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标题: 单片机程序远程升级技术 [打印本页]

作者: liyf 时间: 2014-9-29 20:08
标题: 单片机程序远程升级技术
单片机程序远程升级技术
周天兵，刘国忠
( 山西科泰微技术有限公司，山西太原030006)
摘要: 介绍一种单片机程序远程升级技术，并详细描述了此方法的设计和实现过程。该技术是通过在单片机Flash 存储器中
置入引导加载程序来实现的，解决了不具备IAP 功能的普通单片机程序远程升级问题。
关键词: 单片机; 远程升级; 引导加载程序; 在应用编程
中图分类号: TP39 文献标识码: A 文章编号: 1006 － 2394(2011)09 － 0025 － 03
Remote Upgrade Technology for the MCU Program
ZHOU Tian-bing，LIU Guo-zhong
( Shanxi Kotel Micro Technique Co．，Ltd，Taiyuan 030006，China)
Abstract: A remote upgrading technology for the MCU programs is introduced in this paper，and the design and
implementation process is described in detail． This technology is achieved by using a MCU Flash-resident bootloader program，
and by which the problem of the MCU without IAP function to downloading and uploading programs is solved．
Key words: MCU; remote upgrade; bootloader; IAP
0 引言
单片机程序烧录是一个关键技术，主要有以下3
种方法: 1) 采用传统的并行编程器烧录; 2) 通过串行
口( 如JTAG 接口) 进行在系统编程，即ISP( In-System
programming) 技术; 3 ) 基于IAP ( In-Application programming)
技术的在应用编程。ISP 方式相对于传统
的并行编程方式有了极大的进步，它不需要将单片机
从电路板上卸下就可对单片机芯片进行编程，方便调
试，也简化了产品设计制造流程，大大缩短了开发时
间。但ISP 也有其不足之处，每次烧录时必须通过专
用编程设备。而在某些特殊应用场合，尤其是对一些
无人值守的单片机程序升级时，需要进行远程升级，
ISP 无法适用，而IAP 能很好地解决这一问题。IAP 和
ISP 是一脉相承的，只是IAP 将芯片的编程融入到通
信系统中。IAP 技术对仪器仪表的智能化意义重大，
高档的智能设备都具有自诊断、自修复、自适应和自升
级功能。随着芯片技术的高速发展，各厂家相继推出
了支持IAP 技术的芯片，如Philips 的P89C669 和ATMEL
的ATmega 系列AVR 单片机等，但对于大多数的
普通单片机都不具备IAP 功能，而大多应用中又都带
有通信接口，则可以借鉴带有IAP 功能的单片机编程
技术，在普通单片机上实现IAP技术。本文以Silabs公
司的C8051F120 为例说明在普通单片机上实现单片
机程序远程升级的设计过程。
1 远程升级原理概述
目前，多数单片机程序远程升级都是基于单片机
的IAP 技术， IAP 技术是应用在Flash 程序存储器的一
种编程模式，它从结构上将Flash 存储器映射为两个
存储区域，通过运行其中一个存储区域上特定的IAP
程序来对另一个存储区域进行编程操作，编程完成后
跳转到新用户程序开始运行。这就要求预先在其中一
个存储区域中装入引导加载程序，即Bootloader 程序。
在一些支持IAP 的单片机中，本身就带有Bootloader
程序，芯片出厂时由厂家写入，有的还允许用户对其进
行修改。对于一些本身不具备IAP 功能的单片机，可
以利用其已有的通信接口，再编写Bootloader 程序实
现单片机程序远程升级。
C8051F120 采用高速、流水线结构的CIP － 51 内
核，与MCS － 51 兼容，其内部PLL 可倍频至100 MHz，
具有2 个UART 串口，128 KB 可在系统编程的Flash
存储器， 8448( 8 K + 256) 字节的片上RAM，有JTAG 接
口，其完全具备单片机程序远程升级的条件。在
C8051F120 单片机上实现程序远程升级，除了用户
程序之外，还需要另外编写用于引导加载的Bootload-
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er 程序，该程序必须通过JTAG 接口烧入相应的
Flash 区域，而用户程序可以通过Bootloader 程序的
IAP 功能写入，或通过JTAG 接口烧入。当芯片上电
后，首先，程序跳至Bootloader 程序开始运行，然后检
查升级条件或标记，如果需要进行升级，则接收数
