单片机串行在线编程器的设计与实功

中国观代敷甫装备　２００８年第ｌ２期（总第７０期）　

单片机串行在线编程器的设计与实现木　

毋茂盛　

肇庆学院　广东肇庆　５２６０６１　

摘要：本文主要研究了对ＡＴ　８　９　Ｓ　５　１单片机进行串行在线编程技术。首先介绍了编程系统的硬件结构，然　

后讨论了Ｉｎｔ　ｅｌ　Ｈｅｘ文件格式和系统软件的编制方法，并设计了通过ＵＳＢ口对ＡＴ８　９ｓ　５１进行在线编程的硬　

件电路；最后给出了对单片机进行读、写一个字节数据的子程序。　

关键词：单片机在线编程通用串行总线　

单片机因具有体积小、成本低、功能强等优点在工　

业控制、家用电器、电子玩具、仪器仪表以及汽车电子　

等领域得到了广泛应用，我国的各类技校、大专、本科　

甚至研究生教育中有许多专业如电子、计算机、自动　

化、机电一体化、通信、仪器仪表等都开设了《单片机　

原理与开发》课程，这是一门实用性很强的课程，学好　

的关键在于动手实验。虽然ＭＣＳ一５　１系列单片机是一种　

基于总线结构的单片机，且功能较弱，但凶为网上有许　

多免费的编译程序，故在国内单片机教学中有很高的普　

及率。Ａｔｍｅ１公司的Ｆｌａｓｈ技术领先全球，它把Ｆ１ａｓｈ　

大家介绍一种对ＡＴ８９Ｓ５１单片机进行串行编程的系统设　

计与制作方法。　

一

、

系统设计　

１．系统的结构与功能　

编程系统主要由计算机和对ＡＴ８９Ｓ５１单片机进行串　

行编程的编程单元两部分组成，结构如图１所示：　

技术￣ＨＭＣＳ一５ｌ单片机内核相结合，设计出了与ＭＣＳ一５１　

相兼容的ＡＴ　８　９系列单片机，如ＡＴ　８　９　Ｃ　５　１／５　２／５　５、　

ＡＴ８９Ｓ５１／５２等。与ＭＣＳ一５１相比，ＡＴ８９Ｓ５１系列单片机　

增加了４ＫＢ可串行在线编程（ＩＳＰ）Ｆｌａｓｈ程序存储器和　

看门狗电路【】］，使用更方便，功能更强大，成为国内最　

为畅销的单片机之一，也是教学中使用最多的单片机。　

目前，大学生的就业压力很大，许多学生为了提高自己　

的动手能力，非常渴望在校学习期间或毕业设计时能够　

动手开发具有一定功能的单片机应用系统，购买一台编　

程器对于在校大学生是一笔不小的开支，　此，本文给　

算　

机　

¨　

Ｉ　ＳＰＩ接｝＿＝】　

∞　

疑　

图１　Ａ　Ｔ　８　９　ｓ　５　１单片机串行编程系统结构　

为了实现对ＡＴ８９Ｓ５１单片机进行串行编程，需要完　

成三项工作，①编写在计算机上运行的系统软件：②设　

计编程单元硬件电路；③编写在编程单元上运行的对　

ＡＴ８９Ｓ５　１单片机进行串行编程的程序。　

２．系统软件编写　

系统软件的功能主要是向编程单元发送各种命令　

（如芯片擦除、查空、编程等）、待编程的机器码以及　

显示编程过程中的各种相关信息等，可以用ＶＣ、ＶＢ以及　

收稿日期：２　００　８—０９—１　８　

Ｄｅｌｐｈｉ等编程语言中任何一个来编写。由于ｖｃ＋＋具有　

界面友好，功能强大等特点，一直深受业内人士的青　

睐，故在计算机上运行的系统软件选用ＶＣ＋＋编写。为了　

降低编程难度，选择串行口发送待编程的代码数据。这　

样，系统软件主要涉及对代码文件和计算机串行口进行　

操作，用ＶＣ＋＋设计系统软件时，可以用相同的ＡＰＩ函数　

作者简介：毋茂盛，博士，教授。　

・本文系河南省教育厅科技攻关计划项目，项目名　

