利用ISP技術(shù)的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)

徐園園，鄭力新

（華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 泉州 362021）

利用ISP技術(shù)的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)

徐園園，鄭力新

（華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 泉州 362021）

將在系統(tǒng)編程（ISP）技術(shù)和虛擬儀器有機(jī)結(jié)合，開發(fā)網(wǎng)絡(luò)化的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)功能.用戶可在遠(yuǎn)程的客戶端在線實(shí)時(shí)地調(diào)試自己編寫的單片機(jī)程序，通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)服務(wù)器端（實(shí)驗(yàn)室）的單片機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程在系統(tǒng)編程和實(shí)驗(yàn)開發(fā)，完善網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)驗(yàn)室的功能.經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)操作靈活，運(yùn)行可靠.

網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室；虛擬儀器；單片機(jī)；在系統(tǒng)編程

在早期設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中，由設(shè)計(jì)者編好單片機(jī)控制程序，用戶只能在客戶端通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，卻無法設(shè)計(jì)單片機(jī)程序.為此，本文將單片機(jī)的在系統(tǒng)編程（ISP）技術(shù)引進(jìn)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室，使用戶可在客戶端通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)服務(wù)器端（實(shí)驗(yàn)室）的單片機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程在系統(tǒng)編程和實(shí)驗(yàn)開發(fā).

1 控制系統(tǒng)架構(gòu)

單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示.它采用C/S模式，但不是一般意義的“胖客戶端/瘦服務(wù)器”，而是針對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的一種服務(wù)器（實(shí)驗(yàn)服務(wù)器）與客戶端一一對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)［1-2］，由客戶端、服務(wù)器及單片機(jī)硬件電路3部分構(gòu)成［3］.

用戶程序運(yùn)行過程中的狀態(tài)和數(shù)據(jù)由服務(wù)器端負(fù)責(zé)采集，服務(wù)器端把采集到的電機(jī)速度、誤差數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)等通過網(wǎng)絡(luò)傳送到客戶端，客戶端再把這些數(shù)據(jù)顯示給用戶.

圖1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Control system diagram

2 上位機(jī)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的上位機(jī)功能要求客戶端通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制服務(wù)器，并通過服務(wù)器端與單片機(jī)的RS232接口實(shí)現(xiàn)單片機(jī)程序的自動(dòng)下載.其設(shè)計(jì)包括客戶端和服務(wù)器兩部分.

2.1 客戶端實(shí)現(xiàn)

首先，用戶在客戶端使用WAVE等常用編譯器進(jìn)行源代碼的編輯、編譯及調(diào)試，將單片機(jī)實(shí)驗(yàn)程序編譯成HEX或BIN文件；然后，客戶端通過基于Lab Windows/CVI平臺(tái)的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)用TCP/IP協(xié)議將HEX或BIN文件發(fā)送到服務(wù)器端，以便單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)其下載運(yùn)行.最后，將單片機(jī)的運(yùn)行結(jié)果從服務(wù)器端通過網(wǎng)絡(luò)返回客戶端的面板顯示.

2.2 服務(wù)器實(shí)現(xiàn)

在服務(wù)器端利用計(jì)算機(jī)串口進(jìn)行ISP編程方式下的程序下載.服務(wù)器接收到客戶端的ISP更新請(qǐng)求后，接收用戶的目標(biāo)程序即HEX或BIN文件形成的字節(jié)流到一個(gè)數(shù)組.然后向單片機(jī)傳送ISP更新命令，并通過RS232串口向單片機(jī)發(fā)送該字節(jié)流.用戶程序下載結(jié)束后，服務(wù)端自動(dòng)向單片機(jī)發(fā)送復(fù)位信號(hào)，用戶程序開始運(yùn)行.

要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)下載功能必須實(shí)現(xiàn)Lab Windows/CVI環(huán)境下對(duì)HEX文件的解析.其具體實(shí)現(xiàn)過程有如下3個(gè)步驟.

（1）讀取HEX文件.可用CVI函數(shù)IntFileSelectPopup（），GetFileInfo（path，＆filesize）等來實(shí)現(xiàn)［4］.

