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说明
多接口仿真编程器 技术领域
本发明属于微处理器应用领域，具体涉及一种微处理器仿真、编程、脱机程序下载的仿真编程器。
背景技术
目前微处理器市场百花齐放，比如ARM、 AVR、 PIC、 8051、 MSP430等等，极大推动了电子产品智能化。 然而各个微处理器生产厂家通常会制定独特的仿真、编程方法，导致每选用一种微处理器都需要购买配套 的仿真器。大部分仿真器必须连接计算机使用，不便产品的批量生产。有的产品售后阶段需要现场升级软 件，需要能脱机工作的便携式编程器，称为ISP(在系统编程)和IAP(在应用编程）。目前微处理器、可编 程器件仿真编程设备各自为政，导致用户重复投资等情况。
JTAG 口是用于微处理器仿真，编程的国际标准，被主流单片机ARM、 AVR、 MSP430等所支持。JTAG 口 与SPI 口相类似，而Atmel的AVR和8051均可通过SPI 口进行ISP编程。
JTAG 口可以通过计算机的并口，附加简单的电平缓冲转换而成。目前主流的微处理器厂家均推出有并 口型的简易JTAG仿真器。
ISP编程和IAP编程目前的主流做法是通过USART (通用同步/异步收发器）。USART与RS232接口 、串 口基本上是同一个概念，具有软硬件实现成本低的特点。应用历史悠久。 USB接口是目前计算机的主流外设接口 ，己逐步取代传统的并口和串口 。
发明应用过各种微处理器，提出本发明也因在实践中，常为没有价格合理、功能满足要求的仿真、编 程设备发愁。以下是几点基础的观察结论：
1、 JTAG 口是主流的微处理器仿真、编程接口。如附图l中，JTAG有如下几个特点：
i. 可以对外供电，且有9根信号线可供使用，这为外接各种转接器提供了条件。
ii. 通过适当的电平匹配电路，JTAG 口可适应1.8〜5.5V的目标系统电平，涵盖TTL、 CMOS 等电平。
iii. JTAG接口与SPI相兼容。 iv. JTAG口有20条接线，转接器插在上面有一定机械附着力。
2、 市场上对应各种微处理器都有并口型的JTAG仿真编程器，作为最"经济"的开发方式，只要设备 支持USB-并口转换功能，就拥有了许多配套的软件资源。比如H-JTAG、Wigger、ISP、MSP-FET430PIF 等。问题是现在计算机带并口的越来越少。
3、 RS232/USART串口的形式由于成本低廉，为绝大部分微处理器的ISP、 IAP所支持。很多微处理器 都固化了ISP程序，只要复位后满足一定条件，就会进入ISP程序运行，这时通过串口就可以把 程序烧录到微处理器中。也可以通过JTAG 口烧录一个BootLoader到目标微处理器FLASH中，使 目标微处理器能支持ISP/IAP。
4、 有的微处理器支持多种下载、仿真方式，但有的方式不是保证能用的。比如philips的LPC21xx 系列arm， JTAG 口有可能被用户程序禁止，此时只有通过串口 ISP擦除芯片才能恢复JTAG仿真功 能。而很多芯片由于串口 ISPBootLoader程序是存储在FLASH中的，被意外擦除后串口 ISP功能 被禁止，只能通过JTAG重新写入串口 ISP BootLoader程序。
综合以上几点，本发明提出的仿真编程设各集联机仿真、脱机下载于一体，集JTAG、串口接口于一体， 且成本不高。
发明内容
本发明提出一种多接口、多功能、可升级、低成本的仿真编程设备。 一站式满足微处理器选型、开发、 生产、售后升级各个应用阶段对仿真编程工具的需求。
本发明规划的仿真编程设备结构如附图2:
3本发明由控制单元101、 USB接口 102、显示屏103、键盘104、 JTAG接口 105、内部存储器106、电 池107、电源电路108、串口 109等几个主要部分及其间的衔接电路组成。DB9串口转接器201、 SD卡适配 器301、 RS485接口转换器401等作为设备的扩充部分，为可选件。
控制单元101运行设备的基本管理程序和针对具体应用功能的应用软件。
USB接口 102为标准的USB插座，有USB-B型和miniUSB-B型。
显示屏103、键盘104为人机接口。
JTAG接口 105是本发明的基本仿真编程接口。其引脚功能除标准JTAG功能外，可复用、重定义为 TTL/CMOS电平的SPI、 USART等等接口 。
内部存储器106是本发明的主要信息存储器。与控制单元的芯片存储器互为补充。
电池107和电源电路108提供整个设备的工作电源。
串口 109是RS232电平的DB9接口，可免去外接DB9串口转换器201的麻烦。
