STM32系列單片機(jī)脫機(jī)批量燒錄器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐岳清

（無(wú)錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 無(wú)錫214000）

0 引言

STM32系列單片機(jī)專為要求高性能、低成本和低功耗的應(yīng)用設(shè)計(jì)，按照內(nèi)核架構(gòu)分別有Cortex－M0、Cortex－M3和Cortex－M4 3種，雖內(nèi)核不同，但是全系列均支持片內(nèi)ISP（in－system programmable，系統(tǒng)在線可編程）下載編程模式，并且采用同一種通信協(xié)議，因此均可以通過(guò)USART接口實(shí)現(xiàn)ISP編程。

在批量生產(chǎn)中，STM32常見的燒錄方式基本為3種方式。其一為預(yù)燒錄，在貼片前，使用批量燒錄器對(duì)芯片進(jìn)行統(tǒng)一燒錄；其二為聯(lián)機(jī)燒錄，即在貼片完成后使用JLINK或者STlink和PC機(jī)，使用相應(yīng)的燒錄軟件通過(guò)芯片的SW接口進(jìn)行燒錄或者通過(guò)串口進(jìn)行ISP燒錄；其三為脫機(jī)燒錄，在貼片完成后使用單個(gè)SW接口脫機(jī)燒錄器進(jìn)行程序燒錄。第1種方法燒錄速度最快，但是需要拆包裝燒錄，燒錄完成后還要再重新包裝，操作比較煩瑣；第2種方式燒錄速度一般，采用SW接口稍快，但是需要占用2個(gè)IO口，如果采用ISP方式，則由于ST官方提供的Flash Loader Demonstrator軟件操作步驟較多，導(dǎo)致燒錄速度和效率最低［1］；第3種較快，但是由于SW脫機(jī)燒錄器只支持一個(gè)SW燒錄口，因此只能一次燒錄一片。

鑒于上述幾種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用STM32F302RBT6單片機(jī)，設(shè)計(jì)了脫機(jī)ISP燒錄工具。STM32F3系列基于 Cortex－M4內(nèi)核，帶有DSP和FPU指令，性價(jià)比與STM32F1系列相比更好，STM32F302RBT6單片機(jī)采用TQFP64封裝，具有1個(gè)USB接口，2個(gè)SPI接口、3個(gè)USART接口和2個(gè)UART口，USART口支持同步模式，本設(shè)計(jì)全部按照異步模式即UART模式使用，因此可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)5路UART同時(shí)燒錄5片STM32系列單片機(jī)。

1 ISP下載協(xié)議分析

STM32系列單片機(jī)通常支持3種啟動(dòng)模式，在上電時(shí)通過(guò)BOOT0和BOOT1管腳電平區(qū)分。當(dāng)BOOT0為低電平時(shí)，從用戶閃存啟動(dòng)，這是正常啟動(dòng)模式；當(dāng)BOOT0為高電平時(shí)，如果BOOT1為低，則從系統(tǒng)存儲(chǔ)器啟動(dòng)，芯片出廠時(shí)在這個(gè)區(qū)域放置了bootloader，即自舉程序也叫內(nèi)嵌啟動(dòng)代碼，該程序出廠后無(wú)法修改，可用于通過(guò)USART、USB或者其他方式把應(yīng)用程序燒錄到用戶閃存；當(dāng)BOOT0為高電平時(shí)，如果BOOT1為高時(shí)，從芯片內(nèi)置RAM啟動(dòng)。在STM32F0系列中，僅由BOOT0一個(gè)管腳用于選擇下載模式，當(dāng)BOOT0為低電平時(shí)，從用戶閃存啟動(dòng)；當(dāng)BOOT0為高電平時(shí)，從系統(tǒng)存儲(chǔ)器啟動(dòng)，即啟動(dòng)自舉程序。

