C8051F單片機是高度集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(SoC)，具有與8051 兼容的高速CIP-51 內(nèi)核，與MCS-51 指令集完全兼容，內(nèi)置程序存儲器FLASH、數(shù)據(jù)存儲器RAM;片內(nèi)集成了ADC、DAC 等常用的模擬外設(shè)及UART、SMBus、SPI 等數(shù)字外設(shè)。
C8051F單片機具有片內(nèi)調(diào)試電路，通過4 腳的JTAG 接口或者2線的C2接口可以進(jìn)行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試及下載。
基于以上特點，C8051F單片機在工業(yè)控制、消費電子、通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是，用戶在生產(chǎn)過程中，希望一種方便快捷地對單片機編程，針對這種情況，深圳世強電訊有限公司設(shè)計開發(fā)了一款手持編程器(以下簡稱：SMP)方便用戶編程。
一、 SMP 開發(fā)背景
單片機編程是生產(chǎn)環(huán)節(jié)的一道重要工具，目前對單片機編程主要有兩種方式：離線編程和在線編程。
1、 離線編程
離線編程連接方式如圖1 所示：
圖1 離線編程方式連接示意圖
目前大多數(shù)51單片機都是采用的是離線編程方式，但是離線編程方式存在以下缺點：
專用編程器的價格一般比較昂貴，體積笨重;
編程過程中需要PC機的參與;
需要在PC機上為編程器安裝專用的驅(qū)動軟件;
操作過程繁瑣;
MCU的程序需要更新時，必須將板上的MCU取下來重新燒寫，這顯然不適合現(xiàn)場編程的需要。
2、 在線編程
目前C8051F單片機主要采用在線編程方式，連接方式如圖2 所示：
圖2 C8051F 單片機目前常用編程方式示意圖
用戶在使用這種方式時反饋如下問題：
一直需要PC機的參與，不適合現(xiàn)場編程;
需要專用編程軟件;
需要在用戶板上安裝一個2×5 雙排2.54mm 插針，對于小封裝(最小至3×3mm)單片機應(yīng)用在小型便攜式設(shè)備上的情況，PCB空間一般比較緊張，這種雙排插針的安裝用戶很難接收。
以上兩種目前常用的編程方式或多或少都會給用戶生產(chǎn)帶來不方便，針對這種情況，深圳世強電訊有限公司針對Silicon Laboratories公司的C8051F單片自主研發(fā)了一款方便、安全、易于操作的手持編程器(SPP)，SPP的推出可以極大的方便用戶生產(chǎn)、現(xiàn)場編程。
二、 SMP 簡介
SMP 是深圳世強結(jié)合Silabs C8051F 單片機高保密性、低功耗的特點，為方便用戶輕松編程而開發(fā)的一款手持式編程器。此編程器專門針對C8051F單片機用戶，操作簡單，PC機下載HEX文件到編程器不需專門的軟件，只需超級終端(Windows 系統(tǒng)都自帶)即可完成;在編程過程中不需PC 機的參與，操作人員只需簡單按編程鍵或者插拔編程頭即可完成編程工作;另外，編程器被多重加密，很好保護(hù)用戶的知識產(chǎn)權(quán)不被侵犯。SMP外觀如圖3 所示：
圖3 SMP外觀示意圖
1、 編程器概貌
體積小：11.5cm(長)×7.5cm(寬) ×2.5cm(高)
重量輕：0.1Kg
2、 對外接口
電源輸入接口：輸入9VDC
DB9：RS232接口，連接到PC機，在PC機上用超級終端配置編程器、下載HEX 文件
