徐岳清

（無錫機電高等職業(yè)技術(shù)學校，江蘇 無錫214000）

0 引言

STM32系列單片機專為要求高性能、低成本和低功耗的應用設(shè)計，按照內(nèi)核架構(gòu)分別有Cortex－M0、Cortex－M3和Cortex－M4 3種，雖內(nèi)核不同，但是全系列均支持片內(nèi)ISP（in－system programmable，系統(tǒng)在線可編程）下載編程模式，并且采用同一種通信協(xié)議，因此均可以通過USART接口實現(xiàn)ISP編程。

在批量生產(chǎn)中，STM32常見的燒錄方式基本為3種方式。其一為預燒錄，在貼片前，使用批量燒錄器對芯片進行統(tǒng)一燒錄；其二為聯(lián)機燒錄，即在貼片完成后使用JLINK或者STlink和PC機，使用相應的燒錄軟件通過芯片的SW接口進行燒錄或者通過串口進行ISP燒錄；其三為脫機燒錄，在貼片完成后使用單個SW接口脫機燒錄器進行程序燒錄。第1種方法燒錄速度最快，但是需要拆包裝燒錄，燒錄完成后還要再重新包裝，操作比較煩瑣；第2種方式燒錄速度一般，采用SW接口稍快，但是需要占用2個IO口，如果采用ISP方式，則由于ST官方提供的Flash Loader Demonstrator軟件操作步驟較多，導致燒錄速度和效率最低［1］；第3種較快，但是由于SW脫機燒錄器只支持一個SW燒錄口，因此只能一次燒錄一片。

鑒于上述幾種方式的優(yōu)缺點，本設(shè)計采用STM32F302RBT6單片機，設(shè)計了脫機ISP燒錄工具。STM32F3系列基于 Cortex－M4內(nèi)核，帶有DSP和FPU指令，性價比與STM32F1系列相比更好，STM32F302RBT6單片機采用TQFP64封裝，具有1個USB接口，2個SPI接口、3個USART接口和2個UART口，USART口支持同步模式，本設(shè)計全部按照異步模式即UART模式使用，因此可以實現(xiàn)通過5路UART同時燒錄5片STM32系列單片機。

1 ISP下載協(xié)議分析

STM32系列單片機通常支持3種啟動模式，在上電時通過BOOT0和BOOT1管腳電平區(qū)分。當BOOT0為低電平時，從用戶閃存啟動，這是正常啟動模式；當BOOT0為高電平時，如果BOOT1為低，則從系統(tǒng)存儲器啟動，芯片出廠時在這個區(qū)域放置了bootloader，即自舉程序也叫內(nèi)嵌啟動代碼，該程序出廠后無法修改，可用于通過USART、USB或者其他方式把應用程序燒錄到用戶閃存；當BOOT0為高電平時，如果BOOT1為高時，從芯片內(nèi)置RAM啟動。在STM32F0系列中，僅由BOOT0一個管腳用于選擇下載模式，當BOOT0為低電平時，從用戶閃存啟動；當BOOT0為高電平時，從系統(tǒng)存儲器啟動，即啟動自舉程序。

通過設(shè)置BOOT0＝1，BOOT0＝0在 MCU啟動時就可以進入自舉模式，自舉程序?qū)呙鑅SARTx－Rx引腳，等待接收0x7F數(shù)據(jù)幀，該數(shù)據(jù)幀的持續(xù)時間經(jīng)過SysTick的測量和相關(guān)計算，可以得出當前數(shù)據(jù)幀的波特率，從而MCU自動配置通信波特率，實現(xiàn)波特率自適應，支持的波特率范圍為1 200～115 200。然后發(fā)送確認字節(jié)（0x79）返回主機，表示STM32已準備好接收命令。自舉程序流程框圖如圖1所示。

圖1 使用USART的STM32自舉程序流程框圖

STM32單片機自舉程序支持的命令中常用的見表1，主控端的每條命令都是按照一個字節(jié)命令和一個字節(jié)命令補碼方式發(fā)送，每個通信數(shù)據(jù)包結(jié)尾均包含一個字節(jié)校驗，校驗值為前面所有字節(jié)的異或運算結(jié)果，實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)包的有效性驗證。器件在每個數(shù)據(jù)包被接受后使用ACK（0x79）應答，被丟棄后使用 NACK（0x1F）應答。因此主機在發(fā)生完一條命令或者數(shù)據(jù)包后，通過接收到的應答命令，就可以判斷器件是否正常接收。

