便攜式單片機(jī)程序下載器設(shè)計(jì)

朱偉紅，孫師賢，馬英文，賈建波，韓耀圖

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司，北京 101149；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452）

0 引 言

定向鉆井是使井身沿著預(yù)先設(shè)定的方向和軌跡鉆達(dá)目的層的鉆井技術(shù)[1]，而隨鉆測(cè)井系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)定向鉆井的關(guān)鍵技術(shù)[2]。中海油研發(fā)的隨鉆測(cè)井系統(tǒng)采用ADuC845型單片機(jī)采集井下的相關(guān)參數(shù)。

在實(shí)際使用中，為了完善設(shè)備功能，滿足用戶要求，需要不定期地對(duì)ADuC845程序進(jìn)行更新。目前，對(duì)單片機(jī)程序進(jìn)行更新，一般需要攜帶計(jì)算機(jī)到現(xiàn)場(chǎng)利用IAP軟件完成，并需要拆開設(shè)備箱體，露出電路板才能進(jìn)行操作[3]。這樣不僅操作繁瑣，而且需要將隨鉆測(cè)井系統(tǒng)從井下取出，影響生產(chǎn)。為此，必須設(shè)計(jì)一種新方法，能在不攜帶笨重的計(jì)算機(jī)和不影響生產(chǎn)的情況下對(duì)ADuC845的程序進(jìn)行更新。本文設(shè)計(jì)了一種基于485總線的便攜式單片機(jī)程序下載器，以解決上述問題。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

基于485總線的便攜式單片機(jī)程序下載器的組成如圖1所示，主要包括電源模塊、U盤、控制模塊、485總線以及電池等部分。

圖1 裝置組成框圖

為了滿足便攜式的要求，該裝置由鋰電池供電，通過電源模塊將鋰電池輸出的12 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V電壓向控制模塊供電。利用計(jì)算機(jī)將ADuC845程序轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的Intel HEX文件保存在U盤中。控制模塊的485接口直接與隨鉆測(cè)井系統(tǒng)的485接口相連。該485接口在隨鉆測(cè)井系統(tǒng)中通過485/UART轉(zhuǎn)換模塊與ADuC845單片機(jī)相連。工作時(shí)，將U盤插入控制模塊的USB口，控制模塊讀取U盤中保存的HEX文件，按照規(guī)定的時(shí)序通過485總線傳輸給ADuC845單片機(jī)。

2 裝置的硬件電路

該裝置的硬件電路包括電源模塊和控制模塊兩部分。

2.1 電源模塊

為了滿足控制模塊供電和裝置長時(shí)間待機(jī)的要求，該裝置采用容量為10 Ah的12 V鋰電池供電。由于控制模塊需要5 V供電，因此選用電源模塊BSD12-12S05進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。該模塊具有寬電壓輸入特性，可在9～18 V輸入下正常工作，輸出電壓為5 V，功率為12 W，轉(zhuǎn)換效率為80%，輸出電壓精度達(dá)到±1%，紋波小于50 mV，并具有短路保護(hù)功能[4]。電路如圖2所示。

圖2 電源電路原理圖

2.2 控制模塊

為了縮短開發(fā)時(shí)間，提高工作可靠性，本系統(tǒng)直接選用英創(chuàng)信息技術(shù)有限公司生產(chǎn)的EM9170嵌入式開發(fā)板。EM9170是一款面向工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的高性價(jià)比嵌入式主板，以FreeScale的iMX257為硬件核心，并帶有多種標(biāo)準(zhǔn)接口，如以太網(wǎng)接口、CAN總線接口、485接口、USB高速主控接口USBOTG接口、及GPIO[5]。該開發(fā)板的USB接口可直接連接U盤，485接口與隨鉆測(cè)井系統(tǒng)的485接口相連。此外，該開發(fā)板的GPIO0和GPIO1分別連接該裝置的啟動(dòng)按鍵與停止按鍵；GPIO2、GPIO3、GPIO4分別連接該裝置的就緒指示燈、傳輸指示燈和故障指示燈。

3 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 ADuC845的總線指令系統(tǒng)

