STM32F103系列微控制器在應(yīng)用編程技術(shù)研究

摘要：STM32F103系列微控制器由于其低廉的價(jià)格和強(qiáng)大的功能在嵌入式產(chǎn)品中被廣泛應(yīng)用，而STM32F103系列微處理器在下載程序時(shí)通常使用的JTAG、ISP兩種方式都不適用于產(chǎn)品的軟件更新。為解決使用STM32F103系列芯片的嵌入式產(chǎn)品軟件更新不便的問(wèn)題，本文對(duì)STM32F103系列微處理器的IAP(在應(yīng)用程序編程)進(jìn)行了研究，研究了兩種IAP技術(shù)，給出了硬件測(cè)試和軟件流程圖，并作了總結(jié)，最后提出一種基于藍(lán)牙串口模塊通過(guò)ymoclem傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)的IAP方案。
關(guān)鍵詞：STM32F103；藍(lán)牙串口模塊；IAP；ymodem傳輸協(xié)議

引言
    STM32F103系列芯片下載程序主要通過(guò)JTAG以及ISP(In-System Programming)這兩種方式。其中JTAG需要專(zhuān)門(mén)的下載器，這種方式主要用于軟件調(diào)試。
    ISP是在系統(tǒng)編程，指的是利用STM32F103中自帶的Bootloader程序，通過(guò)通信接口擦除和下載用戶代碼。STM32F103系列芯片中引腳BOO T0和BOOT1置位為1和0時(shí)就會(huì)進(jìn)入ISP模式，但下載程序完成后需要將BOOT0和BOOT1都置為0，才能進(jìn)入正常工作模式。這就使得在下載程序完成后需要設(shè)置跳線帽等機(jī)械性的操作。而一個(gè)嵌入式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不得不考慮軟件部分的更新，前面介紹的兩種下載方式都不適合用來(lái)做軟件更新，也就不適合用在嵌入式產(chǎn)品中。
    IAP(In—Application Programming)是在應(yīng)用編程，指的是用戶利用自己編寫(xiě)的燒寫(xiě)程序，通過(guò)通信接口擦除或下載自己的代碼。嵌入式產(chǎn)品需要使用這種簡(jiǎn)單方便且不需要機(jī)械操作的軟件升級(jí)方式進(jìn)行程序更新。
    現(xiàn)今嵌入式產(chǎn)品功能日益強(qiáng)大，無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)更成了嵌入式必不可少的功能，設(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)牙模塊通過(guò)無(wú)線更新程序的方法。
    本文首先介紹了一種通過(guò)模擬硬件電平變化的方法間接通過(guò)STM32F103自帶的Bootloader完成程序下載的方法，給出了設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)流程。接著介紹了IAP下載的設(shè)計(jì)方法和流程。最后在IAP的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)牙模塊的無(wú)線軟件更新方法，介紹了設(shè)計(jì)流程并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 Bootloader和外圍電路完成的IAP方案
    STM32F103芯片通過(guò)在復(fù)位后讀取BOOT0及BOOT1引腳的高低電平，通過(guò)表1選擇啟動(dòng)方式。

    STM32F103系列的嵌入式產(chǎn)品需要將啟動(dòng)模式配置為正常啟動(dòng)方式，即將BOOT0和BOOT1置GND。使用ISP進(jìn)行程序更新時(shí)需要將BOOT0置為高電平。
    利用STM32F103的Bootloader和外圍電路完成IAP的方案是，從利用STM32F103復(fù)位開(kāi)始，到檢測(cè)BOOT0引腳電平高低的時(shí)間約有15 ms，使用外圍電路電容放電，保持BOOT0引腳高電平15ms以上，使STM32進(jìn)入ISP的方式來(lái)完成在程序下載。由以上原理將BOOT0引腳外圍電路做如圖1所示的改動(dòng)。

    圖1是一個(gè)使用開(kāi)關(guān)三極管設(shè)計(jì)的電壓保持電路，GPIO是STM32F103的一個(gè)I／O口，當(dāng)該I／O口為低電平時(shí)三極管截止，BOOT0相當(dāng)于接GND。當(dāng)需要更新軟件時(shí)置高該GPIO，并保持一段時(shí)間為電容C1充電，通過(guò)看門(mén)狗軟件來(lái)復(fù)位系統(tǒng)，這時(shí)C1放電使得開(kāi)關(guān)三級(jí)管Q導(dǎo)通，BOOT0相當(dāng)于接VCC，則STM32F103進(jìn)入系統(tǒng)存儲(chǔ)器啟動(dòng)(ISP)的模式，通過(guò)串口ISP下載實(shí)現(xiàn)軟件更新，待電容C1放電完成后三極管Q再次截止BOOT0回到GND，芯片恢復(fù)到正常啟動(dòng)模式。其中C1、R、Q的型號(hào)可以根據(jù)嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)的電氣參數(shù)來(lái)設(shè)定。
    圖2是使用Tektronix公司的TDS2024B示波器測(cè)試的波形圖，其中R1=1 kΩ，R2=1 MΩ，R3=1 MΩ，R4=200 kΩ，C1=1μF，Q為8050。從圖中可以看出從電壓2．48 V放電到2．24 V用了2．120 s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于15 ms。由此仿真圖可以得出，通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)軟件更新是可行的。