称：大学生科技创新能力培养训练系统开发。项　

目编号：２　０　０　８Ａ　５　２　０　０１　４。　

５８　

～ｅ＠　膨　

２００８年第ｌ２期（总第７０期）　

实现对代码文件和计算机串行口进行打开、读、写和关　

闭等操作，如ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（）、ＲｅａｄＦｉｌｅ（）、　

ＷｒｉｔｅＦｉｌｅ　０以及ＣｌｏｓｅＨａｎｄｌｅ　０函数等分别实现　

打开、读、写以及关闭文件或串口；对文件和串口的操　

作过程也相同，都是先打开，然后进行读、写操作，最　

后关闭；对文件和串口操作的ＡＰＩ函数还有许多，如移　

动文件指针、删除文件、设置串口、清除串口输入输出　

缓冲区等　，这里不再详述。下面主要介绍待编程的代　

中国现代毂育装备　

４３３２　３９３２　３７３４　３０３８　３１３１”，这是代码数据，每两　

个字节对应一个字节的机器码，分别为：７５　８ｌ　６０　７８　

ＯＡ　Ｄ２　９２　７４　０８　１ｌ　２５　Ｃ２　９２　７４　０８　ｌ１。　

第４１、４２字节“３２３ｌ”为校验和，其值为十六进　

制数“２１Ｈ”；　

最后两个字节（ＯＤＯＡ）为回车和换行，这两个字节　

在ＷＯＲＤ不显示。　

注意：上面数据之间的空格，是为了让读者更容易　

码文件及其格式。　

ＡＴ８９Ｓ５１单片机代码文件采用Ｉｎｔｅ１　ＨＥＸ格式，它　

是文本文件，由若干行组成，每一行称为一个记录，每　

个记录都以“：”（３Ａ）开始，以回车、换行（ＯＤＯＡ）结　

束，中间由十六进制字符组成，两个字符表示一个字节　

代码数据。记录形式如下：　

“

：ＬＬＡＡＡＡＴＴＤＤ…ＤＤＣＣ’’　

“

：

”　记录的起始标志；　

“ＬＬ”　记录长度，表示该记录中的数据字节数；　

“ＡＡＡＡ”数据装入的首地址；　

“ＴＴ”　记录类型，ｏ０表示数据记录，０ｌ表示文　

件结束；　

“ＤＤ”　代码数据，每两个表示一个字节；　

“ＣＣ”校验和。即将其本身与记录中除起始标志　

外的所有字节相加和应为０。　

在ＣＣ的后面是回车、换行（ＯＤＯＡ）。　

例如，某汇编语言程序对应的Ｉｎｔ　ｅｌ　ＨＥＸ文件用　

ＷＯＲＤ打开时显示如下所示：　

：１００００Ｏ０Ｏ７５８ｌ６０７８ＯＡＤ２９２７４０８ｌ１２５Ｃ２９２７４０８１１２１　

：１０００１０ＯＯ２５Ｄ８Ｆ２７８０５Ｄ２９２７４３Ｃ１１２５Ｃ２９２７４３Ｃ１１１５　

：１ＯＯ０２ＯＯ０２５Ｄ８Ｆ２８０ＤＥＦ５３Ｏ７Ｆ６４７Ｅ７ＤＤＥＦＥＤＦＦＡＤ５Ｆ６　

：０３００３０００３０Ｆ５２２８６　

：０００００００１ＦＦ　

由于Ｉｎｔｅｌ　ＨＥＸ文件是采用文本文件格式，第一行　

内容在文件中的实际存储为：　

“３Ａ　３１３０　３０３０　３０３０　３０３０　３７３５　３８３ｌ　３６３０　

３７３８　３０４１　４４３２　３９３２　３７３４　３０３８　３１３１　３２３５　４３３２　

３９３２　３７３４　３０３８＂３１３１　３２３１　ＯＤＯＡ”，其中：　

第０字节“３Ａ”为记录起始标志，显示为“：”　

第１、２字节“３１３０”为记录长度，显示为ＩＯＨ，即　

该记录含有１　６个字节的代码数据；　

第３、４、５、６字节“３０３０３０３０”为记录装入首地　

址，即“Ｏ０００Ｈ”；　

第７、８字节“３０３０”为记录类型，显示为“ＯＯＨ”　

