在應(yīng)用編程技術(shù)在測井儀器中的應(yīng)用研究

黨明江 魏亞軍

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所 河南 新鄉(xiāng) 453003;2.陜西延長石油集團(tuán)油氣勘探公司 陜西 延安 716000)

0 引言

目前，固件升級技術(shù)在手機(jī)、平板等多種嵌入式設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。石油測井儀器在使用過程中，有時也需要對應(yīng)用程序進(jìn)行升級，以修復(fù)上一版本缺陷或增加儀器適應(yīng)能力，獲得更好的測井效果。雖然測井儀器中使用的單片機(jī)大都支持通過JTAG 方式進(jìn)行在系統(tǒng)編程，但在編程時往往需要研發(fā)人員到油田現(xiàn)場，拆開儀器后使用專用的編程器才能完成對應(yīng)用程序的升級。如果使測井儀器具備在應(yīng)用編程功能，研發(fā)人員只需將新程序的代碼發(fā)送給油田用戶，油田用戶在現(xiàn)場無需拆卸儀器即可完成測井儀器應(yīng)用程序的升級，這種方式省時省力，具有較高的實(shí)用價值。

1 在應(yīng)用編程的基礎(chǔ)

C8051FXXX 系列單片機(jī)［1］是美國Cygnal 公司開發(fā)的完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU，其CIP-51 內(nèi)核的指令系統(tǒng)與8051 完全兼容，由于采用了高速、流水線結(jié)構(gòu)，C8051FXXX 單片機(jī)的執(zhí)行速度比標(biāo)準(zhǔn)8051 單片機(jī)快數(shù)倍。同時該系列的單片機(jī)片上還集成了豐富的外設(shè)資源，包括ADC、DAC、PCA、定時計數(shù)器以及多種通訊接口，單片集成電路基本上可以完成應(yīng)用系統(tǒng)所需的數(shù)字通訊和控制功能，可以很好地應(yīng)用到石油測井儀器中。

C8051F040 單片機(jī)［2］是C8051FXXX 系列中一種，由于該單片機(jī)內(nèi)部集成了一個CAN2.0B 控制器，常用于需要使用CAN 總線的場合。C8051F040 單片機(jī)內(nèi)部集成了64 kB 的FLASH 存儲器，用于程序代碼和非易失性數(shù)據(jù)的存儲。Silicon Labs 或第三方提供的編程工具可以通過JTAG 接口對FLASH 存儲空間編程，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的在線調(diào)試和在系統(tǒng)編程。同時，單片機(jī)中的軟件也可以通過MOVX 寫指令對FLASH 存儲器編程，這是該單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用編程的基礎(chǔ)。

C8051F040 沒有專門的指令完成對FLASH 存儲器的寫和擦除操作，通過設(shè)置單片機(jī)內(nèi)部控制寄存器幾個相關(guān)位，就可以使用MOVX 寫指令完成對FLASH 存儲器的寫和擦除操作［3］。與FLASH 存儲器編程相關(guān)的位有三個，位于控制寄存器PSCTL 和FLSCL 中，分別是:單片機(jī)軟件寫/擦除FLASH 允許位FLWE(FLSCL. 0)，F(xiàn)LASH 擦除允許位PSEE(PSCTL.1)，MOVX 寫指令指向FLASH 控制位PSWE(PSCTL.0)，通過設(shè)置三個位的組合方式，單片機(jī)的MOVX 寫指令可以實(shí)現(xiàn)三種不同的功能，如表1 所示。單片機(jī)復(fù)位后，這三個位都處于“0”狀態(tài)，此時，MOVX 寫指令指向XRAM 空間，單片機(jī)指令不能更改FLASH 存儲器的內(nèi)容。

表1 MOVX 寫指令的三種功能

對FLASH 存儲器的寫操作只能將數(shù)據(jù)位由“1”寫為“0”，如果數(shù)據(jù)位原來是“0”，是無法通過簡單的寫指令將該位寫為“1”的，只有通過擦除操作才能將FLASH數(shù)據(jù)位置“1”。因此，在寫入新數(shù)據(jù)之前，一般都要先擦除待編程地址的數(shù)據(jù)。需要注意的是，F(xiàn)LASH 數(shù)據(jù)的擦除操作是頁擦除方式，即每執(zhí)行一次頁擦除指令，該FLASH 頁內(nèi)的所有的數(shù)據(jù)將會被擦除為0xff。C8051F040 共有64kB 的FLASH 空間，從0x0000 地址開始，每512 個連續(xù)字節(jié)為一頁，共分為128 個FLASH 頁。當(dāng)設(shè)置為頁擦除方式時，對頁內(nèi)的任何一個地址執(zhí)行寫操作就可以擦除整個FLASH 頁的數(shù)據(jù)，將該頁內(nèi)所有的字節(jié)都置為0xff。

