利用CAN總線實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的遠(yuǎn)距離在線升級(jí)的設(shè)計(jì)

CAN(Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)，是目前廣泛應(yīng)該的總路線之一。CAN總線通信距離限制小，它的直接通信距離最大可達(dá)10km,最高通信速率可以達(dá)1Mb/s(此時(shí)距離最長(zhǎng)為40m)，節(jié)點(diǎn)數(shù)可多達(dá)110個(gè)。因此它特別適合于工業(yè)遠(yuǎn)程過程監(jiān)控設(shè)備的互聯(lián)和電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的調(diào)試和維護(hù)。基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)的一般組成模式如圖1所示。上位機(jī)PC機(jī)通過RS-232連接到總線上某一智能節(jié)點(diǎn)?？梢詫?duì)安裝在現(xiàn)場(chǎng)某些節(jié)點(diǎn)的程序進(jìn)行遠(yuǎn)距離在線升級(jí)和改變某些功能，因此利用CAN總線進(jìn)行單片機(jī)的在線編程就顯得非常必要。

圖1 基于CAN總路線的分布式控制系統(tǒng)

根據(jù)圖1所示的CAN總線分布式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，在線編程采用主從結(jié)構(gòu)。智能節(jié)點(diǎn)1為主節(jié)點(diǎn)，其它節(jié)點(diǎn)為從節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)采用ATMEL公司推出的AVR系列單片機(jī)MEGA8,內(nèi)含8K FLASH程序存儲(chǔ)器，1K的內(nèi)部SRAM,512字節(jié)的內(nèi)部EEPROM.為了便于升級(jí)，除了提供ISP即在線編程功能(In System Programming)以外，還提供了BOOT引導(dǎo)功能，為實(shí)現(xiàn)IAP即在應(yīng)用中編程(In Application Programming)為系統(tǒng)升級(jí)提供了可能。

1、2 節(jié)點(diǎn)升級(jí)過程

主節(jié)點(diǎn)在編程監(jiān)控模式下，接收PC機(jī)發(fā)送的"編程"命令，若編程節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)，則程序可以通過RS-232下載到主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)接收編程數(shù)據(jù)，完成 FLASH的在線編程，此時(shí)，從節(jié)點(diǎn)分別執(zhí)行各自缺省的應(yīng)用程序。若編程節(jié)點(diǎn)為從節(jié)點(diǎn)，則主節(jié)點(diǎn)就通過CAN總線進(jìn)行廣播，全部從節(jié)點(diǎn)監(jiān)控包括被選擇節(jié)點(diǎn) ID號(hào)在內(nèi)的"編程初始信息",并與各自的節(jié)點(diǎn)ID進(jìn)行比較，被選擇的從節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)和PC機(jī)建立編程通信連接，其它從節(jié)點(diǎn)繼續(xù)運(yùn)行其缺省應(yīng)用程序，從而實(shí)現(xiàn)了在線升級(jí)功能?？梢姡趶墓?jié)點(diǎn)編程模式下，主節(jié)點(diǎn)在PC機(jī)的RS-232總線與從節(jié)點(diǎn)的CAN總線之起著路由器的作用。

1、3 CAN總線系統(tǒng)智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)

CAN總線系統(tǒng)智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)由5部分組成：微控制器Mega8,并串轉(zhuǎn)換電路，獨(dú)立CAN控制器SJA1000,CAN總線驅(qū)動(dòng)器TJA1050和高速光電耦合6N137.如圖2所示

圖2 CAN智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)硬件原理圖

為了提高穩(wěn)定性和安全性，在SJA1000的TX0和RX0與TJA1050的TXD和RXD相連時(shí)，采用了高速光電耦合6N137,并且兩個(gè)光電耦合器各自連接兩個(gè)完全隔離的電源，這樣就很好地實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。在SJA1000與Mega8通信中，中間加入了一個(gè)并串轉(zhuǎn)換電路。除了給Mega8留出更多的引腳用于外圍電路外，更重要的是傳輸多位數(shù)據(jù)時(shí)，可以通過并串轉(zhuǎn)換電路，連接到Mega8單片機(jī)的通用同/異步串行接口 USART的RXD與TXD引腳。把接收過進(jìn)來的數(shù)據(jù)送入U(xiǎn)SART數(shù)據(jù)寄存器UDR中，通過ID認(rèn)證后，進(jìn)入FLASH編程監(jiān)控程序，進(jìn)行自編程修改，達(dá)到升級(jí)的目的。

