SI-PROG编程器的工作原理及其程序设计

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摘 要：
介绍SI-PROG编程器的工作原理，利用PC机串口UART芯片实现单片机的ISP下载。PC机串口8250芯片中SOUT，DTR，RTS，CTS四个引脚的电平可通过其内部的几个寄存器分别进行控制或读取，利用引脚可实现单片机的ISP下栽。介绍了8250与单片机之间通信信号的逻辑关系以及电平转换，分析了接收器的阈值电压的特点，给出了使用SI-PROG编程器的条件。
最后，以AVR单片机为例介绍了下载程序设计。结果表明，利用PC机串口UART芯片可以实现对AVR单片机的ISP下载，其硬件电路和软件设计都很简单。
关键词：S1-PROG编程器；程序设计；UART；AVR单片机
SI-PROG编程器为PonyProg 2000软件中使用的一种ISP编程器，该编程器利用PC机串口电路的异步通信控制器UART实现AVR，PIC，AT89等单片机的ISP编程。虽然该编程器不为Atmel的AVRStudio所支持，但是其硬件电路简单，成本低，便于制作，适于初学者进行学习和简单开发。下面以AVR单片机为例，介绍SI-PROG编程器的工作原理及其程序设计。
SI-PROG编程器的工作原理
1．1 电路组成
图1为SI-PROG串口编程器的工作原理图。电路分为PC机串口电路、SI-PROG编程器和目标机3部分。编程器通过9针D型连接器DB9与PC机串口连接，通过10针连接器J1与目标机连接，电路在文献[4]的基础上做了适当的简化。J1引脚定义与Atmel的STK200下载线相同。

1．1．1 PC机串口电路及SI-PROG编程器
PC机串口电路由U1～U4组成。8250(U1)为异步通信控制器UART，SN75150(U2，U3)为驱动器，SN75154为线接收器。U2，U3，U4实现8250引脚上TTL电平与串口DB9上RS 232电平转换。SI-PROG编程器则完成DB9上RS 232电平与目标机上TTL电平的转换。
1．1．2 串行SPI接口
编程器通过目标机的SPI接口对其片内的FLASH程序存储器进行下载编程。SPI接口由SCK，MOSI和MISO等几条信号线组成。下载编程的过程实际上是PC机与AVR的通信过程。两者的关系是一种主从关系，PC机为主机，AVR为从机。主机经MOSI引脚将串行数据发给从机，从机经MISO引脚将数据返回给主机。SCK为串行时钟脉冲，由主机发往从机。主机通过SCK脉冲控制与从机的数据传输。图2为串行下载编程时序图。单片机在SCK上升沿读取MOSI上的数据位，在SCK下降沿输出数据位到MISO。
                           
1．2 信号的逻辑关系
由图1可见，8250的11，33，32，36四个引脚分别通过编程器与AVR的RESET，MOSI，SCK，MISO相连进行通信。这4个引脚的电平可通过8250内部的3个寄存器进行设置或读取，如图3所示。3个寄存器依次为线路控制寄存器(LCR)、Modem控制寄存器(MCR)和Modem状态寄存器(MSR)。对于串口1，3个寄存器的端口地址一般为3FBH，3FCH和3FEH。LCR的SB位、MCR的DTR位和RTS位分别控制11，33，32三脚的电平。MSR的CTS位则反映了36脚的电平。

