前計算機操作系統(tǒng)中都帶有U盤的驅動程序，資源管理器就是一個現(xiàn)有的磁盤操作軟件。若將下載線虛擬為一個U盤，即從計算機角度將下載線和目標單片機視為一個虛擬磁盤，計算機對目標單片機的程序下載變?yōu)橛嬎銠C對磁盤的寫操作。
當下載線系統(tǒng)接收到計算機寫入該磁盤的文件時，通過下載線系統(tǒng)程序對數(shù)據進行處理后把數(shù)據寫入目標單片機，實現(xiàn)單片機程序下載。下載線系統(tǒng)完成對計算機的磁盤響應和程序的控制和傳輸，這樣既能保證在所有計算機上都可以通用，又實現(xiàn)了在計算機中不需要專用的下載程序，只需要如磁盤操作一樣進行復制、粘貼或其他文件復制操作即可將程序寫入單片機。
下載線硬件系統(tǒng)如圖1所示。
1．2 硬件設計
在分析各種USB接口芯片后，選用Philips公司的PDIUSBDl2作為系統(tǒng)的USB接口芯片，實現(xiàn)與微控制器進行通信的高速通用并行接口。該芯片采用了USB 1．1標準，現(xiàn)有的計算機采用USB 1．1及USB 2．O接口標準，采用PDIUSBDl2作為下載線與計算機的接口芯片能夠滿足設計需要。
為了實現(xiàn)可靠的程序下載，對目標單片機的接口電路選用原Altra的并口驅動芯片74HC244作為下載線與目標單片機的接口驅動芯片。該芯片是三態(tài)的總線驅動芯片，在寫入和讀出目標單片機數(shù)據時有足夠的驅動能力和較小的延時，能夠實現(xiàn)正常的程序下載，在程序下載完成后，該芯片工作于高阻態(tài)，使下載線不影響目標單片機的正常工作。系統(tǒng)電路原理如圖2所示。
在圖2中，PDIUSBDl2的數(shù)據端口連接到單片機的P0端口，實現(xiàn)單片機與PDIUSBDl2的數(shù)據交換通道。將PDIUSBDl2的讀寫控制分別接到P3.6和P3．7引腳，實現(xiàn)單片機寫入和讀出PDIUSBDl2的數(shù)據。地址端A0接到P2．O引腳上，用于實現(xiàn)對PDIUSBDl2的數(shù)據和地址選擇。PDIUSB Dl2從CLKOUT輸出時鐘信號，連接到單片機AT89S52的XTAL1上，作為單片機的時鐘信號。
下載線接口驅動電路74HC244采用P2的部分引腳進行控制。其中，P2．1接74HC244的門控端，輸出低電平時電路工作，在平時輸出高電平時使74HC244工作在高阻狀態(tài)，使下載線與目標單片機脫離連接。P2．2接2Y4通過下載線接口作為SCK，實現(xiàn)ISP接口的同步脈沖。P2．3通過74HC244后接到下載線接口作為MOSI，實現(xiàn)對目標芯片的串行數(shù)據讀出。下載線接口的MISO通過74HC244驅動后接到P2．5，實現(xiàn)對目標芯片的串行數(shù)據的讀出。P2．5通過74HC244控制目標芯片的RESET引腳，使其進入和退出串行程序下載模式。
另外，在系統(tǒng)中保留了P3．O和P3．1作為異步串行通信端口，作為系統(tǒng)調試端口。P1．5，P1．6，P1．7和RESET與VCC，GND連接到系統(tǒng)控制芯片，作為系統(tǒng)控制芯片自身的程序寫入接口。
2 軟件系統(tǒng)設計
2．1 系統(tǒng)架構
基于虛擬內存的USB下載線，就是從計算機角度看，下載線與目標單片機是計算機的一個通用的USB存儲器，在對目標單片機程序進行寫操作時，就像對磁盤(U盤)進行寫操作一樣。
在PC機端主要完成的任務是USB設備驅動程序，即將USB設備(下載線)識別為U盤，實現(xiàn)文件的寫入和讀出操作。在Windows 2000及以后的操作系統(tǒng)中，將USB磁盤驅動作為標準驅動程序，直接利用操作系統(tǒng)磁盤驅動程序。文件的寫入和讀出，由操作系統(tǒng)完成相關功能，在本系統(tǒng)中不需要編寫程序。