（2）對(duì)照ASCII碼轉(zhuǎn)換表，將HEX文件轉(zhuǎn)化成十六進(jìn)制的ASCII碼.由于讀取的是HEX文件的十六進(jìn)制字符的ASCII碼的值，要把其轉(zhuǎn)化成十六進(jìn)制碼的真正表達(dá)的數(shù)值大小，應(yīng)參照ASCII碼表做出1～16的碼制轉(zhuǎn)換.需要注意的是，讀取的HEX文件中的換行和行頭的“：”也代表一個(gè)的ASCII的值，要把其剔出.

（3）剔除標(biāo)識(shí)符之類的字符.得到真正十六進(jìn)制碼后，還需再對(duì)每行的ASCII碼進(jìn)行分析，把其中的標(biāo)識(shí)符等無效字符進(jìn)一步剔除，就可得到單片機(jī)程序的有效數(shù)碼.

其主要源代碼如下：

3 單片機(jī)的ISP功能實(shí)現(xiàn)

C8051F310（美國Cygnal公司）一般都固化有ISP引導(dǎo)程序，但該引導(dǎo)程序是針對(duì)與它配套的IDE軟件來設(shè)計(jì)的，這顯然不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求.因此，需要重新編寫ISP引導(dǎo)程序.

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)硬件電路即下位機(jī)部分，其主要任務(wù)是接收并響應(yīng)上位機(jī)傳來的信息，對(duì)各種實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行控制，對(duì)運(yùn)行所得的有用數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，并通過串口回送給上位機(jī).圖2為單片機(jī)硬件電路的原理框圖.

圖2 硬件電路的原理框圖Fig.2 Block diagram of the hardware circuit

3.2 ISP編程

對(duì)C8051F310的16KB的FLASH進(jìn)行了3段分區(qū)，分別為引導(dǎo)程序區(qū)（4KB）、用戶程序區(qū)（8KB）和固化程序區(qū)（4KB）.引導(dǎo)程序區(qū)存放系統(tǒng)初始化、程序更新及如何跳轉(zhuǎn)的代碼；用戶程序區(qū)存放用戶自己編寫的程序代碼；固化程序區(qū)存放設(shè)計(jì)者已編好的默認(rèn)程序代碼.從服務(wù)器下載的程序存放在一個(gè)8KB的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，同時(shí)置位程序更新位，以使引導(dǎo)程序能正確查詢.

引導(dǎo)程序的流程圖，如圖3所示.單片機(jī)開始運(yùn)行后，先進(jìn)行初始化設(shè)置，包括初始化定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、設(shè)定串行口波特率及其工作方式、設(shè)定中斷優(yōu)先級(jí)、啟動(dòng)定時(shí)器等.然后，讀取更新位并進(jìn)行判斷.若更新位為1，調(diào)用更新用戶程序區(qū)的子程序，執(zhí)行用戶程序的更新并跳轉(zhuǎn)到用戶程序區(qū)；若更新位為0，跳轉(zhuǎn)到固化程序區(qū).如果單片機(jī)已經(jīng)進(jìn)入固化程序區(qū)，此時(shí)若接收到服務(wù)器的ISP命令，則在完成接收代碼后，跳轉(zhuǎn)到引導(dǎo)程序的更新部分，執(zhí)行程序更新并跳轉(zhuǎn)到用戶程序區(qū).

圖3 引導(dǎo)程序的流程圖Fig.3 Guide the process flow chart

FLASH存儲(chǔ)區(qū)要求在寫入新值之前，必須先擦除待編程地址的數(shù)據(jù)，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器是以512B的扇區(qū)為單位組織的，一次擦除操作將擦除整個(gè)扇區(qū).因此，子程序中對(duì)FLASH的擦除和寫操作都是以扇區(qū)為單位的.首先，先擦除一個(gè)扇區(qū)；其次，讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（XRAM），寫入已擦除的扇區(qū)；然后扇區(qū)數(shù)加1并判斷是否為16（8KB=512B×16），直到等于16，退出子程序.在對(duì)FLASH存儲(chǔ)器編程的過程中，要注意FLASH鎖定和關(guān)鍵碼功能、FLASH的擦除及寫操作［5］.