實(shí)際應(yīng)用中必須注意，在執(zhí)行FLASH 寫和擦除操作時，必須禁止中斷，以防在其它中斷中使用MOVX 寫指令對FLASH 存儲器造成誤操作。下面代碼顯示了將位于XRAM 中(addrh，addrl)地址開始的512 字節(jié)寫入FLASH 中從0x1000 到0x11ff 地址的詳細(xì)過程。

2 實(shí)現(xiàn)的原理和方法

一般測井儀器中的單片機(jī)程序只包含實(shí)現(xiàn)測井功能的應(yīng)用程序，為了實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用編程功能，單片機(jī)中必須增加引導(dǎo)裝載程序。引導(dǎo)裝載程序?qū)崿F(xiàn)以下功能:在系統(tǒng)復(fù)位后首先獲得控制權(quán)，試圖與上位機(jī)取得聯(lián)系，判定是否需要升級應(yīng)用程序，如不需要升級程序并且應(yīng)用程序正確時，引導(dǎo)裝載程序?qū)⒖刂茩?quán)交給測井應(yīng)用程序完成儀器的正常測井功能。

由于引導(dǎo)裝載程序需要從上位機(jī)獲取新應(yīng)用程序的代碼，因此測井儀器需要增加與上位機(jī)的通訊接口。在實(shí)際應(yīng)用中，串口是簡單、常用且資源需求低的通訊接口，本設(shè)計中使用單片機(jī)的UART0 串口作為通訊接口。由于計算機(jī)端的串口使用的是RS232 電平標(biāo)準(zhǔn)，而C8051F040 單片機(jī)UART0 串口使用的是TTL 電平標(biāo)準(zhǔn)，因此在測井儀器中需要增加MAX232 芯片完成RS232電平和TTL 電平之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)之間的雙向通訊［4］。

為實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用編程功能，將C8051F040 單片機(jī)的程序空間劃分為兩部分:0x0000—0x0fff 為引導(dǎo)裝載程序區(qū);0x1000 以上為應(yīng)用程序區(qū)。C8051F040 單片機(jī)復(fù)位后，程序指針指向0x0000，引導(dǎo)裝載程序首先獲得控制權(quán)開始執(zhí)行。

3 引導(dǎo)裝載程序的設(shè)計

單片機(jī)使用UART0 與上位機(jī)的通訊，因此將引導(dǎo)裝載程序中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序升級功能的代碼放在UART0 中斷服務(wù)程序中?？紤]到引導(dǎo)裝載程序的重要性，在設(shè)計中必須充分考慮到應(yīng)用程序升級過程中可能出現(xiàn)的各種異常情況。為了確保出現(xiàn)異常情況造成升級失敗后，對測井儀器重新加電后仍能繼續(xù)完成應(yīng)用軟件的升級，設(shè)計中遵循了以下原則:

第一，在應(yīng)用程序的升級過程中，應(yīng)該避免對引導(dǎo)裝載程序空間的擦除和寫入操作。否則，如果在擦除或?qū)懭脒^程中出現(xiàn)了掉電的異常情況，將造成引導(dǎo)裝載程序的自身錯誤而導(dǎo)致系統(tǒng)自舉失敗，因此必須禁止對引導(dǎo)裝載程序所在的FLASH 空間進(jìn)行寫或擦除操作。

C8051F040 有21 個中斷源，中斷向量的地址位于0x0000 到0x0100 之間，屬于引導(dǎo)裝載程序禁止更新的地址空間，為了保證使測井程序能正常使用這些中斷，引導(dǎo)裝載程序必須將這些中斷向量轉(zhuǎn)接到測井程序空間中。實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)接的方法并不復(fù)雜，例如INT0 中斷的地址轉(zhuǎn)接可用下面的代碼實(shí)現(xiàn)，其它中斷向量的轉(zhuǎn)接可以用同樣的方法完成。UART0 中斷只允許引導(dǎo)裝載程序使用，無須轉(zhuǎn)接到應(yīng)用程序空間中。