下載線與計算機連接采用PDIUSBD12作為接口芯片，要與計算機交換數(shù)據，就需要對PDIUSBDl2芯片進行操作，下載線系統(tǒng)需要PDIUSBDl2驅動程序。要向計算機說明下載線是一個U盤，下載線系統(tǒng)需要在計算機硬件詢問時要按USB Disk應答，下載線系統(tǒng)還需要構建一個文件系統(tǒng)，由于下載線系統(tǒng)是面向單片機的程序下載，數(shù)據量小，采用FAT12作為下載線的文件系統(tǒng)。
當下載線接收到計算機傳送過來的一個程序文件時，需要將程序文件中的內容分離出來。設計本系統(tǒng)主要支持bin和HEX兩種格式，其中bin文件就是機器指令的數(shù)據，直接寫入單片機的程序存儲器中即可完成程序下載；Hex文件的INTEL格式是Intel公司提出的按地址排列的數(shù)據信息，并不是直接的機器指令代碼，因此還需要將HEX格式轉換為bin格式。
在對目標單片機進行程序下載時，需要按照目標單片機的程序下載時序，逐次將數(shù)據寫入目標單片機的程序存儲器中，下載系統(tǒng)需要控制下載接口電路實現(xiàn)程序時序。整個硬件電路結構與軟件關系如圖3所示。
2．2 程序設計
下載線是連接計算機與目標單片機的中間設備，僅在計算機發(fā)出操作要求時才產生對應的操作響應，因而下載線系統(tǒng)程序設計過程中以處理計算機端數(shù)據為主要目標，根據計算機的數(shù)據對單片機進行相應的操作。為了程序編寫簡潔和易于調試，設計系統(tǒng)主程序采用查詢方式對USB接口數(shù)據進行處理。對目標單片機的程序下載寫入時，將其設為整個程序的一個功能模塊，僅當需要下載寫入時調用該功能模塊，在程序編寫中將其定義為一個系統(tǒng)函數(shù)。
與PC的接口芯片采用了PDIUSBD12作為USB接口芯片，下載線為了處理來自USB接口的數(shù)據，必須完成對PDIUSBD12的處理。在設計中利用Philips提供的PDIUSBD12驅動程序進行修改加以實現(xiàn)。
數(shù)據處理過程的系統(tǒng)主函數(shù)如下：
3 系統(tǒng)調試
首先對下載線系統(tǒng)進行程序寫入和程序調試，然后再進行綜合調試。按下面步驟進行。
3．1 調試下載線系統(tǒng)
首先將下載系統(tǒng)控制程序寫入系統(tǒng)單片機，然后進行ISP下載調試。
將BIN文件代碼寫進下載線控制單片機程序內部，采用程序直接將二進制代碼寫進目標單片機，觀察目標單片機的運行情況來判斷程序是否寫入。
將HEX文件內的數(shù)據寫在下載線控制單片機的源程序內部，通過單片機程序對HEX格式進行解釋并寫入目標單片機，觀察目標單片機的運行情況來判斷程序是否解釋并寫入正確。
3．2 硬件識別調試
通過將下載線插入PC，在PC上發(fā)現(xiàn)USB設備，驗證下載線硬件是否工作。通過對USB器件的應答，能夠在計算機中出現(xiàn)一個USB盤符。
通過對下載線內部的磁盤啟動扇區(qū)、FAT表和根目錄等信息的寫入，在PC上出現(xiàn)一個具體的磁盤，并能在磁盤上創(chuàng)建文件。
3．3 綜合調試
在下載線所對應的磁盤上寫入HEX文件，由下載線系統(tǒng)單片機對HEX文件進行解釋，并寫入目標單片機，在目標單片機實驗板上觀察結果以判斷下載線是否完成功能。
4 結語
通過下載系統(tǒng)的硬件和軟件設計，在計算機中不需要安裝驅動程序，利用計算機系統(tǒng)中自帶的USB磁盤的驅動程序，只需要復制、粘貼或其他文件復制操作即可將單片機應用程序寫入單片機，實現(xiàn)計算機通用的USB下載線的設計。