李菁，趙龍飛，凌霄

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所北京100076）

在英飛凌16位/32位控制器的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，比較通用的方法是利用仿真器通過(guò)14針腳的JTAG端口對(duì)控制程序進(jìn)行在線調(diào)試與加載，該方法在硬件測(cè)試及軟件調(diào)試階段非常方便，但著眼于現(xiàn)有車(chē)載控制器機(jī)械外形，外接的有限接插件端子數(shù)便成為制約控制器性能的一個(gè)重要因素，如預(yù)留多個(gè)端子專(zhuān)供JTAG口程序加載，會(huì)造成控制器資源的巨大浪費(fèi)，此時(shí)利用端口復(fù)用技術(shù)便成為解決此類(lèi)問(wèn)題的關(guān)鍵。

文中以16位的XC164單片機(jī)為例，設(shè)計(jì)并改進(jìn)了一種利用UART串口協(xié)議對(duì)其進(jìn)行程序加載的方法，該方法也稱(chēng)為BSL工作模式下的程序加載，它通過(guò)特定的引腳與PC主機(jī)進(jìn)行通信，采用標(biāo)準(zhǔn)的UART協(xié)議完成數(shù)據(jù)傳輸，從而完成控制器的程序下載功能。該方法硬件接口簡(jiǎn)單，并可復(fù)用為RS232/RS422接口，功能可靠，已在實(shí)際調(diào)試中取得良好效果。

1 XC164單片機(jī)的BSL模式簡(jiǎn)介

BSL（Bootstrap loader）是英飛凌單片機(jī)的內(nèi)嵌引導(dǎo)程序加載器提供的一種加載啟動(dòng)程序的機(jī)制，用于標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)啟動(dòng)。XC164系列單片機(jī)可支持3種協(xié)議/模式的BSL啟動(dòng)機(jī)制：標(biāo)準(zhǔn)UART協(xié)議，同步串行協(xié)議和CAN總線協(xié)議。不論哪種協(xié)議/模式，XC164系列單片機(jī)加載程序的處理方式是相同的。其中UART協(xié)議是實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間低速數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，是一種異步串行通信協(xié)議。

1.1 基于UART協(xié)議的BSL引導(dǎo)程序

引導(dǎo)程序加載器是通過(guò)預(yù)先定義好的一組接口引腳與外部主機(jī)通信的，BSL啟動(dòng)模式下，這些接口引腳被自動(dòng)使能，并由引導(dǎo)程序加載器控制。XC164根據(jù)外部引腳設(shè)置，上電復(fù)位后進(jìn)入BSL模式，同時(shí)禁止看門(mén)狗定時(shí)器和調(diào)試系統(tǒng)，在與PC機(jī)建立通信之后，BSL進(jìn)入到下一個(gè)循環(huán)中，接收相應(yīng)個(gè)數(shù)的字節(jié)，這些字節(jié)從地址E0'0000H開(kāi)始順序保存到片上PSRAM中。加載的代碼可能是最后的應(yīng)用代碼或是其他更為復(fù)雜的程序，該加載程序添加了傳送協(xié)議，從而增強(qiáng)了加載代碼或數(shù)據(jù)的一致性，還可能包含改變系統(tǒng)配置并使能總線接口，從而將接收到的數(shù)據(jù)保存在外部存儲(chǔ)器中的代碼序列。為了執(zhí)行加載的代碼，之后BSL使寄存器VECSEG指向地址E0'0000H，即要加載的第一條指令處，然后跳轉(zhuǎn)到該指令。

1.2 BSL模式下XC164與PC機(jī)的UART通信時(shí)序

XC164與PC機(jī)的硬件連接原理性框圖如圖1所示，通過(guò)PC的串行端口，經(jīng)RS232/RS422總線將加載程序發(fā)送給XC164單片機(jī)，通過(guò)引導(dǎo)程序加載到芯片的FLASH中，完成控制器的程序下載功能。

圖1 XC164與PC機(jī)的硬件連接圖

標(biāo)準(zhǔn)UART引導(dǎo)程序加載通過(guò)USIC0通道0（UOCO）將程序代碼/數(shù)據(jù)傳送到PSRAM中。發(fā)送ID字節(jié)之后才能使能U0C0接收與主機(jī)進(jìn)行半雙工連接。在標(biāo)準(zhǔn)UART引導(dǎo)模式中，通信“握手”數(shù)據(jù)使用了不帶奇偶校驗(yàn)的異步8位數(shù)據(jù)幀（1個(gè)起始位，1個(gè)停止位），其通信時(shí)序如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)UART引導(dǎo)程序加載時(shí)序

XC164進(jìn)入U(xiǎn)ART BSL模式并完成相應(yīng)的初始化之后，XC164掃描RXD線，接收一個(gè)零字節(jié)。零字節(jié)被認(rèn)為是包含1個(gè)起始位，8個(gè)0數(shù)據(jù)位以及1個(gè)停止位。在該零字節(jié)傳送期間，XC164以當(dāng)前CPU時(shí)鐘為單位，計(jì)算相應(yīng)的波特率因子，相應(yīng)的初始化串行接口U0C0并將引腳TXD切換到輸出，使用該波特率，向提供加載數(shù)據(jù)的主機(jī)返回一個(gè)ID字節(jié)。一旦發(fā)送ID字節(jié)，BSL進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，通過(guò)U0C0接收用戶數(shù)據(jù)。

