在线系统编程嵌入式系统设计

科技信息　计算机与网络　

在线系统编程嵌兀式系统设计　

江苏联合职业技术学院徐州机电分院　周高伟　卜令武　

［摘要］本文首先阐述了在线编程（ＩＳＰ）概念及其广阔的应用前景。然后讲述了对单片机在线编程的理论基础，以及宏晶公司推出　

的ＳＴＣ８９Ｃ５４ＲＤ＋单片机与通用单片机在硬件结构上的异同。还介绍了ＳＴＣ８９Ｃ５４ＲＤ＋单片机的ＩＳＰ功能，其中主要包括字节读，　

字节编程和扇区擦除操作。接着又介绍了利用ＣＡＮ总线控制器ＳＪＡ１０００来实现上位机与下位机之间的ＣＡＮ总线通信原理。主要　

完成ＣＡＮ初始化程序和ＣＡＮ收发程序。　

［关键词］在线编程ＳＴＣ８９Ｃ５４ＲＤ＋系列单片机ＣＡＮ通信　

１、前言　

所谓“在线编程”（Ｉｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ，简称ＩＳＰ）或在系统可编　

程，是指电路板Ｉ：的空白器件可以编程写入最终用户代码，而不需要从　

电路板上取下器件，已经编程的器件也可以用ＩＳＰ方式擦除或再编程。　

采用ＩＳＰ技术之后，硬件的功能也可变得像软件设计那样灵活而易于　

修改，硬件的功能也可以实时地加以更新或按预定的程序改变配置。　

无论在单片机Ｅ，还是在ＣＰ［　Ｄ／ＦＰＧＡ上都得到了广泛的应用，ＩＳＰ技术　

是未来发展方向！本设计的内容是上位机（ＰＣ机）通过Ｒ￥２３２串口将下　

行命令帧发送给ＣＡＮ２３２Ｂ转换器，ＣＡＮ２３２Ｂ负责将这些数据格式转　

换成ＣＡＮ的帧格式，然后寻址到ＳＪＡ１０００的发送缓冲区，启动发送命令　

后，ＳＪＡ１０００通过它的ＴＸ０口发送，ＴＸ０口接有ＣＡＮ收发器８２Ｃ２５０，数　

据通过ＣＡＮ收发器发送到下位机（ＳＴＣ８９Ｃ５４ＲＣ／ＲＤ＋系列单片机）。下　

位机（ｓＴｃ８９ｃ５４Ｒｃ／ＲＤ＋系列单片机）将上位机发送过来的数据通过ＩＳＰ　

控制程序将数据写入用户程序（ＡＰ）区。最后完成整个的在线编程过程。　

２、嵌入式系统ＩＳＰ设计原理　

对于一般ＭＣＵ系统，进行ＩＳＰ设计必须满足以下几个条件ｌ】ｌ：　

…１程序空问和数据空间统一编址，程序可以彳Ｆ　ＲＡＭ中运行；　

ｆ２）Ｆｌａｓｈ芯片正确连接了写信号；　

（３）拥有能放下ｕｐｄａｔｅ程序并让其正常工作的额外程厂子／数据空间；　

（４）具备某种通信能力（如以太网、串口、ＣＡＮ、ＭＯＤＲＥＭ等）。　

满足了这四个条件，就可以按照本文的方法进行ＩＳＰ设计。设计方　

案如下所述：整个程序可以分为两个独立的部分完成，一是控制程序（称　

为ＩＳＰ程序），它通过通信接口从主机接收程序数据到ＲＡＭ空间，并对数　

据进行ＣＲＣ校验以保证数据的正确性，在校验正确后将数据写到程序　

存储器的指定地址空间。如果ＲＡＭ空间较小，可以接收一页、校验一　

页、写入一页，分次完成。由于程序存储器写操作过程必须连续，不能被　

打断所以ＩＳＰ程序必须在链接时指定在ＲＡＭ地址空间运行。另一部分　

是用户的程序（称为ＡＰ程序），这是正常编译的在程序存储器空问运行　

的程序，除了正常的丁作之外它还需判断（通过通信命令或者查询一个　

输入状态等）是否应该转到升级模式，如果是，则将ＩＳＰ程序复制到指定　

的ＲＡＭ空间并转去执行ＩＳＰ程序”Ｉ。　

３、ＳＴＣ８９Ｃ５４　ＲＣ／ＲＤ＋系列单片机编程　

３．１　ＳＴＣ８９Ｃ５４　ＲＣ／ＲＤ＋系列单片机简述　

ＳＴＣ８９系列单片机是ＭＣＳ一５Ｉ系列单片机的派生产品。它们在指　

令系统、硬件结构和片内资源上与标准８０５２单片机完全兼容，ＤＩＰ４０　