從用戶軟件寫和擦除FLASH受FLASH鎖定和關(guān)鍵碼功能的保護(hù).在進(jìn)行FLASH操作之前，必須按順序向FLASH鎖定和關(guān)鍵碼寄存器（FL KEY）寫入正確的關(guān)鍵碼0xA5，0xF1.在使用MOVX指令對(duì)FLASH存儲(chǔ)器寫入之前，必須先允許FLASH寫操作.

擦除一個(gè)扇區(qū)有如下6個(gè)步驟：（1）禁止中斷；（2）置“1”程序存儲(chǔ)器擦除允許位（PSCTL中的PSEE），以允許FLASH扇區(qū)擦除；（3）置“1”程序存儲(chǔ)器寫允許位（PSCTL中的PSWE），以允許FLASH寫入；（4）向FL KEY寫第1個(gè)關(guān)鍵碼（0xA5）；（5）向FL KEY寫第2個(gè)關(guān)鍵碼（0xF1）；（6）用MOVX指令向待擦除頁內(nèi)的任何一個(gè)地址寫入一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié).

允許FLASH寫操作的過程：（1）將程序存儲(chǔ)寫允許位PSWE（PSCTL.0）設(shè)置為邏輯“1”；（2）按順序向FLASH鎖定寄存器（FL KEY）寫入FLASH關(guān)鍵碼.PSWE位將保持置位狀態(tài)，直到被軟件清除.寫FLASH存儲(chǔ)器可以清除數(shù)據(jù)位，但不能使數(shù)據(jù)位置“1”，只有擦除操作能將FLASH中的數(shù)據(jù)位置“1”.因此，在寫入新值之前，必須先擦除待編程的地址.

4 運(yùn)行實(shí)例

以直流電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)為例.通過基于ISP技術(shù)的單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用戶可在客戶端編寫電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)的單片機(jī)程序，并將其下載到遠(yuǎn)程服務(wù)器端的單片機(jī)系統(tǒng)中.經(jīng)過實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，可達(dá)到實(shí)時(shí)控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的系統(tǒng)要求.客戶端的運(yùn)行結(jié)果，如圖4所示.

圖4 客戶端運(yùn)行結(jié)果Fig.4 The results of clients running

5 結(jié)束語

將ISP技術(shù)和虛擬儀器有機(jī)結(jié)合，開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)化的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了虛擬實(shí)驗(yàn)室的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)功能.該系統(tǒng)操作靈活，運(yùn)行可靠，為組建基于網(wǎng)絡(luò)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)提供一種新思路，可在高校和科研機(jī)構(gòu)等推廣應(yīng)用.

［1］INGVAR G.Remote laboratory experiments in electrical engineering education［C］//Proceedings of Fourth IEEE International Caracas Conference on Devices，Circuits and Systems.Aruba：IEEE，2002：1-5.

［2］DEEPAK S，BABU J.An internet-mediated-process control laboratory［J］.IEEE Control Systems Magazine，2003，23（1）：11-18.

［3］徐園園，鄭力新.TCP/IP和DataSocket技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（4）：85-87.

［4］張毅剛，喬立巖.虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境Lab Windows/CVI編程指南［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［5］張迎新，雷文，姚靜波.C8051F系列SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

Design of the Network Control System Laboratory Based on ISP Technology

XU Yuan-yuan，ZHEN G Li-xin
（College of Information Science and Engineering，Huaqiao University，Quanzhou 362021，China）

This article designs the network single-chip experimental system by the combination of in-system programming（ISP）technology and virtual instruments.Through internet，users on the client can remotely debug their single-chip program，and program in the system to the single-chip on the server side（Lab）.ISP technology makes functions of the network control laboratory more perfect.After testing，the system is flexible and reliable.

network laboratory；virtual instrument；single-chip；in-system programming

TP 391.9；TP 273+.5

A

1000-5013（2010）04-400-04

（責(zé)任編輯：魯 斌 英文審校：吳逢鐵）

2009-02-19

徐園園（1980-），女，助教，主要從事虛擬儀器及智能檢測(cè)控制技術(shù)的研究.E-mail：hixyy@126.com.

教育部科技研究重點(diǎn)項(xiàng)目（207145）