1.3 BSL通信波特率設(shè)置

XC164系列單片機(jī)允許用戶在很寬的波特率范圍內(nèi)進(jìn)行引導(dǎo)程序加載操作，但為了確保正確的數(shù)據(jù)傳送操作，用戶波特率的設(shè)置必須滿足上限和下限的要求。XC164使用位域PDIV測(cè)量第一個(gè)零字節(jié)的長(zhǎng)度。量化誤差使得測(cè)量值可能與實(shí)際波特率有一定偏差。為了正確從主機(jī)向XC164傳送數(shù)據(jù)，U0C0內(nèi)部初始化波特率和主機(jī)的實(shí)際波特率之間的最大偏差應(yīng)該低于2.5%。可根據(jù)式（1）計(jì)算XC164的波特率與主機(jī)波特率之間的偏差（FB，百分?jǐn)?shù)）

注：函數(shù)（FB）不考慮振蕩器和其他支持串口通信的器件的容差。

該波特率偏差是一個(gè)非線性函數(shù)，和系統(tǒng)時(shí)鐘以及主機(jī)波特率有關(guān)。由于較小的波特率預(yù)分頻因子容易導(dǎo)致較大的量化誤差，因此函數(shù)（FB）的最大值隨主機(jī)波特率增加而增大，如圖3所示。

圖3 主機(jī)與XC16X之間的波特率偏差

測(cè)量零字節(jié)時(shí)，最小波特率BLow由位域PDIV最大計(jì)數(shù)能力決定，取決于系統(tǒng)時(shí)鐘，低于BLow的值會(huì)導(dǎo)致PDIV溢出，U0C0不能被正確初始化，可能導(dǎo)致與PC機(jī)通信失敗。最大波特率BHigh是指未超過(guò)偏差極限的最高波特率。主機(jī)與XC164單片機(jī)建立通信時(shí)，通信波特率的設(shè)置最好在BLow和BHigh之間選取。

標(biāo)準(zhǔn)UART加載模式下，最小波特率BLow為2.4 K，BHigh為19.2 K。

2 基于串口協(xié)議的程序燒寫(xiě)方法的硬件實(shí)現(xiàn)

單片機(jī)選用型號(hào)SAK-XC164CS-32F40F，總線協(xié)議收發(fā)器選用MAX1490EBEPG，單片機(jī)配置引腳如圖4所示，信號(hào)EX_DL連同RS422的4條總線信號(hào)一起被引出控制器接插件，作為控制器的BSL模式配置端口和RS422通信端口，當(dāng)EX_DL通過(guò)開(kāi)關(guān)切換至低電平時(shí)，單片機(jī)復(fù)位后進(jìn)入BSL加載模式；切換至高電平時(shí)，串口僅作有RS422通信功能。

圖4 單片機(jī)XC164 BSL加載模式配置引腳

UART BSL程序加載是通過(guò)特定的端口進(jìn)行的，串口與XC164的硬件連接如下圖5所示，MAX1490是RS422收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與422總線間的電平轉(zhuǎn)換，XC164的P3.10和P3.11既可以用于串口加載程序和RS232/RS422通信，也可以復(fù)用普通IO端口。

串口協(xié)議的引導(dǎo)程序加載功能可以通過(guò)Memtool實(shí)現(xiàn)。Memtool是英飛凌提供的免費(fèi)下載軟件，可以對(duì)目前英飛凌單片機(jī)所有產(chǎn)品進(jìn)行編程，包括片內(nèi)存儲(chǔ)器編程和外部Flash編程。Memtool 4.2軟件的主界面如圖6所示，選擇菜單欄“Target”菜單下的“Change”欄，在XC16X系列中配置具體的目標(biāo)芯片，串口使用的波特率115200和COM端口。

圖5 串口總線與單片機(jī)的硬件連接

圖6 Memtool 4.2軟件主界面

Memtool軟件配置完成后，控制器重新上電復(fù)位，點(diǎn)擊“connect”，XC164芯片則進(jìn)入引導(dǎo)程序硬件初始化和與PC主機(jī)建立通信的階段，通信建立的實(shí)測(cè)時(shí)序如圖7所示。從圖6中可看出，PC主機(jī)向控制器發(fā)送10位的0字節(jié)，每位占據(jù)時(shí)間約10 μs，由此計(jì)算出波特率為115 200，與設(shè)置值相符合，之后控制器向PC主機(jī)發(fā)送D5H的ID字節(jié)，每位時(shí)間也為10 μs，波特率相同。通訊建立完成后，用戶程序的加載可以通過(guò)“Program”實(shí)現(xiàn)。