通過(guò)設(shè)置BOOT0＝1，BOOT0＝0在 MCU啟動(dòng)時(shí)就可以進(jìn)入自舉模式，自舉程序?qū)呙鑅SARTx－Rx引腳，等待接收0x7F數(shù)據(jù)幀，該數(shù)據(jù)幀的持續(xù)時(shí)間經(jīng)過(guò)SysTick的測(cè)量和相關(guān)計(jì)算，可以得出當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的波特率，從而MCU自動(dòng)配置通信波特率，實(shí)現(xiàn)波特率自適應(yīng)，支持的波特率范圍為1 200～115 200。然后發(fā)送確認(rèn)字節(jié)（0x79）返回主機(jī)，表示STM32已準(zhǔn)備好接收命令。自舉程序流程框圖如圖1所示。

圖1 使用USART的STM32自舉程序流程框圖

STM32單片機(jī)自舉程序支持的命令中常用的見表1，主控端的每條命令都是按照一個(gè)字節(jié)命令和一個(gè)字節(jié)命令補(bǔ)碼方式發(fā)送，每個(gè)通信數(shù)據(jù)包結(jié)尾均包含一個(gè)字節(jié)校驗(yàn)，校驗(yàn)值為前面所有字節(jié)的異或運(yùn)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)包的有效性驗(yàn)證。器件在每個(gè)數(shù)據(jù)包被接受后使用ACK（0x79）應(yīng)答，被丟棄后使用 NACK（0x1F）應(yīng)答。因此主機(jī)在發(fā)生完一條命令或者數(shù)據(jù)包后，通過(guò)接收到的應(yīng)答命令，就可以判斷器件是否正常接收。

表1 USART bootloader命令［3］

由于STM32是32位機(jī)，因此對(duì)器件的數(shù)據(jù)寫入操作必須按照32位對(duì)齊方式寫入數(shù)據(jù)，不足位使用0xFF補(bǔ)齊，寫入數(shù)據(jù)必須為4字節(jié)的倍數(shù)，最大數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度為256字節(jié)。為了提高寫入的速度，本設(shè)計(jì)選用256字節(jié)作為數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度。

2 編程器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

通過(guò)前面的分析可以得知，控制一個(gè)STM32器件的啟動(dòng)模式，需要控制BOOT0、BOOT1和電源的上電順序，為了減少人工操作，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化編程，需要使用MOS管控制3個(gè)信號(hào)的電平，如圖2所示，其中 USART1＿BOOT0，USART1＿BOOT1和USART1＿VCC為單片機(jī)IO口，采用NMOS管控制，高電平導(dǎo)通，低電平截止，右側(cè)與USART1一起組成一組下載控制口，所使用的上電控制順序?yàn)椋篣SART1＿BOOT0高電平，USART1＿BOOT1低電平，USART1＿VCC高電平啟動(dòng)引導(dǎo)程序并完成ISP下載，下載完成后USART1＿VCC設(shè)置為低電平，然后再設(shè)置USART1＿BOOT0為低電平，USART1＿BOOT1低電平，USART1＿VCC高電平啟動(dòng)應(yīng)用程序。

圖2 MOS管控制組電路圖

由于串口不可以一對(duì)多組網(wǎng)通信，因此，每個(gè)器件均需獨(dú)立的串口進(jìn)行通信。本設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

本設(shè)計(jì)使用點(diǎn)陣顯示屏作為人機(jī)顯示接口，用于顯示燒錄文件名稱、被燒錄器件的芯片型號(hào)、可燒錄器件數(shù)量以及燒錄狀態(tài)等信息。顯示屏全部采用中文化菜單和提示信息，支持中英文混合顯示。同時(shí)采用5個(gè)獨(dú)立的三色LED，用于提示燒錄的進(jìn)程，對(duì)應(yīng)的燒錄口燒錄過(guò)程中顯示黃色，燒錄成功時(shí)顯示綠色，燒錄失敗時(shí)顯示紅色，同時(shí)使用蜂鳴器在燒錄結(jié)束時(shí)進(jìn)行鳴叫提示，從而可以增加操作的直觀性和易用性。