2.54mm雙排十針：C2/JTAG 編程接口，用下載線纜連接到目標(biāo)板
3、 操作開關(guān)
電源開關(guān)：編程器供電開關(guān)
撥碼開關(guān)：配置編程器供電模式和操作模式
編程按鈕：按下一次執(zhí)行一次編程或者擦除操作
復(fù)位按鈕：對系統(tǒng)復(fù)位
4、 狀態(tài)指示
蜂鳴器指示：用蜂鳴器指示編程成功與否
狀態(tài)指示燈：編程狀態(tài)指示
電源指示燈：系統(tǒng)電源指示
5、 主要配件
SMP提供的主要配件是一個編程手柄，編程手柄上的插針可以插拔以組成單排五針或三針的編程頭，用戶無需在PCB上安裝體積較大的標(biāo)準(zhǔn)插座，只需相應(yīng)留出五個或三個編程孔，節(jié)約PCB空間和成本。
三、 SMP 功能及特點
SPP是一款適合于在生產(chǎn)環(huán)境或者現(xiàn)場使用的在線編程器，它具備如下功能和特點：
1、 編程方式靈活
1) 編程接口可選
在所有C8051F 系列單片機中，編程口有四線制JTAG 方式和兩線制C2 方式。JTAG 是一種標(biāo)準(zhǔn)接口，有TDI，TDO，TMS，TCK 四個信號，在C8051F0XX，C8051F1XX，C8051F2XX系列單片機上具有這種接口;C2 接口是一種簡單接口，遵循Silabs 自有的C2 協(xié)議，這種接口適合于小封裝的單片機上，它只有兩條信號線：C2CK(時鐘線)和C2D(數(shù)據(jù)線)，在C8051F3XX、C8051F4XX、C8051F5XX上具有這種接口。
可以通過SMP初始化配置界面選擇編程接口。
2) 編程模式可選
通過SMP 初始化配置界面的簡單設(shè)置，用戶可以選擇只擦除目標(biāo)器件或者編程目標(biāo)器件。另外，用戶可以通過SMP初始化配置界面選擇自動編程或者手動編程。當(dāng)選擇自動編程時，只要將編程頭插到目標(biāo)板上編程自動進(jìn)行;當(dāng)選擇手動編程，插上編程頭后，只需按下編程按鈕即可完成編程或者擦除操作。
3) 編程界面可選
①聯(lián)機操作：用戶可以選擇在PC機上通過超級終端(Windows自帶)監(jiān)視編程過程;
?、诿摍C操作：編程過程中不需PC 機的參與，SMP 連到目標(biāo)板后，只需按下編程按鈕即可對目標(biāo)板編程，通過狀態(tài)指示燈和蜂鳴器監(jiān)測編程過程。
2、提供靈活的編程手柄
在小封裝MCU的應(yīng)用中，大多數(shù)用戶的PCB空間受限，要在用戶的PCB板上放置一個雙排十針的標(biāo)準(zhǔn)編程頭是不現(xiàn)實的，也是不經(jīng)濟的?？紤]到這種情況，SPP除了提供一個標(biāo)準(zhǔn)的十針編程頭外，還提供一個編程手柄。編程手柄一端連接到SPP上，另外一端即為用于連接目標(biāo)板的編程頭。
編程頭上的插針可以插拔以組成兩種編程頭：單排五針編程頭和單排三針編程頭。用戶可以根據(jù)PCB的大小，選擇不同的編程頭。當(dāng)選用五針或三針編程頭時，用戶無需在PCB 上安裝一個體積較大的雙排十針插座，只需在其PCB 上留出五個或者三個編程用的插孔。另外，編程頭的插針為彈簧針的結(jié)構(gòu)，用戶只需將編程頭壓在目標(biāo)板的編程孔上即可完成自動編程或者手動編程。靈活的編程手柄充分考慮了用戶的利益，節(jié)約了用戶PCB空間和成本。
3、供電方式靈活
SMP 有多種供電方式，用戶可以根據(jù)現(xiàn)場的供電情況選擇不同的供電方式。SMP 支持以下供電方式：
由220VAC/9VDC適配器為SMP供電;