表1 USART bootloader命令［3］

由于STM32是32位機，因此對器件的數(shù)據(jù)寫入操作必須按照32位對齊方式寫入數(shù)據(jù)，不足位使用0xFF補齊，寫入數(shù)據(jù)必須為4字節(jié)的倍數(shù)，最大數(shù)據(jù)塊的長度為256字節(jié)。為了提高寫入的速度，本設(shè)計選用256字節(jié)作為數(shù)據(jù)塊長度。

2 編程器系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計

通過前面的分析可以得知，控制一個STM32器件的啟動模式，需要控制BOOT0、BOOT1和電源的上電順序，為了減少人工操作，實現(xiàn)全自動化編程，需要使用MOS管控制3個信號的電平，如圖2所示，其中 USART1＿BOOT0，USART1＿BOOT1和USART1＿VCC為單片機IO口，采用NMOS管控制，高電平導通，低電平截止，右側(cè)與USART1一起組成一組下載控制口，所使用的上電控制順序為：USART1＿BOOT0高電平，USART1＿BOOT1低電平，USART1＿VCC高電平啟動引導程序并完成ISP下載，下載完成后USART1＿VCC設(shè)置為低電平，然后再設(shè)置USART1＿BOOT0為低電平，USART1＿BOOT1低電平，USART1＿VCC高電平啟動應用程序。

圖2 MOS管控制組電路圖

由于串口不可以一對多組網(wǎng)通信，因此，每個器件均需獨立的串口進行通信。本設(shè)計的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

本設(shè)計使用點陣顯示屏作為人機顯示接口，用于顯示燒錄文件名稱、被燒錄器件的芯片型號、可燒錄器件數(shù)量以及燒錄狀態(tài)等信息。顯示屏全部采用中文化菜單和提示信息，支持中英文混合顯示。同時采用5個獨立的三色LED，用于提示燒錄的進程，對應的燒錄口燒錄過程中顯示黃色，燒錄成功時顯示綠色，燒錄失敗時顯示紅色，同時使用蜂鳴器在燒錄結(jié)束時進行鳴叫提示，從而可以增加操作的直觀性和易用性。

按鍵可以用來啟動燒錄，設(shè)置燒錄參數(shù)，包含是否啟用讀保護、是否限制燒錄次數(shù)、是否啟用保密功能、是否自動設(shè)定硬件序列號以及設(shè)置序列號的起始編碼以及遞增規(guī)則，當啟用硬件序列號自動燒錄功能時，在芯片內(nèi)部flash指定地址寫入唯一編碼和硬件序列號。

圖3 燒錄器結(jié)構(gòu)框圖

SPI Flash用于存儲待燒錄二進制bin文件，可以存儲多個二進制bin文件，燒錄時通過按鍵選擇其中一個進行燒錄。燒錄器通過USB口與PC機通信，連接PC機時，燒錄器通過內(nèi)置軟件和對應的PC機驅(qū)動，把USB虛擬成一個串口，PC機上的專用軟件通過該虛擬串口，可以完成程序下載、燒錄參數(shù)設(shè)置等功能。系統(tǒng)供電可以使用5V直流電源適配器，也可以通過USB口的5V電源供電。

2.2 軟件算法處理流程

本設(shè)計的軟件流程如圖4所示，系統(tǒng)上電后，首先進行初始化，然后等待USB口消息和按鍵消息，通過USB口上位機可把待下載的二進制文件下載到下載器板載的SPI Flash存儲器上，同時設(shè)置待下載文件對應下載配置參數(shù)，包含起始地址、可下載最大次數(shù)、是否啟用讀保護等參數(shù)。每個下載文件和對應的配置參數(shù)均單獨保存，使用按鍵選擇對應的下載文件后，與之相關(guān)的配置參數(shù)也自動調(diào)取并顯示。如果需要更改待下載參數(shù)，也可以通過按鍵修改并保存。燒錄器選擇好下載文件和下載配置參數(shù)后，即可以啟動一鍵下載。一鍵下載啟動后，每個下載端口對應的MOS開關(guān)組同時打開，然后5路串口依次發(fā)送版本讀取命令0x01，得到應答后，該端口置為有效，否則置為無效，顯示屏上對應組號顯示“未發(fā)現(xiàn)可燒錄芯片！”。對于有效的端口，LED亮黃燈，然后依次發(fā)送芯片ID讀取命令，獲取待下載芯片的ID并在液晶屏顯示，然后根據(jù)待下載文件大小和起始地址，擦除待占用的芯片內(nèi)部flash，擦除完成后，從SPI Flash讀取下載文件內(nèi)容，并依次寫入有效端口連接的芯片。下載完成后，自動進行讀取校驗功能，即把已下載的程序全部讀取出來并和待下載文件比較，如果比較結(jié)果正確無誤，說明下載已成功，此時LED亮綠燈，蜂鳴器響1聲；如果校驗出錯，說明下載失敗，此時LED亮紅燈，蜂鳴器連響2聲。無論下載失敗還是成功，下載結(jié)束后，均判斷是否關(guān)機，如果不關(guān)機，則自動回到等待USB響應和按鍵響應。