据，执行升级服务程序进行程序更新，否则跳至用户
程序开始执行。
2 远程升级的设计与实现
2．1 远程升级系统构成
单片机程序远程升级系统由计算机和设备终端两
部分组成，计算机和设备终端之间的连接可以根据具
体的应用和现有资源选用相应的通信接口，如RS －
232、RS － 485，CAN、USB 等总线接口，或是无线网络、
TCP /IP、GPRS 等网络接口，本设计选用RS － 485 接
口。由于单片机开发环境生成的代码文件( 如* ． bin
或* ． hex 代码文件) 通常都包含一些附加格式等信
息，所以需要在计算上设计上位机应用软件将单片机
代码文件中代码信息提取出来，然后按照规定的格式
打包，并发送至单片机设备终端。单片机程序远程升
级系统组成框图如图1 所示。
图1 单片机程序远程升级系统组成框图
2．2 存储器规划及Bootloader 的启动
鉴于51 单片机的特点，从0 地址开始的区域存放
中断向量表，实现复位以及中断的跳转。把存放用户
应用程序的区域称为APP 区，用于存放Bootloader 程
序的区域称为BOOT 区，原则上APP 区和BOOT 区可
以存放在Flash 存储器的任意位置，但考虑到Bootloader
程序的通用性，以及对用户程序开发的约束条
件尽量少，且用户程序一般不超过64 K( 因为单片机
的长跳转指令LJMP 只能在64 K 范围内跳转，若程序
超过64 K，则要应用Bank Switch 技术) ，Bootloader 程
序较小，因此，将0 ～ 0xEFFF 区域作为APP 区，后面4
K，即0xF000 ～ 0xFFFF 作为BOOT 区。但由于51 单
片机上电后执行的第一条便是0x0000 至0x0002 处的
指令，即一条LJMP 跳转语句，所以在从0 地址开始的
3 个字节处写入一条跳转指令，使得单片机上电或复
位后能够进入Bootloader 程序。
Bootloader 程序的启动主要有两种方式，一种是，
芯片上电后，先运行用户程序，当需要升级程序时，
再从用户程序调用Bootloader 程序，即将程序指针跳
转至Bootloader 程序开始执行; 另一种方式是，芯片
上电后，先跳至Bootloader 程序开始运行，无升级条
件或标记再跳至用户程序开始执行。前者若在程序
升级过程中出现断电或是死机，则重启后无法再通
过IAP 方式进行升级，只能通过JTAG 接口恢复，而
第二种方式，只要在从0 地址开始的前3 个字节( 该
处存放Bootloader 程序入口地址向量) 写入过程没出
现断电或是死机，就总是能进入Bootloader 程序，因
此，相对前者，后者安全性要高得多。本设计采用第
二种方式。
2．3 Bootloader 的设计和实现
Bootloader 程序通常由时钟和通信接口等硬件初
始化、监测程序、升级服务程序( 包括数据接收、Flash
擦除和读写等操作) 、跳转指令组成，以保证Bootloader
程序能正常进行引导加载。监测程序主要是检测升级
命令，本设计中是检测上位机发送的升级命令，这种方
式需要Bootloader 程序有握手等待时间，该时间大概
需要10 ～ 200 ms( 通信波特率大于115200 bit /s 时) 。
对于要求启动时间较小的系统，可以采用检测I /O 的
方法。收到握手命令后发送握手成功命令，等待升级
命令，若收到升级命令，则置升级允许标志，并接收数
据进行升级，否则，跳转至用户程序开始运行。
为保证接收数据的正确性和远程在线升级的可靠
性，对下载传输的代码数据打包，并规定了打包的帧格
式，帧头( EB 55) + 帧长度+ 帧ID + 数据+ 帧计数+
CRC 校验码。并且在传输过程中增加回传确认机制，
即当引导加载程序发现数据有误时，便会发送重发上
一帧的请求。通过不同的帧ID 来区分首帧、末帧和其
他帧。因为首帧中包含用户程序入口地址，所以，当判
断收到首帧且数据校验正确后，先备份Bootloader 入
口地址，即单片机Flash 从0 地址开始的3 个字节，然
后擦除用户程序Flash 区，再恢复Bootloader 入口地
址，并将首帧数据的前3 个字节，即用户程序入口地
址，写入到Bootloader 区指定位置，其余数据从单片机
Flash 的第4 个字节开始写入，对用户程序进行更新;
等待更新完末帧后，在Bootloader 区指定地址写入用
户程序有效标志，再将单片机软件复位，然后进入到用
户程序。为避免和用户程序中冲突，在Bootloader 程
序中没有使用中断。Bootloader 程序流程图如图2 所
示。
3 可靠性分析
由于C8051F120 中Flash 一次擦除最小单位是一
·26· 仪表技术2011 年第9 期
图2 Bootloader 程序主流程图
页( 1024 字节) ，且第一页存有中断向量表，所以，当对
软件进行升级时，必须擦除第一页。而从0 地址开始
的3 个字节处存有一条跳转至Bootloader 程序的跳转
语句，一旦擦除第一页后，在恢复从0 地址开始的3 个
字节( 即Bootloader 程序入口地址) 过程中出现断电后
死机，将使系统不能启动，则必须返厂采用JTAG 接口