由目標(biāo)板為SMP供電;
SMP也可以為目標(biāo)板供電。
4、保密性能高
為保護(hù)用戶的知識產(chǎn)權(quán)和經(jīng)濟利益，SMP實現(xiàn)了高度加密。SMP加密分為兩個層次，SPP本身的內(nèi)容實現(xiàn)完全加密、SPP的使用實現(xiàn)口令保護(hù)。
1) 編程器本身被完全加密
SMP 使用了Silabs 的MCU 作為主控芯片。Silabs 的MCU 提供了多種安全機制以保護(hù)Flash不被訪問。Silabs MCU主要提供了如下安全機制：
防止程序被單片機中運行的軟件意外修改;
防止程序被仿真器修改;
防止程序被仿真器讀取;
防止程序被單片機中運行的用戶代碼讀取或修改
SMP的主要功能是接收用戶的HEX 文件用于下載到目標(biāo)板，保護(hù)用戶HEX 文件的安全是SMP 的職責(zé)。因此，在SMP 中主要采用了“防止程序被仿真器讀取”的安全機制。SMP被完全加密，仿真器無法讀取SMP Flash中的任何內(nèi)容，甚至仿真器都不能連接到SMP，仿真器要訪問SMP，必須首先將SMP的Flash全部擦除。因此，用戶的HEX裝入到SMP后不會被盜取，有效保護(hù)了用戶的知識產(chǎn)權(quán)不被侵犯。
2) 編程器實行口令保護(hù)
另外，SMP實行口令保護(hù)。每一臺SMP都有唯一編號，同時，世強會為每一臺SMP分配一個唯一的口令?？诹钆c編程數(shù)量相關(guān)，當(dāng)編程數(shù)量達(dá)到預(yù)分配值時，編程口令會失效，用戶需要獲得新的口令才能對SMP進(jìn)行操作。只有授權(quán)用戶才能得到SMP口令，即使授權(quán)用戶的SMP 被非授權(quán)用戶獲得，非授權(quán)用戶在編程到一定量的時候編程器就無法被繼續(xù)使用，這樣可以充分保護(hù)授權(quán)用戶的利益。
5、 狀態(tài)指示明確
當(dāng)PC機參與編程過程時，可以從PC的超級終端清晰看到編程器的配置、編程模式的設(shè)置、編程進(jìn)程、編程結(jié)果等等細(xì)節(jié)。
當(dāng)SMP 脫機操作時，可以只通過狀態(tài)指示燈和蜂鳴器監(jiān)測編程過程。在SMP 工作的每一個階段，狀態(tài)指示燈和蜂鳴器的指示都有明確的含義，根據(jù)編程的階段以及當(dāng)前狀態(tài)指示燈和蜂鳴器的狀態(tài)，可以準(zhǔn)確判斷當(dāng)前SMP的工作狀態(tài)。
四、 SMP 操作流程
SMP操作分為初始化、編程操作、固件升級三個個部分
1、SMP初始化流程
SMP 在第一次使用時需要初始化，初始化包括輸入SMP 口令、選擇目標(biāo)器件、設(shè)置編程接口和編程模式、擦除Flash空間、接收被下載HEX 文件等等。SMP初始化需要PC機的參與，利用Windows自帶的超級終端(HyperTerminal)軟件提供人機接口。操作流程如圖4所示：
圖4 SMP初始化流程圖
2、 SMP編程操作流程
當(dāng)SPP 完成初始化工作后，就可以用來完成編程工作了。編程時可以不需要PC 機的參與，編程操作非常簡單，操作流程如圖5 所示：
圖5 SMP編程操作流程圖
從以上看，SMP的操作非常簡單，容易掌握。
3、 固件升級
為了方便用戶隨時得到最新的編程器服務(wù)，用戶可以在本地升級編程器的固件程序，固件程序可以從世強的網(wǎng)站下載或者直接聯(lián)系世強的相關(guān)人員。固件升級流程如下：
圖6 SMP固件升級流程圖
下載文檔