圖4 軟件功能流程圖

3 編程器性能測試

為了提高燒錄速度，STM32F302RBT6單片機的5個串口均使用中斷發(fā)送和接收，SPI Flash啟用DMA讀取，從而SPI Flash讀寫和5個串口的接收均可以并行執(zhí)行。即首先啟用SPI Flash DMA讀取，待DMA讀取256字節(jié)完成時，再啟用5個串口中斷發(fā)送，然后在串口發(fā)送的同時再次啟用SPI Flash DMA讀取，待DMA讀取256字節(jié)完成時，判斷串口發(fā)送中斷標志是否置位，如果中斷標志有效則啟用再次啟動串口中斷發(fā)送，否則等待串口發(fā)送完成中斷，從而可以大大提高并行處理性能，提高系統(tǒng)效率。

為了驗證本設(shè)計的高效率特點，特意選用市面上常用的3種下載方式進行對比測試，即J－link，ST－link，脫機SW燒錄器，這3種燒錄器的共同點是全部采用SWD接口，需要在硬件電路設(shè)計時預留燒錄口才能使用。本設(shè)計采用USART接口，不占用系統(tǒng)IO口資源，程序下載完成后可以用于通信口。本測試使用50k二進制bin文件分別進行擦除、編程和校驗測試測試，測試數(shù)據(jù)見表1。其中J－Link和ST－Link均采用PC機做主機，和PC的整體響應速度相關(guān)，由于J－Link比ST－Link的速度高，因此在時間上用時較短。SWD脫機燒錄器，由于響應較快，因此用時最少。本設(shè)計一次性燒錄5片，平均每片只需3.86s。

從數(shù)據(jù)可以看出，由于本設(shè)計采用的STM32 F302RBT6具有靈活的DMA處理和多串口中斷處理機制，通過中斷觸發(fā)和DMA操作，大大提高了系統(tǒng)的并行處理速度，從而實現(xiàn)編程5片比編程1片僅僅多用時3.4s，同時該MCU采用支持DSP和FPU指令，在提示并行下載速度的同時，確保了液晶屏得以流暢刷新顯示。使用本文設(shè)計的編程器，如果算上裝夾時間，最快在30s內(nèi)就可以燒錄5片單片機，可以大大提高生產(chǎn)效率。

表2 燒錄器時間參數(shù)

4 結(jié)語

該燒錄器支持STM32全系列單片機，可以實現(xiàn)一對五脫機編程，一鍵下載和加密保護功能在大大提高了生產(chǎn)效率同時也提高了程序安全性。其燒錄方便，操作簡單，可以滿足生產(chǎn)線批量燒寫需求，并且只需使用USART接口，燒錄完成后，USART可以被應用程序再次使用，不浪費任何單片機資源。本方案在解決原廠提供的燒錄軟件不足的同時，也為推廣高性價比的STM32系列單片機提供了便利。

［1］陳晨，董為云.基于STM32的 USB通信程序設(shè)計［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2014（1）：266.

［2］鄧國榮.基于STM32SPI接口的M25P80FALSH的驅(qū)動程序設(shè)計與實現(xiàn)［J］.機電信息，2013（6）：144－145.

［3］ST.USART protocol used in the STM32bootloader［EB／OL］.［2014－06－27］.http：／／www.stmcu.org／document／download／index／id－208524.

［4］ST.STM32F301x6／8and STM32F318x8advanced ARM－based 32－bit MCUs［EB／OL］.［2014－06－23］.http：／／www.st.com／st－web－ui／static／active／en／resource／technical／document／datasheet／DM00094064.