2、MEGA8單片機(jī)升級(jí)功能

2.1 引導(dǎo)加載自編程功能

ATmega8具備引導(dǎo)加載支持的用戶程序自編程功能(In-System Programming by On- chip Boot Program)，它提供了一個(gè)真正的由MCU本身自動(dòng)下載和更新(采用讀/寫同時(shí)"Read-While-Write"進(jìn)行的方式)程序代碼的系統(tǒng)程序自編程更新的機(jī)制。使用該功能時(shí)，MCU可以靈活地運(yùn)行一個(gè)常駐Flash的引導(dǎo)加載程序(Boot Loader Program)，實(shí)現(xiàn)對(duì)讀取代碼，或者從程序存儲(chǔ)器中讀取代碼，然后將代碼寫入(編程)到Flash存儲(chǔ)器中。引導(dǎo)加載程序有能力讀寫整個(gè)Flash存儲(chǔ)器，包括引導(dǎo)加載程序所在的引導(dǎo)加載區(qū)本身。引導(dǎo)加載程序還可以對(duì)自身進(jìn)行更新修改，甚至可以將自身刪除，使系統(tǒng)的自編程能力消失?；谶@個(gè)因素，使得在線升級(jí)成為了可能。引導(dǎo)加載程序區(qū)的大小可以由芯片的熔絲位設(shè)置，該段程序區(qū)還提供兩組鎖定位，以便用戶選擇對(duì)該程序區(qū)的不同級(jí)別的保護(hù)。

2、2 MEGA8的BOOT介紹

由于MEGA8具有IAP可在應(yīng)用中升級(jí)的功能，本系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)上采用了BOOT引導(dǎo)功能。主程序采用C語言編寫，BOOT程序則采用了匯編編寫。目的是為了提高下載速度，設(shè)計(jì)中放棄了ATMEL提供的AVRPROG燒錄軟件，另外采用了一個(gè)下載燒錄速度較高的ID通訊協(xié)議，在程序代碼量比較大的時(shí)候，具有更明顯的速度優(yōu)勢(shì)，并且也便于用戶二次開發(fā)。

MEGA8的引導(dǎo)功能可通過相應(yīng)的熔絲位來確定，BOOT引導(dǎo)程序的入口、BOOT區(qū)的大小可以通過燒錄單片機(jī)的BOOTSZ1、BOOTSZ0兩個(gè)熔絲位來確定。單片機(jī)復(fù)位后向量入口也是通過燒錄單片機(jī)的BOOTRST熔絲位來確定。另外，單片機(jī)在執(zhí)行IAP編程時(shí)需要用到 Store Program Memory Control Register(SPMCR)寄存器。

SPMCR寄存器包含了頁擦除，頁寫入，BOOT區(qū)加密設(shè)置，頁填充及頁的RWW(Read While Write)等功能的設(shè)置。需要注意的是在執(zhí)行每個(gè)功能時(shí)，都需要設(shè)置SPMEN標(biāo)志，在隨后的4個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)運(yùn)行SPM指令，該標(biāo)志會(huì)在SPM執(zhí)行完成后自動(dòng)清零。函數(shù)如下：

Do_SPM:

Wait_SPM: ; 等待頁操作完成

in templ,SPMCR

sbrc templ,SPMEN

rjmp Wait_SPM

out SPMCR,temp

spm ; 執(zhí)行SPM指令

.dw 0xffff

nop

ret

有了以上的函數(shù)，就可以很容易的進(jìn)行頁擦除、頁寫入、頁填充等程序的設(shè)計(jì)了。比如需要執(zhí)行頁擦除指令，則首先要將需要擦除的頁地址寫入Z寄存器，然后置位SPM的PGERS(頁擦除位)和SPMEN(SPM允許位)，然后再調(diào)用Do_SPM函數(shù)即可。程序如下：