按鍵可以用來(lái)啟動(dòng)燒錄，設(shè)置燒錄參數(shù)，包含是否啟用讀保護(hù)、是否限制燒錄次數(shù)、是否啟用保密功能、是否自動(dòng)設(shè)定硬件序列號(hào)以及設(shè)置序列號(hào)的起始編碼以及遞增規(guī)則，當(dāng)啟用硬件序列號(hào)自動(dòng)燒錄功能時(shí)，在芯片內(nèi)部flash指定地址寫入唯一編碼和硬件序列號(hào)。

圖3 燒錄器結(jié)構(gòu)框圖

SPI Flash用于存儲(chǔ)待燒錄二進(jìn)制bin文件，可以存儲(chǔ)多個(gè)二進(jìn)制bin文件，燒錄時(shí)通過(guò)按鍵選擇其中一個(gè)進(jìn)行燒錄。燒錄器通過(guò)USB口與PC機(jī)通信，連接PC機(jī)時(shí)，燒錄器通過(guò)內(nèi)置軟件和對(duì)應(yīng)的PC機(jī)驅(qū)動(dòng)，把USB虛擬成一個(gè)串口，PC機(jī)上的專用軟件通過(guò)該虛擬串口，可以完成程序下載、燒錄參數(shù)設(shè)置等功能。系統(tǒng)供電可以使用5V直流電源適配器，也可以通過(guò)USB口的5V電源供電。

2.2 軟件算法處理流程

本設(shè)計(jì)的軟件流程如圖4所示，系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化，然后等待USB口消息和按鍵消息，通過(guò)USB口上位機(jī)可把待下載的二進(jìn)制文件下載到下載器板載的SPI Flash存儲(chǔ)器上，同時(shí)設(shè)置待下載文件對(duì)應(yīng)下載配置參數(shù)，包含起始地址、可下載最大次數(shù)、是否啟用讀保護(hù)等參數(shù)。每個(gè)下載文件和對(duì)應(yīng)的配置參數(shù)均單獨(dú)保存，使用按鍵選擇對(duì)應(yīng)的下載文件后，與之相關(guān)的配置參數(shù)也自動(dòng)調(diào)取并顯示。如果需要更改待下載參數(shù)，也可以通過(guò)按鍵修改并保存。燒錄器選擇好下載文件和下載配置參數(shù)后，即可以啟動(dòng)一鍵下載。一鍵下載啟動(dòng)后，每個(gè)下載端口對(duì)應(yīng)的MOS開關(guān)組同時(shí)打開，然后5路串口依次發(fā)送版本讀取命令0x01，得到應(yīng)答后，該端口置為有效，否則置為無(wú)效，顯示屏上對(duì)應(yīng)組號(hào)顯示“未發(fā)現(xiàn)可燒錄芯片！”。對(duì)于有效的端口，LED亮黃燈，然后依次發(fā)送芯片ID讀取命令，獲取待下載芯片的ID并在液晶屏顯示，然后根據(jù)待下載文件大小和起始地址，擦除待占用的芯片內(nèi)部flash，擦除完成后，從SPI Flash讀取下載文件內(nèi)容，并依次寫入有效端口連接的芯片。下載完成后，自動(dòng)進(jìn)行讀取校驗(yàn)功能，即把已下載的程序全部讀取出來(lái)并和待下載文件比較，如果比較結(jié)果正確無(wú)誤，說(shuō)明下載已成功，此時(shí)LED亮綠燈，蜂鳴器響1聲；如果校驗(yàn)出錯(cuò)，說(shuō)明下載失敗，此時(shí)LED亮紅燈，蜂鳴器連響2聲。無(wú)論下載失敗還是成功，下載結(jié)束后，均判斷是否關(guān)機(jī)，如果不關(guān)機(jī)，則自動(dòng)回到等待USB響應(yīng)和按鍵響應(yīng)。