封装系列与８０５１为ｐｉｎ—ｔｏ—ｐｉｎ兼容。ＳＴＣ８９系列单片机高速ｆ最高时钟　

频率８０ＭＨｚ），低功耗，在系统／在应用可编程（ＩＳＰ，ＩＡ　Ｐ】，不占用户资源。　

ＳＴＣ８９Ｃ５４ＲＣ／ＲＤ＋单片机具有Ｉ６Ｋ　Ｆｌａｓｈ存储器，１２８０字节ＲＡＭ和　

１　６Ｋ　Ｅ。ＰＲＯＭ　。　

ＳＴＣ８９Ｃ５４　ＲＣ／ＲＤ＋系列单片机支持ｌＡＰ功能，该系列单片机内部　

都包含两个Ｆｌａｓｈ块，在一块Ｆｌａｓｈ中运行的程序可对另一块Ｆｌａｓｈ进　

干『擦除和重新编程。一般都将ＩＳＰ程序存放在容量较小的一块Ｆｌａｓｈ叶ｌ　

ｆＢｌｏｃｋ　Ｉ），而将用户代码存放在容量较大的一块Ｆｌａｓｈ中（ＢｌｏｅｋＯ）。Ｂｌｏｃｋ　１　

【１ｌ的ＩＳＰ程序对ＢｌｏｃｋＯ中的用户代码进行擦除和重新编程。　

ＳＴＣ８９Ｃ５４内部有２０ＫＢ（Ｉ６ＫＢ＋４ＫＢ）程序存储器，统一编址。ＢｌｏｃｋＯ　

为Ｏ０００Ｈ～３ＦＦＦＨ；Ｂｈ）ｃｋ１为Ｆ０００Ｈ～ＦＦＦＦＨ。Ｂｌｏｃｋｌ可以选择映射到　

００００Ｈ地址开始的１ＫＢ／２ＫＢ／４ＫＢ程序区。　

３．２　ＳＴＣ８９Ｃ５４　ＲＣ／ｌｉＤ＋系列单片机ＩＳＰ程序编写　

ＩＳＰ主要应用于存线（或远程）升级，通过执行ＩＳＰ引导码改写用户　

程序，无须编程器，无须亲临现场。ＳＴＣ８９系列单片机在出厂时，片内已　

经烧录有ＩＳＰ程序，并设置为从ＩＳＰ引导码启动。启动时，首先执行ＩＳＰ　

引导码，确认是程序下载，还是正常启动。而且ＳＴＣ８９Ｃ５１ＲＣ／ＲＤ＋系列　

８０５　１单片机具有普通单片机所不具备的ＩＳＰ／ＩＡＰ特殊功能寄存器：　

ＩＳＰＤＡＴＡ：　

ＩＳＰ／ＩＡＰ操作时的数据寄仔器　

ＩＳＰ／ＩＡＰ从Ｆｌａｓｈ读…的数据放在此处，向Ｆｌａｓｈ写的数据也需放在　

此处　

ＩＳＰＡＤＤＲＨ：　

ＩＳＰ／ＩＡＰ操作时的地址寄存器高八位。　

ＩＳＰＡＤＤＲＬ：　

ＩＳＰ／ＩＡＰ操作时的地址寄存器低八位。　

ＩＳＰＣＭＤ：　

ＩＳＰ／ＩＡＰ操作时的命令模式寄存器，需命令触发寄存器触发方可有　

效　

ＩＳＰＴＲＩＧ：　

ＩＳＰ／ＩＡＰ操作时的命令触发寄存器。　

在ＩＳＰＮ（ＩＳＰ＿ｃｏｎｔｒ．７）＝ｌ时，对ＩＳＰ＿ＴＲＩＧ先写入４６Ｈ，再写入Ｂ９Ｈ，　

ＩＳＰ／ＩＡＰ命令才会生效。　

ＩｓＰ＿ＣＯＮＴＲ：ＩＳＰ／ＩＡＰ控制寄俘器。　

Ｂ７　Ｂ６　Ｂ５　Ｂ４　Ｂ３　Ｊ　Ｂ２　Ｂｌ　Ｂ０　Ｒｅｓｅｆ　Ｖａｌｕｅ　

ＩＳＰＢＮ　ＳＷＢＳ　ＳＷＲＳＴ　ＣＭＤ　ＦＡＬＬ　１　Ｉ　ＷＴ２　ＷＴ１　ＷＴＯ　００００．１ＯＯＯ　

ＩＳＰＥＮ：ＩＳＰ／ＩＡＰ功能允许位。０禁止ＩＳＰ／１ＡＰ编程改变Ｆｌａｓｈ，１允许　

程序改变Ｆｌａｓｈ　

ＳＷＢＳ：软件选择从用户主程序区启动（０），还是从ＩＳＰ程序启动　

（１）　

ＳＷＲＳＴ：０：不操作，１：产生软件系统复位，硬件自动清零　

ＣＭＤ

ＦＡＬＬ：￣Ｎ果送入了ＩＳＰ／ＩＡＰ命令，并对ｌｓＩ）＿ＴＲＩＧ送人４６Ｈ／Ｂ９Ｈ　

触发失败，则为１，需由软件清零。　

ＳＴＣ８９Ｃ５４单片机在烧录时，将ＩＳＰ程序写到Ｂｌｏｃｋ１。单片机上电复　

位时，缺省的Ｂｌｏｃｋ１映射到Ｏ０００Ｈ地址开始的８ＫＢ程序区，进入ＩＳＰ程　

序执行。需要切换到用户代码（ＢｌｏｃｋＯ）运行时，ＩＳＰ修改ＩｓＰ＿ＣＯＮＴＲｆ　控　

制位ＳＷＢＳ，产生一个软复位（Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｒｅｓｅｔ）。若ＳＷＢＳ＝０，程序软复位后，　