DB9串口转换器201是最基本的可选配件。在不接DB9串口转换器时，JTAG 口本身就可支持TTL/CMOS 电平的串口。 DB9串口转换器201使本发明兼容计算机串口。并可作为US B—串口转换器使用。 SD卡适配器301是外接SD卡等外部存储器用的，可以脱离计算机更新设备内部的信息。 RS485接口转换器401用来通过485接口对微处理器进行ISP和IAP编程。RS485接口也是经常使用 的接口。
本发明中的设各管理程序存在于控制单元的控制芯片的程序存储器中，复位后首先运行。应用程序指 实现某一种具体功能，比如模拟USB-并口转换器、模拟USB-串口转换器、支持NXP的LPC21xx系列微处 理器的ISP下载、支持atmel的avr系列微处理器的ISP下载等等，由设备管理程序调用或装入运行的一 段独立代码。可从计算机通过USB下载到设备中，也可通过外接SD卡读入，存储在内部存储器或控制单 元芯片中。如果某一应用程序有新版本，可以升级。不需要的应用程序可以删除，以节省空间。也可以开 放相关编程接口给用户后，由用户自行编写应用软件。针对某一特定功能，比如AVR的ISP下载，可以同 时存在多个版本的应用程序。
当然，设各管理程序本身也是可以升级的，也是一段程序代码，与应用程序没有本质区别，它本身也 可分为引导程序Bootloader和管理、设置部分程序。只是由于本发明是多功能设备，就把系统启动后到 进入实现某一种具体功能的代码之前的代码称为设备管理程序。
根据设置，设备管理程序可以在启动后停留在设备管理状态、运行缺省的应用程序、运行上一次的应 用程序等。
采用带OTG功能的USB芯片作为控制单元主芯片，如ATMEL的AVR32 UC3B系列芯片，则设备可以支 持USB产品的DFU脱机程序更新下载功能。采用外接SPI接口的USB HOST芯片如MAX3421E，做成外接USB DFU接口卡，也可达到支持DFU的效果。具体选用可以从成本和需求上考虑、选择。
由于釆用了合理的程序结构，使本发明成为微处理器应用的一站式解决工具，由于兼容多种芯片，在 微处理器的选型阶段，不会由于选用不同芯片而面临购买多种开发工具的苦恼；微处理器开发过程中，本 发明拥有JTAG仿真功能和串口 ISP功能，且可以扩充各种接口，可以完善的解决微处理器仿真编程的难 题；生产过程中，本发明可以脱离计算机对微处理器进行烧录编程，节省用户设备费用；很多产品售出口 需进行软件升级，本发明可以解决现场升级问题。本发明成本不高，功能强大灵活，可以预见在微处理器 应用领域有广阔的市场。
附图说明
附图1 附图2 附图3 附图4
标准JTAG接口的引脚功能定义图； 本发明的主要组成部分结构示意框图; DB9串口转换器的内部示意框图； SD卡适配器的内部示意框图；附图5: RS485接口转换器的内部示意框图；
所有附图方块之间连线不仅表示信号连接，还表示中间衔接电路。
具体实施方式
控制单元101可以采用带USB接口的单颗微处理器芯片如LPC2148、 AT91SAM7S64等，也可以采用独 立的USB芯片如FT232R再加不带USB接口的芯片。为达到可更换应用软件以适用各种微处理器的目的， 可采用在控制芯片的SRAM中运行应用软件的方式，此时控制芯片的FLASH ROM程序存储器内常驻有设备 管理程序；也可把FLASH ROM分成常驻设备管理程序部分和应用软件部分，由于目前的微处理器芯片FLASH 擦写次数均超过l万次，可分区擦写，完全满足设备的使用要求。而且应用软件通常占用空间不大，可以 在应用软件部分同时放置几个应用程序，进一步减少更换应用程序对FLASH的擦写次数。
USB接口 102信号线可以直接接到控制单元101去，也可加上USB接口 ESD保护芯片，以免插拔动作 时损坏控制芯片。
显示屏103最好采用点阵显示屏，以提供菜单操作指示，适应本发明功能比较复杂的特点。键盘104 可复杂可简单，与点阵显示屏显示的菜单系统结合使用。加入语音、提示音发声功能，可提供更理想的人 机交互体验，以提高生产力。甚至可以用语音功能代替显示屏，以降低设备成本和减小设备体积。
JTAG接口 105可采用20PIN的标准JTAG插座，对于标准JTAG未使用的脚位，也可以连接出去，以方 便扩展各种功能的转接头。也可采用DB25等形式的插座，只是配套的连接线需要跟着改变。甚至可以采 用并口的脚位定义。这样设备还可以变成一个USB-并口转换器。
为适应目标系统的各种情况，特别是电源电压从1.8V到5.5V都是微处理器使用电源电压范围，JTAG 接口需要增加电平适应电路。在互联网上可找到很多仿真开发工具内部的参考电路。比如,.ti.com上 SLAU138G应用笔记包含MSP430 USB接口仿真器的原理图，其可实现1. 8V到3. 6V的电平匹配，可作为参 考。