    圖3是該設(shè)計(jì)的軟件流程圖。
    進(jìn)行軟件更新時(shí)，首先置高I／O口，等待1 s為電容充電，接著使用看門(mén)口復(fù)位整個(gè)芯片。
    使用硬件解決方案可以通過(guò)搭建簡(jiǎn)單的電路，并在觸發(fā)更新軟件的中斷中加入簡(jiǎn)單的幾行改變GPIO高低電平和軟件復(fù)位的代碼，就能夠?qū)崿F(xiàn)軟件更新，操作簡(jiǎn)單。

2 軟件完成的IAP方案
    該方案是在主程序前添加一個(gè)簡(jiǎn)單的Bootloader程序，用該程序來(lái)判斷是否進(jìn)行軟件更新。Bootloader程序的主要編程思路如圖4所示。

    該方案的原理是：STM32F103芯片啟動(dòng)時(shí)將從FLASH的0x8000000地址開(kāi)始執(zhí)行程序，Bootloader程序也要寫(xiě)在地址0x8000000處，在Boot loader程序中通過(guò)判斷標(biāo)志位的值來(lái)判斷是否直接進(jìn)入主函數(shù)，判斷標(biāo)志位的值存放在STM32F103的FLASH中避免標(biāo)志位丟失。主程序的位置在Bootloader程序所占用的地址空間之后，具體地址要由Bootloader程序的大小來(lái)決定。
    更新主程序的過(guò)程就是將以前的主程序覆蓋掉。Bootloader程序、主程序以及更新標(biāo)志位的地址位置及加入Bootloader程序后，主程序的中斷工作過(guò)程如圖5所示。

    Bootloader程序被放在芯片啟動(dòng)后讀取的第一個(gè)地址0x8000000上，依次按照地址排下來(lái)是Bootloader的中斷向量表、Bootloader的主程序。在IAP主程序之后0x8000000+X處放置更新標(biāo)志位temp。在更新標(biāo)志位后0x8000000+X+M處地址開(kāi)始主程序。
    主程序的中斷響應(yīng)過(guò)程為：中斷發(fā)出中斷請(qǐng)求，中斷請(qǐng)求根據(jù)STM32F103的硬件機(jī)制會(huì)到0x8000000后的中斷向量表進(jìn)行中斷的響應(yīng)，但主程序有自己的中斷向量表，所以在主程序的main()函數(shù)開(kāi)始時(shí)要偏移中斷向量表，使中斷響應(yīng)時(shí)按照主程序的中斷向量表進(jìn)行。
    由上述分析可以得出編寫(xiě)主程序的三個(gè)注意事項(xiàng)：
    首先，在主程序編譯前需要先將程序的啟動(dòng)地址設(shè)置為Bootloader寫(xiě)入的地址，例如在RVMDK軟件中設(shè)置芯片的啟動(dòng)地址為0x8000000，但主程序?qū)懺?x8004000的位置，所以需要將主程序的啟動(dòng)地址改為0x8004000。
    其次，就是在main()函數(shù)中設(shè)置偏移中斷向量表，如下面的程序所示，在主程序開(kāi)始時(shí)偏移中斷向量表。
   
    最后，使用IAP下載的更新程序的格式最好為．bin文件，但不能是．hex文件，可以使用fromelf這一類(lèi)的工具將．hex格式文件轉(zhuǎn)換為．bin文件。

3 藍(lán)牙串口模塊完成的無(wú)線IAP方案
    該方案主要由圖6所示的幾個(gè)部分組成，STM32F103的其中一個(gè)串口與藍(lán)牙串口模塊相連接。藍(lán)牙串口模塊支持SPP藍(lán)牙串口通信協(xié)議，即使用藍(lán)牙替代串口線，通過(guò)無(wú)線的方式進(jìn)行串口通信。上位機(jī)是一臺(tái)PC機(jī)，負(fù)責(zé)給嵌入式產(chǎn)品下載更新軟件，PC機(jī)需要通過(guò)一個(gè)藍(lán)牙適配器與嵌入式產(chǎn)品的藍(lán)牙串口模塊進(jìn)行藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸。

    在PC機(jī)上安裝藍(lán)牙串口工具，該工具可以將藍(lán)牙適配器設(shè)備組織成為一個(gè)串口，使用超級(jí)終端與嵌入式產(chǎn)品進(jìn)行串口通信。
    嵌入式產(chǎn)品中的IAP程序的偽程序如下所示：
   
   
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，通過(guò)超級(jí)終端使用ymodem傳輸協(xié)議完成主程序的下載。

結(jié)語(yǔ)
    本文提出的通過(guò)藍(lán)牙串口完成的無(wú)線IAP方案能夠完成無(wú)線的軟件更新，但下載方式單一，下載速度不快，而且僅使用了ymodem傳輸方式。在此基礎(chǔ)上可以使用其他無(wú)線方案(比如WiFi串口模塊)和更多的傳輸方式。