Ｂｌｏｃｋｌ将不再映射到００００Ｈ地址映，则开始运行ＢｌｏｃｋＯ中的用户代码　

程序。若ＳＷＢＳ＝Ｉ用户程序区（ＡＰ区）软件复位并切换到ＩＳＰ程序区开　

始执行程序。　

４、ＣＡＮ通信模块　

４．１　ＣＡＮ控制器　

ＣＡＮ，全称为“ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ”，即控制器局域网，是国际上　

应用最广泛的现场总线之一。由于ＣＡＮ总线本身的特点，其应用范　

由最初的汽车行业，向过程Ｔ业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器　

人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。ＣＡＮ是一种多主方式的　

串行通讯总线，一个由ＣＡＮ总线构成的单一网络中，理论上可以挂接　

无数个节点。实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制。例　

如，当使用Ｐｈｉｌｉｐｓ　Ｐ８２Ｃ２５０作为ＣＡＮ收发器时，同一网络中允许挂接　

１１０个节点。ＣＡＮ可提供高达１Ｍｂｉｔ／ｓ的数据传输速率，这使实时控制　

变得非常容易。另外，硬件的错误检定特性也增强了ＣＡＮ的抗电磁干　

扰能力。基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够　

检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到】０Ｋｉｎ时，ＣＡＮ仍可提供　

高达５０Ｋｂｉｔ／ｓ的数据传输速率。由于ＣＡＮ总线具有很高的实时陛能，凶　

此，ＣＡＮ已经在汽车Ｔ业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到　

了广泛应用，ＣＡＮ控制器已被公认为几种最有前途的现场总线。　

４．２　ＣＡＮ控制器的初始化　

以下简要介绍一下ＳＪＡｌ０００初始化步骤：　

（１）初始化模式寄存器，设置ＳＪＡ１０００进入复位模式，选择单过滤　

模式　

（２）初始化时钟分频寄存器，设置Ｐｅｌｉｃａｎ模式和关闭ＳＪＡ１０００芯　

片的时钟输出引脚ｃｌｋｏｕｔ（不产生时钟输出）　

（３）初始化中断时能寄存器，开放发送中断与接收中断使能　

（４）初始化验收代码寄存器，设置扩展帧（对应Ｐｅｌｉｃａｎ模式）对应　

的２９位标识码占用４个字节验收代码寄存器的内容　

（５）初始化验收屏蔽寄存器，确定单过滤模式　（下转第２６５页）　

　，．——

２６３－－－——　

科技信息　计算机与网络　

机，备用网关走ＳＤＨ平面ＥＴ１在核心机房Ｂ落地汇聚到交换机。核心　

机房Ｂ交换机上行通过市内汇聚环到核心机房Ａ交换汇聚，统一接人　

Ｔ２０００网管。此种配置不但可以通过两个平面相互保护主备网关数据　

路由，提高网络安全性，而且可以节省传输资源。　

ＥＣＣ子网规模控制：将每个郊县的网络ＥＣＣ子网进行划分，对于每　