圖7 XC164與PC機(jī)建立通信實(shí)測(cè)時(shí)序

3 影響串口程序加載的因素及改進(jìn)

RS422標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了收發(fā)器門(mén)限為±200 mV，這樣規(guī)定能夠提供比較高的噪聲抑制能力。當(dāng)接收器正端（A）電平比負(fù)端（B）高+200 mV以上時(shí)，輸出為正邏輯，反之，輸出為負(fù)邏輯。但由于第三態(tài)的存在，即總線空閑時(shí)沒(méi)有任何信號(hào)驅(qū)動(dòng)總線，使AB之間的電壓在-200 mV～+200 mV直至趨于0 V，這帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題：接收器輸出狀態(tài)不確定。MAX1490收發(fā)器本身解決了這個(gè)問(wèn)題，當(dāng)總線空閑時(shí)，MAX1490通過(guò)自身的內(nèi)部電路，將總線驅(qū)動(dòng)為高電平狀態(tài)。

RS422通信為避免長(zhǎng)線信號(hào)傳輸時(shí)信號(hào)的反射和回波，一般在信號(hào)接收端接入終端匹配電阻，典型值為120 Ω。但這樣做有可能引入一種后果，當(dāng)總線上有超過(guò)-200 mV的雜波電平干擾時(shí)，接收器輸出為低電平，如果雜波的干擾電平一直未達(dá)到+200 mV以上，則接收器的輸出就一直為低電平，XC164芯片則進(jìn)入引導(dǎo)程序硬件初始化后接收不到0字節(jié)（因?yàn)榭偩€一直被驅(qū)動(dòng)為低），與PC主機(jī)不能成功建立通信，從而導(dǎo)致程序燒寫(xiě)失敗。

雜波電平干擾問(wèn)題可以通過(guò)設(shè)置適宜的偏置電阻解決，偏置電阻可以加在下載工裝電纜中，控制器接插件引出電源是24 V，所以偏置電阻阻值的計(jì)算是根據(jù)24 V電源來(lái)計(jì)算的，偏置電阻添加的目的是在總線空閑狀態(tài)下，匹配電阻120 Ω上的分壓達(dá)到+200mV以上。改進(jìn)后的硬件電路圖如圖8所示。

圖8 工裝電纜的改進(jìn)

4 結(jié)論

基于串口協(xié)議的程序燒寫(xiě)方法充分利用了英飛凌flash系列芯片所提供的BSL功能，硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以與RS422通信接口復(fù)用，不占用控制器有限的接插件資源，程序下載無(wú)需額外的下載器，減少了控制器的生產(chǎn)成本，簡(jiǎn)化了控制器生產(chǎn)流程。改進(jìn)后的串口協(xié)議程序燒寫(xiě)方法成功解決了串口燒寫(xiě)失敗的問(wèn)題，該方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于控制器的批產(chǎn)工作中。

[1]張立強(qiáng)，宋玲，劉寶娟.JTAG并口下載設(shè)計(jì)[J].微處理機(jī)，2013（1）：280-285.

[2]鄔子?jì)?，步鑫，任齊鳳.邊界掃描JTAG控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].航空電子技術(shù)，2016，1（7）：31-34

[3]姚海濱，高磊，黃貴晨.RS232串口直連線與交叉線可變裝置[J].黑龍江科技信息，2016（5）：106.

[4]孫慧強(qiáng).基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)串口通信研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2016（3）：24.

[5]HuiZhao，Tiejun Xiao，Xiaoru Han.The Application of Boundary-Scan Technology to FPGA-Based ExperimentSystem：The Ninth International Conference on Electronic Measurement&Instruments[C]//Beijing，China，2009：2629-2632.

[6]Wen-Cheng Hsieh.U-BootPorting And Implementation On Embedded System[M].National Taiwan University of Science and Tecnology，NTUST Library，2005：8-15.

[7]崔旭晶，李天雷.基于SOPC的UART IP核設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)及系統(tǒng)移植[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014（6）：121-125.

[8]鄧偉.徐揚(yáng)婧.基于SOPC技術(shù)的異步串行通信IP核的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（3）：185-188.

[9]夏柯.門(mén)蘭寧.基于ZYNQ-7000 DMA控制器的UART數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].信息化建設(shè)，2014（9）：113-114.

[10]黃毓芯.基于FPGA的UART電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電技術(shù)，2014（4）：33-35.

[11]劉浩淼，卞樹(shù)檀.基于CPLD的RS 422串口通信實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011（12）：153-155.

[12]李洋洋，吳武臣.基于斷言的驗(yàn)證方法在UART模塊中的應(yīng)用研究[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2012（1）：151-153.

[13]孟敬，王冬青，姜璐璐，等.基于單片機(jī)的CAN/UART協(xié)議轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)[J].青島大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（12）：38-42.

[14]桂桂，李吉.王珍.基于UART的AVR和FPGA 的通信設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)，2013（11）：44-46.

[15]薛志遠(yuǎn)，朱浩，張鐵軍.一種基于串口通信的DSP調(diào)試平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2013（12）：151-154.