??? 下面分析8250与AVR通信信号间的逻辑关系。为了避免引起混乱，这里全部采用正逻辑描述。
1．2．1 RESET与SB位的逻辑关系
线路控制寄存器LCR的D6位SB决定了8250的11脚的电平。当SB=1时，11脚被强制拉到低电平，DB9的3脚为高电平。当SB=O时，DB9的3脚为低电平。逻辑关系在Q1上又反相一次。因此，RESET信号与SB位的逻辑关系为：
RESET=SB (1)
编程时只要通过OUT指令改变SB位的值，就可以控制RESET端的电平。当8250复位后，SB＝0，RESET＝SB＝1，RESET引脚为高电平。
1．2．2 MOSI，SCK信号与DTR，RTS位的逻辑关系
MODEM控制寄存器MCR的D0位DTR控制着33脚的电平。置DTR＝1，则33脚DTR为低电平，是逻辑非关系。U3相当于非门，故MOSI信号与DTR位的逻辑关系为：
MOSI=DTR (2)
类似的，SCK信号与MCR的D1位RTS的逻辑关系为：
SCK=RTS (3)
1．2．3 CTS位与MISO信号的逻辑关系
MODEM状态寄存器(MSR)的D4位CTS反映了8250的36脚的电平，当CTS端为高电平时，CTS=O；反之CTS=1。CTS位与CTS端是逻辑非关系。因此，CTS位与MISO信号的的逻辑关系为：
CTS=MISO (4)
根据式(1)～式(4)，下载编程时，设置或读取AVR的RESET，MOSI，SCK，MISO脚的电平问题就变成通过I／O指令设置或读取8250内部寄存器的SB，DTR，RTS，CTS位的问题。
1．3 SI-PROG编程器的电平转换
根据RS 232标准，串口DB9上的两种电平分别为5～15 V和-5～-15 V。编程器电路采用分立元件实现DB9上的RS 232电平与AVR的TTL电平间的转换。
1．3．1 RS 232到TTL电平的转换
图1中，用限流电阻R3和4．7 V的稳压二极管Z2完成DB9的4脚上RS 232电平到J1的1脚上TTL电平的转换。5～15 V与-5～-15 V高低两种电平通过R3后将分别变成4．7 V和O V(实际为-O．7 V)，符合TTL电平的要求。
类似的，限流电阻R4和4．7 V的稳压二极管Z1完成DB9的7脚上RS 232电平到J1的7脚上的TTL电平的转换。
Q1，R1，R2接成反相器，DB9的3脚上的5～15 V与-5～-15 V两种电平分别使Q1处于饱和导通和截至状态，实现了RESET信号的电平转换。
1．3．2 TTL到RS 232电平的转换
TTL到RS 232电平的转换由SN75154线接收器实现。图4为SN75154的施密特电压传输特性曲线。
当阈值电压控制端T3接Vcc时，它工作在图4中曲线a状态，两个阈值电压分别为VIT-=-1．1 V和VIT+=2．2 V；当T3悬空时，它工作于图中曲线b状态，VIT-=-1．4 V，VIT+=2．2 V。显然，对于后一状态，MISO引脚上的TTL电平信号可以通过U4到达8250，而前一状态则无法通过U4。


根据文献[2]，长城0520 PC-XT机上SN75154的阈值电压控制端T3接到+5 V。这样，SI-PROG编程器就不能工作。计算机硬件发展到今天，UART-般均升级为16550，它与打印机并口、键盘控制器等电路一起集成于LPC芯片内，16550仍与8250相兼容。驱动器和接收器也都集成到一个芯片内，如75232，75185。这些芯片的接收器不再采用图4中曲线a那样的阈值电压，而改为与曲线b相接近的情况。表1为3台PC机阈值电压的实验测量结果。表中，典型值为芯片数据手册中的数据，实验值为实验测量结果。显然，3台PC机上，SI-PROG编程器都能正常工作。

2 下载程序设计
根据式(1)，用输出指令向3FBH端口写入40H，将使RESET端置低电平，写入00H，使RESET端置高电平；根据式(2)，式(3)。向3FCH端口写入数据，改变其D1位的数值，就可改变SCK端的电平，改变D0位的数值，即改变MOSI的电平；根据式(4)，用输入指令读取3FEH端口，读取字节的D4位为MISO返回的数据位。
根据AVR单片机的串行下载算法，发送串行编程指令的操作步骤为：进入串行下载模式；发送编程使能指令；执行所需的读、写等操作指令，可执行一条，也可执行多条；退出串行编程模式。
(1)进入串行下载模式。保持SCK端为低电平，给RESET端发送一个大于两个时钟周期的正脉冲，AVR单片机便进入串行下载模式。
(2)发送串行编程指令。根据图2，一个SCK时钟周期可分4个步骤：输出位数据到MOSI线，延时；令SCK由0变1，延时；读取MISO线上的数据位；令SCK由1变0，延时。前两个步骤写一位数据到AVR，后两个步骤则从AVR读取1位数据。8个SCK时钟周期写1个字节，同时读一个字节。AVR单片机每条编程指令均由4个字节组成。根据上述过程，将4个字节的编程指令依次写入到AVR，同时读取返回的4个字节数据。
(3)退出串行编程模式。将RESET端置高电平，AVR单片机退出编程模式。3 结 语??? 根据上述分析，采用VC++6．O编程成功地对ATtinyl3和ATmegal6两种芯片的FLASH进行了芯片擦除、读、写以及对熔丝位的读、写等操作。注意编程时需要解决Windows NT／2000，／XP操作系统下访问I／O端口的技术问题。
使用SI-PROG编程器，必须满足两个条件：
(1)串口的UART芯片要与8250兼容；
(2)电平转换芯片接收器的阈值电压要介于TTL高、低两种电平之间。
多数PC机所配置的串口都能满足上述两个条件。某些早期的PC机有可能与PC／XT机类似，不满足条件(1)。目前，家用笔记本电脑上一般不再配置串口。这样，SI-PROG编程器在某些PC机上不能使用。然而，SI-PROG编程器仍有一定的使用空间。毕竟LISB接口的编程器价格较高，而一些商用笔记本电脑中取消了并口但保留着串口，并口编程器又不能用。而多数台式机上一般仍配置有串口。