正常情況下，利用計(jì)算機(jī)通過Analog Devices公司開發(fā)的WSD（Windows Serial Downloader）軟件將編寫好的HEX文件寫入ADuC845單片機(jī)[6]。時(shí)序和總線指令由WSD軟件保證，用戶無須關(guān)心。但是，本裝置沒有使用計(jì)算機(jī)，不能用WSD軟件，因此下載程序的時(shí)序和總線指令必須由控制模塊通過軟件編程實(shí)現(xiàn)。下面介紹ADuC845型單片機(jī)的總線指令系統(tǒng)。

3.1.1 總線指令的格式

為啟動(dòng)ADuC845單片機(jī)的某項(xiàng)特定操作，由控制模塊向單片機(jī)發(fā)出一條總線指令，即一個(gè)幀序列。一條總線指令可以由一個(gè)命令幀（CF）組成，也可以由一個(gè)命令幀和多個(gè)數(shù)據(jù)幀（DF）組成，但總是以一個(gè)命令幀為起始幀?？偩€指令格式如圖3所示。

圖3 總線指令格式

總線指令系統(tǒng)中，CF為十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，一個(gè)字節(jié)；DF為十六進(jìn)制數(shù)，兩個(gè)字節(jié)。

總線應(yīng)答指令也有兩種基本組成，分別為單DF形式和多DF形式，與總線指令類似。

3.1.2 主要總線指令

（1）切換進(jìn)入Bootloader指令。單片機(jī)中的Bootloader程序通常含有通信端口初始化程序、監(jiān)控程序、更新服務(wù)程序和跳轉(zhuǎn)指令，用來判斷進(jìn)行程序升級(jí)服務(wù)還是將控制權(quán)交給正常功能程序[7]，因此ADuC845必須具有切換進(jìn)入Bootloader的指令。

SET_BOOTLOADER指令負(fù)責(zé)控制程序由User Code切換到Bootloader程序，進(jìn)入程序在線更新狀態(tài)。該指令應(yīng)用在User Code狀態(tài)。

PUSHTOBOOTLOADER指令控制程序在不能正常由UserApp切換到Bootloader程序時(shí)使用。此指令需要在目標(biāo)單片機(jī)啟動(dòng)后3 s內(nèi)發(fā)送，確認(rèn)回傳數(shù)據(jù)正確后，會(huì)強(qiáng)制目標(biāo)單片機(jī)進(jìn)入Bootloading狀態(tài)。

（2）切換進(jìn)入U(xiǎn)ser Code指令。固件寫入正確執(zhí)行命令后，發(fā)送切換進(jìn)入U(xiǎn)ser Code命令SWITCHTOUSERAPP，控制程序從UserApp程序入口，即0x0000開始執(zhí)行。

（3）握手命令。SHAKE_HAND命令為一般測(cè)試命令，通過該命令確定是否能夠與Bootloading下的單片機(jī)進(jìn)行通信。該指令應(yīng)用在Bootloading狀態(tài)。

（4）擦除命令。系統(tǒng)進(jìn)入Bootloader模式，當(dāng)正確接收擦除指令即ERASE指令后，將擦除ADuC845單片機(jī)的56 kB用戶應(yīng)用程序區(qū)，擦除完成后發(fā)出響應(yīng)。該指令應(yīng)用在Bootloading狀態(tài)。

（5）固件寫入指令。WFM固件寫入指令需要將標(biāo)準(zhǔn)的Intel HEX文件轉(zhuǎn)換成協(xié)議格式發(fā)送。每條命令一次發(fā)送256 B數(shù)據(jù)。該指令用在Bootloading狀態(tài)。

（6）通信測(cè)試指令。RST_ECHO通信測(cè)試指令，用于測(cè)試目標(biāo)單片機(jī)在UserApp狀態(tài)下的通信質(zhì)量。發(fā)送此指令，回復(fù)正確，表明當(dāng)前單片機(jī)工作于UserApp狀態(tài)。

3.1.3 Intel HEX文件格式簡(jiǎn)介

Intel HEX文件是記錄文本行的ASCII文本文件。在Intel HEX文件中，每一行是一條HEX記錄，即由十六進(jìn)制數(shù)組成的機(jī)器碼或者靜態(tài)數(shù)據(jù)[8]。一個(gè)Intel HEX文件可以包含多條十六進(jìn)制記錄，每條記錄有5個(gè)區(qū)，如下所示：