个郊县的网络增加网关网元即可，但是部分郊县网络较大，需要细化　

ＥＣＣ子网，对于每个郊县按接入环的数量增加网关网元数量，使ＥＣＣ子　

网规模控制在业界建议的６４个网元以内，并可根据网络的发展适时的　

调整ＥＣＣ子网。　

２、ＥＣＣ优化具体实施　

全网ＥＣＣ优化规划完毕后需要具体进行优化实施，实施过程相对　

比较简单。对于每个县局规划成的ＥＣＣ子网，在汇聚节点通过设置　

ＤＣＣ透传来形成一个ＥＣＣ子网，这种方式可以进行每个子网的ＤＣＣ　

隔离，从而完成ＥＣＣ子网的划分。每个ＥＣＣ子网的主备网关通过ＩＰ数　

据路由分别在汇聚节点机房通过交换转发到两个传输平面进行传输，　

这样可以有效地提高网络安全性。几个子网在汇聚节点通过设置ＤＣＣ　

透传来实现ＥＣＣ子网划分隔离。　

３、ＥＣＣ优化后网络应急措施　

（１）对于市局核心汇聚节点故障情况应急措施　

市公司的交换机到设备机房之间布放一到两条闲置的较长网线，　

由于每个环网都有省公司的网元，而且不止一个，所以当我们前面所做　

的所有保护措施都失效的时候，可以临时选取一个网元插上网线作为　

临时网关，紧急恢复监控。时间预期为，人员到达机房并找到网元插上　

网线，１Ｏ—ｌ５分钟，同时网管进行非网关网元到网关的转换，与人员到　

机房硬件操作同时进行，也为１０－１５分钟，即在１０一ｌ５分钟内紧急恢复　

监控。　

对于每个郊县按接入环的数量划分为２个到３个子网，每个子网　

配置２个网关网元，互为主备用网关。对于郊县接人环可以把两个接人　

环划分为一个子网，每个接人环配置一个网关，两个网关互为主备。该　

县所有接入环的主用网关的数据路由在所带汇聚设备（ＮＧ—ＳＤＨ设备或　

２５００＋设备）的数据单板一个数据口汇聚落地到交换机，备用网关通过　

所带汇聚设备（ＮＧ—ＳＤＨ设备或２５００－４－设备）的数据单板另一个数据口　

汇聚落地到交换机。同时汇聚设备本身监控网关的数据路由也通过该　

交换机转发。交换机完成把所备用网关和主用网关的数据分成两个口　

上行，以主用网关走ＯＳＮ平面ＥＦＳ数据路由在核心机房Ａ落地到交换　

（２）对于县区备网关主控均故障，该子网无法监控应急措施　

由于汇聚节点均为核心设备，该数据路由相对比较稳定，同时由于　

两个平面进行相互保护，所以核心节点监控不存在问题，在该核心节点　

所带的子网主备网关出现故障时，可以在网管上直接删除该ＥＣＣ子网　

的穿通ＤＣＣ字节后，可以立即恢复，恢复时间在１分钟左右。　

参考文献　

［１］华为技术有限公司．＜＜ＯｐｔｉＸ扩展ＥＣＣ组网应用与配置指导书》　

［２］华为技术有限公司．＜＜ＯｐｔｉＸＥＣＣ巨网分割（优化）专题》　

［３］华为技术有限公司．（（ＯｐｔｉＸ　ＤＣＣ新特性（扩展和透传）专题》　

（上接第２６３页）　（２９位标识码）３２位验收屏蔽寄存器内容，确定对　

应３２位验收代码寄存器哪些位需要屏蔽，屏蔽位对应…１’，不屏蔽位对　

应…０’。所设屏蔽位是指验收屏蔽寄存器对应“１”屏蔽掉接收的标识码　

对应位与验收代码寄存器对应位的比较操作，直接验收通过为合法的　