第二，應(yīng)用程序在升級過程中如果由于異常情況造成升級失敗時，由于應(yīng)用程序代碼不正確，運(yùn)行時必然會出現(xiàn)程序跑飛的情況。為了避免此類情況的發(fā)生，引導(dǎo)裝載程序在將控制權(quán)交給應(yīng)用程序之前應(yīng)該檢查應(yīng)用程序代碼的完整性，在確認(rèn)應(yīng)用程序正確后再移交控制權(quán)。在應(yīng)用程序升級過程中，引導(dǎo)裝載程序在對舊應(yīng)用程序擦除之前，首先擦除0x0e00 所在的FLASH 頁，此時0x0e00 字節(jié)單元的內(nèi)容為0xff，在新應(yīng)用程序?qū)懭胪瓿珊螅龑?dǎo)裝載程序?qū)?x0e00 字節(jié)單元的內(nèi)容寫為0x55。這樣，引導(dǎo)裝載程序就可以通過讀取0x0e00 地址的值是不是0x55 來決定是否移交控制權(quán)。

第三，基于以上的設(shè)計，應(yīng)用程序的升級過程是由引導(dǎo)裝載程序在UART0 中斷服務(wù)程序中完成的。這就要求應(yīng)用程序正確設(shè)置交叉開關(guān)使能UART0 串口，并允許UART0 中斷。實(shí)際中應(yīng)用程序可能由于存在邏輯錯誤導(dǎo)致無法進(jìn)入UART0 中斷，造成無法更新應(yīng)用程序的情況。為了應(yīng)對此類問題，在引導(dǎo)裝載程序啟動時增加了一個窗口期，在此窗口期中始終等待與上位機(jī)的升級握手，窗口期過去之后再將控制權(quán)移交給應(yīng)用程序。窗口期的存在延長了儀器的上電響應(yīng)時間，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)窗口期時間的長短。

下面是引導(dǎo)裝載程序的流程圖，如圖1 所示。

第四，測井應(yīng)用程序的設(shè)計應(yīng)符合以下要求:

正確設(shè)置交叉開關(guān)，使能UART0 串口，并允許UART0 中斷。

圖1 引導(dǎo)裝載程序流程圖

應(yīng)用程序的入口地址從0x0000 改為0x1000，各中斷向量的地址也相應(yīng)的從0x00xx 改為0x10xx。

新的應(yīng)用程序編寫完成后，經(jīng)匯編后生成二進(jìn)制代碼包。在升級過程中，上位機(jī)軟件首先通過RS232 串口與測井儀器建立通訊，然后讀取二進(jìn)制代碼包，將其拆分成多個512 字節(jié)的小包，將起始地址、512 字節(jié)代碼以及校驗(yàn)碼等打包后發(fā)送給測井儀器并等待測井儀器頁更新完成握手，待所有待數(shù)據(jù)包都完成更新后，發(fā)送升級結(jié)束命令，完成本次應(yīng)用程序的升級。

4 結(jié) 論

本方法通過在C8051F040 單片機(jī)中植入引導(dǎo)裝載程序，只需要占用較少的單片機(jī)資源就實(shí)現(xiàn)了測井儀器的在應(yīng)用升級功能，具有很高的實(shí)用價值。本方法在設(shè)計中充分考慮了對升級過程中由于異常情況造成升級失敗的預(yù)防和處理，保證了在測井儀器應(yīng)用程序升級的可靠性。本設(shè)計對于其它類型單片機(jī)實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用升級方法也具有重要的參考意義。

［1］潘琢金，施國君.C8051Fxxx 高速SOC 單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003:1 -7.

［2］童長飛.C8051F 系列單片機(jī)開發(fā)與C 語言編程［M］. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005:38 -43.

［3］［美］SILICON LAB 公司. AN201 WRITING TO FLASH FROM FIRMWARE.2007:7 -12(資料)

［4］［美］Maxim 公司. +5V -Powered，Multichannel RS -232 Drivers/ Receivers.2000(資料)