圖4 軟件功能流程圖

3 編程器性能測(cè)試

為了提高燒錄速度，STM32F302RBT6單片機(jī)的5個(gè)串口均使用中斷發(fā)送和接收，SPI Flash啟用DMA讀取，從而SPI Flash讀寫和5個(gè)串口的接收均可以并行執(zhí)行。即首先啟用SPI Flash DMA讀取，待DMA讀取256字節(jié)完成時(shí)，再啟用5個(gè)串口中斷發(fā)送，然后在串口發(fā)送的同時(shí)再次啟用SPI Flash DMA讀取，待DMA讀取256字節(jié)完成時(shí)，判斷串口發(fā)送中斷標(biāo)志是否置位，如果中斷標(biāo)志有效則啟用再次啟動(dòng)串口中斷發(fā)送，否則等待串口發(fā)送完成中斷，從而可以大大提高并行處理性能，提高系統(tǒng)效率。

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的高效率特點(diǎn)，特意選用市面上常用的3種下載方式進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，即J－link，ST－link，脫機(jī)SW燒錄器，這3種燒錄器的共同點(diǎn)是全部采用SWD接口，需要在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留燒錄口才能使用。本設(shè)計(jì)采用USART接口，不占用系統(tǒng)IO口資源，程序下載完成后可以用于通信口。本測(cè)試使用50k二進(jìn)制bin文件分別進(jìn)行擦除、編程和校驗(yàn)測(cè)試測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。其中J－Link和ST－Link均采用PC機(jī)做主機(jī)，和PC的整體響應(yīng)速度相關(guān)，由于J－Link比ST－Link的速度高，因此在時(shí)間上用時(shí)較短。SWD脫機(jī)燒錄器，由于響應(yīng)較快，因此用時(shí)最少。本設(shè)計(jì)一次性燒錄5片，平均每片只需3.86s。

從數(shù)據(jù)可以看出，由于本設(shè)計(jì)采用的STM32 F302RBT6具有靈活的DMA處理和多串口中斷處理機(jī)制，通過(guò)中斷觸發(fā)和DMA操作，大大提高了系統(tǒng)的并行處理速度，從而實(shí)現(xiàn)編程5片比編程1片僅僅多用時(shí)3.4s，同時(shí)該MCU采用支持DSP和FPU指令，在提示并行下載速度的同時(shí)，確保了液晶屏得以流暢刷新顯示。使用本文設(shè)計(jì)的編程器，如果算上裝夾時(shí)間，最快在30s內(nèi)就可以燒錄5片單片機(jī)，可以大大提高生產(chǎn)效率。

表2 燒錄器時(shí)間參數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

該燒錄器支持STM32全系列單片機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)五脫機(jī)編程，一鍵下載和加密保護(hù)功能在大大提高了生產(chǎn)效率同時(shí)也提高了程序安全性。其燒錄方便，操作簡(jiǎn)單，可以滿足生產(chǎn)線批量燒寫需求，并且只需使用USART接口，燒錄完成后，USART可以被應(yīng)用程序再次使用，不浪費(fèi)任何單片機(jī)資源。本方案在解決原廠提供的燒錄軟件不足的同時(shí)，也為推廣高性價(jià)比的STM32系列單片機(jī)提供了便利。

［1］陳晨，董為云.基于STM32的 USB通信程序設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2014（1）：266.

［2］鄧國(guó)榮.基于STM32SPI接口的M25P80FALSH的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)電信息，2013（6）：144－145.

［3］ST.USART protocol used in the STM32bootloader［EB／OL］.［2014－06－27］.http：／／www.stmcu.org／document／download／index／id－208524.

［4］ST.STM32F301x6／8and STM32F318x8advanced ARM－based 32－bit MCUs［EB／OL］.［2014－06－23］.http：／／www.st.com／st－web－ui／static／active／en／resource／technical／document／datasheet／DM00094064.