……

ld temp,y+

mov zl,temp ; Z指針地址賦值

ld temp,y+

mov zh,temp

ldi temp,(1<

rcall Do_SPM ; 執(zhí)行頁寫入

……

3、BOOT程序介紹及流程圖

Mega8單片機(jī)上電后設(shè)置冷啟動(dòng)標(biāo)志，而熱啟動(dòng)入口則設(shè)置熱啟動(dòng)標(biāo)志。然后初始化堆棧、串口以及必要的I/O狀態(tài)等。初始化完成后，如果BOOT程序檢測(cè)到熱啟動(dòng)標(biāo)志則直接進(jìn)入燒錄狀態(tài);如果為冷啟動(dòng)標(biāo)志則繼續(xù)檢測(cè)下載位是否允許(本設(shè)計(jì)通過PB0開關(guān)選擇)，如為高電平則進(jìn)入燒錄狀態(tài)，如為低電平則進(jìn)入用戶程序。

BOOT引導(dǎo)程序在設(shè)計(jì)時(shí)提供了兩個(gè)入口，一個(gè)是系統(tǒng)復(fù)位時(shí)的冷啟動(dòng)入口，另一個(gè)是用戶程序在運(yùn)行時(shí)進(jìn)入升級(jí)程序的熱啟動(dòng)入口。BOOT程序主要包括燒錄子程序、串口發(fā)送、串口接收、引導(dǎo)主程序等。

串口發(fā)送采用了查詢發(fā)送完成標(biāo)志。這樣當(dāng)該標(biāo)志被設(shè)置時(shí)，證明串口的停止位已經(jīng)發(fā)送完成，這對(duì)于CAN總線通訊非常有用。燒錄程序主要使用"SPM" 指令，該指令完成對(duì)MEGA8的燒錄等功能。而讀取MEGA8的指令則使用"LPM".由于擦除，頁填充，寫入，讀出等基本命令單片機(jī)都已解釋完成，因此所有過程都可以由計(jì)算機(jī)端程序進(jìn)行控制。

程序開始時(shí)，計(jì)算機(jī)端發(fā)送命令，先對(duì)單片機(jī)的頁進(jìn)行擦除，然后接收一幀數(shù)據(jù)，接收完畢后執(zhí)行頁寫入命令，寫入完成再進(jìn)行讀出進(jìn)行校驗(yàn)，如果校驗(yàn)無誤再繼續(xù)寫入下一頁，直到所有頁都寫入完畢，即完成一次下載過程。如果傳輸或頁校驗(yàn)出現(xiàn)錯(cuò)誤，程序會(huì)連續(xù)進(jìn)行5次測(cè)試，如再仍不成功，則認(rèn)為本次下載失敗。主程序流程圖如圖3.

MEGA8單片機(jī)的主程序通過CAN接口執(zhí)行計(jì)算機(jī)發(fā)送的命令，并且定義了一個(gè)更新代碼的特殊命令，當(dāng)接收到該命令時(shí)，主程序首先關(guān)閉中斷，關(guān)閉看門狗，然后跳轉(zhuǎn)到BOOT的熱啟動(dòng)入口，再執(zhí)行BOOT下載燒錄程序。下載完成后再直接跳轉(zhuǎn)到$0000地址進(jìn)入用戶程序區(qū)，這樣就完成了代碼的在線升級(jí)。為了保證該命令的可靠性，本程序設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定單片機(jī)必須在100ms內(nèi)同時(shí)接收到兩次該命令才認(rèn)為正確，超過100ms則不予認(rèn)可。

圖3

4、結(jié)束語

由于采用了MEGA8單片機(jī)的BOOT功能，以及CAN總線高速遠(yuǎn)距離通信，同時(shí)抗干擾性強(qiáng)，使得遠(yuǎn)距離在線升級(jí)，譬如通過以太網(wǎng)、無線等方式，成為了可能。這對(duì)于系統(tǒng)調(diào)試及以后的升級(jí)維護(hù)都提供了極大的便利，這也是今后單片機(jī)和CAN總線發(fā)展的一個(gè)方向。由于該部分具有通用性，所以可很容易地移植到 AVR其它MEGA系列的設(shè)計(jì)方案中。