才能重新烧写Bootloader 程序，因此，应尽量避免在升
级过程中断电。可以在收到首帧程序数据后擦除第一
页，并立即写入Bootloader 程序入口地址，以尽可能地
降低Bootloader 程序入口地址被破坏的几率。
4 结束语
本文介绍了一种简单易行、方便实用的普通单片
机程序远程升级方法。其优点显而易见，不仅为系统
地维护和升级提供了方便，还节省了大量的人力、物力
( 下转第31 页)
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4 自动控制算法
本系统主要控制对象是淀粉浆料经蒸汽喷射加热
器后的温度，对该温度控制的好坏，直接决定了淀粉浆
料的蒸煮效果及系统的节能降耗。
本系统中淀粉浆料经蒸汽喷射器后的温度参数是
在PID 控制、模糊控制等控制策略的基础上，利用机械
装置中的蒸汽喷射器及各流量、压力、温度参数有机集
合，形成的一种控制策略，其基本思想是将系统的调节
量，按照系统偏差及机械喷射器补偿信号的变化特点
来决定。其组成如图6 所示。
图6 控制器组成框图
图6 中，r( t) 为输入信号，输入到控制系统的主令
信号; b( t) 为反馈输入信号，与输出量成正比或某种函
数关系，量纲与输入信号相同; e( t) 和M( t) 为控制器
输入，分别表示偏差信号和机械喷射器补偿信号，是系
统表现出来的运动特征，给出相应动作的控制点; 逻辑
控制器接收偏差信号及机械喷射器补偿信号，决定给
出控制对象的相应输出信号; u( k) 为控制量，是逻辑
控制决定作用到被控对象的信号; 执行元件作用于被
控对象，并使其完成预定的性能; c( t) 为被控量( 或称
系统输出) ，是被控制的物理量; 测量元件将被控量转
换为反馈输入信号的装置，可对被控量进行测量并转
换成能与输入信号进行比较的量纲和数值。误差检测
器( 又称比较环节) 的输出等于输入和反馈信号之差。
5 实现工厂联网
通过数据总线，本PLC 自动控制系统可以作为子
系统与上位机、工厂的DCS 控制系统( Distributed Control
System) 通信，实现工厂联网。中央控制室通过本
子系统查看各监控点的实时参数，结合整个生产线的
需求下达控制指令，由本子系统执行，子系统根据指令
生产满足需要的浓度和流量的淀粉糊。
6 结言
在淀粉蒸煮器中引入PLC 自动控制系统，无疑是
对淀粉糊制浆过程、设备的一次革命性更新。并且，此
设备是以成套形式提供给使用者的，PLC 控制系统又
具有编程方便、易操作、维修简单的特点，能使此类产
品迅速融入到工厂的生产线中。具有PLC 自动控制
功能的淀粉蒸煮器现已形成系列化产品，可以应用于
造纸、食品等行业，满足不同客户的要求，尤其是迷你
型及干粉型淀粉连续蒸煮设备中自动控制系统的研制
成功，更能满足实验室应用及工厂老设备的改造。在
提高生产效率、节约能源、降低劳动强度及节约厂房用
地等方面都有着得天独厚的优势。
参考文献:
［1］管江华，王静军，杨俊凯，等．一种淀粉在线蒸煮器: 中国，
ZL2010 2 0249311． 9［P］． 2010 － 02 － 02．
［2］管江华，杨峻恺，夏思民．马赫蒸汽喷射加热器的二次开发
［J］．机电一体化， 2010( 12) : 87． ( 许雪军编发
櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚
)
( 上接第24 页)
2 结束语
该控制系统可满足无风扇的系统设计，确保系统
整机零噪音运行在温度范围变动较大的各种工业环
境; 硬件拓展性好，软件模块化设计，是一款通用型的
工业控制系统。
参考文献:
［1］刘世荣．工业控制计算机系统及其应用［M］．北京: 机械工
业出版社， 2008．
［2］任哲．嵌入式实时操作系统μC/OS － II 原理及应用［M］． 2
版．北京: 北京航空航天大学出版社， 2009．
［3］Jean J． Labrosse．嵌入式系统构件［M］． 2 版．北京: 机械工
业出版社， 2002． ( 丁云编发
櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚
)
( 上接第27 页)
和财力等资源，同时，大大延长了产品系统软件的生命
周期，降低单片机产品的维护成本。本文仅讨论了通
过串口方式进行升级的方式，如果将串口方式改换为
其他接口方式，如GPRS 模块、无线网络接口等，可将
该技术应用到更多的场合。
参考文献:
［1］潘琢金，施国君．单片机原理及应用［M］．北京: 北京航空
航天大学出版社， 2002．
［2］牛旭．基于C8051F02X 单片机的远程在线升级技术［J］．无
线电工程， 2006， 36( 3) : 1 － 3．
［3］黄家升．基于IAP 的单片机软件远程升级［J］．船舰电子对
抗， 2007， 30( 3) : 2 － 3．
［4］高时兵，马宏平，陈建福． C8051F130 的远程在线升级程序
设计［J］．单片机与嵌入式系统应用， 2008( 9) : 2 － 3．
( 许雪军编发)
2011 年第9 期仪表技术·31·】

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