接受位，而不论接受该位标识码位是否与验收代码寄存器的对应位完　

全一致。　

（６）初始化总线定时器０和总线定时器１，设置波特率　

（７）初始化输出控制寄存器，决定ＳＪＡ１０００的ＴＸ０，ＴＸ１驱动输出　

模式　

（８）再初始化模式寄存器，返回工作模式　

４．３　ＣＡＮ通信的模块　

（１）ＣＡＮ通信的硬件连接　

ＢＵＦＦ（８字节）分别存放Ｒｘ标识码ｌ、ＲＸ标识码２、ＲＸ标识码　

３、ＲＸ帧信息、ＣＡＮ接收缓存器的数据区。我们假定当ＣＩＤ２为８８Ｈ时，　

单片机进入ＩＳＰ程序区，并执行ＩＳＰ程序，将ＲＥＣＥ—ＢＵＦＦ中的数据写　

进单片机的ＡＰ区。ＣＡＮ控制器每接收一次报文均作以上操作。当报文　

发送完毕时（ＣＩＤ２内的数据不再为８８Ｈ），则执行　

ＲＥＣＥ

—

ＭＯＶ　ＩＳＰＣＯＮＴＲ，＃００１００００００Ｈ　

＿

从ＩＳＰ程序区软件复位并切换到用户应用程序区（ＡＰ区）开始执　

行程序，以上为ＣＡＮ控制器软件设计的大体思路。　

５、总结　

图１本设计硬件连接　

如图ｌ所示，上位机（ＰＣ机）通过ＲＳ２３２串口将下行命令帧发送经　

过ＣＡＮ２３２Ｂ转换器，ＣＡＮ２３２Ｂ负责将这些数据格式转换成ＣＡＮ的帧　

格式，然后寻址到ＳＪＡＩＯ００的发送缓冲区，启动发送命令后，ＳＪＡ１０００通　

过它的ＴＸ０口发送，ＴＸ０口接有ＣＡＮ收发器８２Ｃ２５０，数据通过ＣＡＮ　

收发器发送到下位机（ＳＴＣ８９Ｃ５４ＲＣ／ＲＤ＋系列单片机）。　

整个设计完成了ＩＳＰ监控程序和ＣＡＮ通信模块，为在线编程在工　

业上或其他的应用领域提供了参考。上位机（ＰＣ机）通过ＲＳ２３２串口将　

下行命令帧发送通过ＣＡＮ２３２Ｂ转换器，ＣＡＮ２３２Ｂ负责将这些数据格　

式转换成ＣＡＮ的帧格式，然后寻址到ＳＪＡ１０００的发送缓冲区，启动发送　

命令后，ＳＪＡ１０００通过它的ＴＸ０口发送，ＴＸ０口接有ＣＡＮ收发器　

８２Ｃ２５０，数据通过ＣＡＮ收发器发送到下位机（ＳＴＣ８９Ｃ５４ＲＣ／ＲＤ＋系列　

单片机）。下位机（ＳＴＣ８９Ｃ５４ＲＣ／ＲＤ＋系列单片机）将上位机发送过来的　

数据保存在片内ＲＡＭ里，然后再通过ＩＳＰ控制程序将ＲＡＭ里的数据　

写入用户程序（ＡＰ）区。最后完成整个的在线编程过程。　

参考文献　

［１］邵贝贝单片机嵌入式应用的在线开发方法［Ｍ］．北京：清华大　

学出版社，２００４．１０：５—１６　

［２］饶运涛，邹继军，郑勇芸．现场总线ＣＡＮ原理与应用技术［Ｍ］　

北京：北京航空航天大学出版社，２００３　６：２０—８０　

［３］深圳市宏晶科技有限公司ＳＴＣ单片机ＥＭ］ｗｗｗＭＣＵ—Ｍｅｍ—　

（２）ＣＡＮ通信模块的软件设计　

ＣＡＮ的报文结构应包括描述符区和数据区，描述符区的结构如图　

２所示。　

　竺篁皇ｌ堡　ｌｌ　！ｌ堡　！ｌ　里！ｌ　

ｏｒｙｃｏｎ１．下栽ＳＴＣ８９Ｃ５１ＲＣ／ＲＤ＋系列单片机中文指南，ＳＴＣ单片机在　

系统可编程软件：４０—９０　

图２描述符区结构　

我们将单片机ＲＡＭ定义几个特殊的空间：ＡＤＲ、ＣＩＤ１、ＣＩＤ２、ＤＬＣ、