:AABBBBCC[DD…DD]EE

每個(gè)字符為一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)字，兩個(gè)字符是一個(gè)字節(jié)，每組字符是一個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)至少由2個(gè)十六進(jìn)制數(shù)組成，各區(qū)的含義如下：

:表示該行記錄的開始；AA表示本行包含的數(shù)據(jù)長度，即DD字節(jié)的個(gè)數(shù)；BBBB表示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的起始地址；CC表示數(shù)據(jù)的類型，00表示數(shù)據(jù)記錄，01表示文件結(jié)束記錄，01表示擴(kuò)展段地址記錄，04表示擴(kuò)展線性地址記錄；DD表示數(shù)據(jù)，每?jī)蓚€(gè)字符表示一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，字節(jié)數(shù)量與AA一致；EE表示校驗(yàn)碼。

3.2 程序下載流程

利用計(jì)算機(jī)的編程軟件生成HEX文件存入U(xiǎn)盤，將U盤插入控制模塊的USB口，控制模塊讀取HEX文件，再按照下列步驟對(duì)ADuC845進(jìn)行程序更新。

第一，單片機(jī)加電后，首先判斷單片機(jī)是否進(jìn)入U(xiǎn)serApp狀態(tài)，即發(fā)送RST_ECHO通信測(cè)試指令，判斷單片機(jī)是否回復(fù)正確。如果回復(fù)正確，表明單片機(jī)處于UserApp狀態(tài)，再向單片機(jī)發(fā)送SET_BOOTLOADER指令，設(shè)置單片機(jī)處于Bootloading狀態(tài)；如果回復(fù)錯(cuò)誤，則單片機(jī)不處于UserApp狀態(tài)，再重啟單片機(jī)，并在3 s內(nèi)發(fā)送強(qiáng)制切換到Bootloading狀態(tài)的指令，即PUSHTOBOOTLOADER指令。

第二，向單片機(jī)發(fā)送SHAKE_HAND握手指令，判斷能否與Bootloading狀態(tài)下的單片機(jī)通信，如果回復(fù)正確，執(zhí)行下一步；如果回復(fù)錯(cuò)誤，再次發(fā)送握手指令，當(dāng)次數(shù)超過3次，顯示通信錯(cuò)誤標(biāo)志，并重新利用PUSHTOBOOTLOADER指令將單片機(jī)設(shè)置為Bootloading狀態(tài)。

第三，向單片機(jī)發(fā)送ERASE擦除指令，擦除56 kB的用戶應(yīng)用程序區(qū)，如果回復(fù)正確，執(zhí)行下一步；如果回復(fù)錯(cuò)誤，再次執(zhí)行ERASE指令，直至回復(fù)正確為止。

第四，向單片機(jī)發(fā)送WFM固件寫入指令。將HEX文件轉(zhuǎn)換為協(xié)議格式發(fā)送，每次發(fā)送256 B數(shù)據(jù)，如果在寫入數(shù)據(jù)過程中，回復(fù)錯(cuò)誤，重新執(zhí)行ERASE和WFM指令。如果回復(fù)錯(cuò)誤次數(shù)超過2次，顯示下載錯(cuò)誤標(biāo)志，終止執(zhí)行。多次執(zhí)行WFM指令，直至程序下載完成為止，再執(zhí)行下一步。

第五，向單片機(jī)發(fā)送SWITCHTOUSERAPP指令，將單片機(jī)切換到User Code狀態(tài)，如果回復(fù)正確，程序下載結(jié)束；如果回復(fù)錯(cuò)誤，再次執(zhí)行SWITCHTOUSERAPP指令，直至回復(fù)正確為止。

程序下載流程圖如圖4所示。

圖4 程序下載流程圖

4 結(jié) 論

基于485總線的便攜式單片機(jī)程序下載器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、待機(jī)時(shí)間長以及可對(duì)單片機(jī)程序進(jìn)行遠(yuǎn)程更新等優(yōu)點(diǎn)。目前，該裝置已經(jīng)應(yīng)用于中海油服的隨鉆測(cè)井系統(tǒng)，并取得了良好的應(yīng)用效果。