由于JTAG 口经常会插拔，而且目标系统存在各种错误电压的可能，JTAG接口的保护电路也是很重要 的。现在市场上的仿真器在这方面都做得很完善了。实施本发明的过程中多借鉴即可。
至于JTAG 口与TTL/CMOS电平的SPI/USART功能复用，既可使用模拟开关芯片实现，又可利用现在的 微处理器的IO本身就可以灵活的设置为特殊功能10/通用10 口的特性来实现。比如TCK是JTAG接口的时 钟输出脚，可以用控制芯片的SPI 口的SCK来实现，如果这个脚又定义为USART的TXD发送脚，则在电路 上可以将控制芯片的SCK脚和RXD脚都连到TCK脚，然后在定义为JTAG 口时，使能控制芯片的SPI模块， 将TXD定义为输入态的通用10，两者就不会冲突了。有的功能可以通过软件用通用IO得以实现，比如串 口、 SPI 口都可以用软件模拟。
内部存储器106作为设备的存储器，主要存储应用程序、需下载到目标微处理器的代码数据等。汉字 点阵字库也可以存储在其中。 一般采用FLASH存储器，比如NOR FLASH AT45DB161, NAND FLASH K9F5608 等。采用NAND FLASH的话，不如采用SD卡，目前市场上SD卡非常便宜。如果需要发声提示，语音也可 以存储在SD卡上，再通过控制单元的PWM或DAC功能作DA转换，信号经滤波后送到音频功放芯片即可驱 动扬声器发声。如果仅仅采用音调提示，则用蜂鸣器就可以了。
电池107和电源电路108提供整个设备的工作电源。当USB 口连接到计算机吋，设备从USB获得电源， 如果电池使用充电电池的话，同时还可以对电池充电。当USB 口未连接到计算机时，设备由电池供电，以 方便野外作业。内外的电源的切换用二极管即可实现。目前市场上有从市电直接转换成+5VUSB电压的电源 适配器，也可以代替计算机USB作为本发明的供电电源。电源的稳压，既可以采用开关稳压，也可以采用 线性稳压。电池处可加电源开关，图中未画出。
串口 109内部就是一颗或几颗TTL电平-RS232电平的转换芯片和外围器件。
DB9串口转换器201是最基本的可选配件， 一头插在JTAG 口上， 一头是标准的DB9插座，同计算机的 串口保持一致。内部就是一颗或几颗TTL电平-RS232电平的转换芯片和外围器件。比如MAX202、 MX3238 等芯片。转换器的供电由JTAG 口取得。串口的RI、 DCD输入也可以采用分立器件进行电平转换，以节省 成本。由于实践中串口使用频率高，RS232电平的DB9串口转换器也可做进设备，而不是通过JTAG 口扩充。SD卡适配器301内部只需一个SD卡座和一些外围器件就可以了 。因为SD卡读写有SPI模式， 一般嵌 入式系统读写SD卡也都是用SPI模式读写。
RS485接口转换器401内部就是一颗TTL电平-RS485电平的转换芯片和外围器件。比如MAX485等芯 片。转换器的供电由JTAG 口取得。
下面对设备的软件编程作一些简要说明，软件具体编程并不在本发明内容之中：
1、 软件包含一个基本的设备管理程序，显示一个主菜单。通过选择主菜单作各种设置及进入各种应 用模式。
2、 比如选择USB-并口-JTAG转换器功能，就可以模拟市场上现有的各种并口型JTAG仿真编程设备， 比如 H-JTAG 、 AVR-ISP 、 PonyProg2000 、 MSP-FET430PIF 等。链接 hUp:〃爾-user, tu-che咖itz. de/lieha/bgLStelecke/Ru威20咖呢20den呢20PC/USB2LPT/index. h tml. en列出了一个开源的USB-并口转换器。可以供开发本设备时参考、借鉴。
3、 选择USB-串口功能，设备可以在计算机内虚拟出一个串口。而且插与不插DB9串口转换器201, 可以分别获得RS232电平和TTL电平的接口。如设备有独立的串口，则可虚拟出2个串口。
4、 存储器中所有信息均可加密，以保护用户知识产权或技术秘密。
5、 其他功能可以包括从计算机下载支持新目标微处理器的应用程序，下载、上载目标代码等，均可 通过菜单实现。
当然，由于本发明的目标是支持大部分微处理器，本发明的软件编程工作量是比较大的。但是本设备 被设计成可下载、新增针对特定微处理器的应用程序，大大方便了设备程序开发、升级。产品上市之初可 以先支持主流的几种微处理器，后续再增加支持种类。甚至可以开放相关编程接口给用户后，用户自行编 写应用软件。有的微处理器新上市，则可以发布应用程序，以前购买的本设备也可以支持新微处理器了。 |
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雷达卡
发表于 2016-8-29 20:26:00
显身卡