表示该记录为数据记录；　

第９—４０字节共３２个字节，分别为“３　７３５　３８３　１　

３６３０　３７３８　３０４１　４４３２　３９３２　３７３４　３０３８　３１３１　３２３５　

一　＠２　肥　

看清楚才加入的，实际文件中是没有空格的。　

了解了Ｉｎｔｅｌ　ＨＥＸ文件的格式后，就可以用ＶＣ＋＋提　

供的ＡＰＩ函数，首先打开Ｉｎｔｅ１　ＨＥＸ格式的代码文件，　

读出文件中的数据，然后转换成十六进制数，通过串行　

口送给编程单元。　

３。编程单元硬件电路设计　

目前，对ＡＴ８９Ｓ５　ｌ单片机的串行编程有两种方法：　

一

种是基于计算机并口实现的，另一种是通过计算机串　

行口的ＲＴＳ，ＣＴＳ，ＤＴＥ，ＤＣＥ信号实现。这两种方法都　

需要设计专门的电源电路。由于ＵＳＢ具有速度快、支持　

热插拔、易于扩展以及自带电源等优点口］，目前已成为　

计算机中最流行的外设接口，许多原来采用并行接口或　

串行接口的外设现在都采用了ＵＳＢ接口，因此，本文设　

计了基于ｕＳＢ接口的串行编程单元，硬件电路如图２所　

示。编程单元中主要使用了两个芯片，即ＣＰ　２　１　０　２和　

ＡＴ８９Ｃ２０５１单片机。ＣＰ２ｌ０２是美国Ｓｉ　ｌ　ｉｃｏｎ　Ｌａｂｏｒａ—　

ｔｏｒｉｅｓ公司设计的单片ＵＳＢ—ＵＡＲＴ转换芯片，内部集成　

了ＵＳＢ发送接收器、内部时钟以及１０２４字节的ＥＥＰＲＯＭ　

等，不需要外接电阻或时钟，支持ＵＳＢ２．０规范，采用　

２８针ＱＦＮ封闭方式，尺寸为５ｘ５ｍｍ…。由它实现ＵＳＢ到　

ＵＡＲＴ的转换非常方便，且系统电源可直接由ＵＳＢ接口获　

取。ＣＰ２１Ｏ２的驱动程序可直接从ＳｉｌｉＣｏｎ　Ｌａｂｏｒａｔ０一　

ｒｉｅｓ公司网站下载，安装成功后，对ＣＰ２１０２连接的ＵＳＢ　

口的操作就变成了对一个虚拟串口的操作，这样省去了　

编写ＵＳＢ接口驱动程序的麻烦。ＡＴ８９Ｃ２０５１内部含有２Ｋ　

的Ｆ１ａｓｈ程序存储器、１５条可编程的Ｉ／０口线以及ＵＡＲＴ　

等资源。它通过ＣＰ２１０２接收来自ＰＣ机的代码或命令，　

通过ＳＰＩ接口实现对ＡＴ８９Ｓ５１单片机进行串行编程。　

Ｐ３．５　ＡＴ８９（＇２ｏ５ｌ　

—　

ＰＰ．３　Ｊ？＇三｜＝　

Ｉ）＿　

Ｄ十　

ＧＮＤ　

ｖ

Ｃ！Ｐ２ｌＯ２　

冀ｃ　９　Ｅ　Ｅ　Ｅ　

图２对ＡＴ　８　９　ｓ　５１单片机进行串行鳊程的硬件电路　

５９　

中国观代敷有装备　

４．编程单元的软件编程　

对ＡＴ８９Ｓ５　１单片机进行串行编程共有９条命令，分　

别用来实现编程允许、芯片擦除、读／写数据（字节或　

ＲＬＣ　

２００８年第１　２期（总第７Ｏ期）　

Ａ　

ＤＪｒ￣Ｚ　

ＭＯＶ　

ＣＬＲ　

ＲＥＸ　

Ｒ３，ＩＮＢ　

ＭＥＭ１，Ａ　

ＳＣＫ　

页模式两种）、读加密位以及读签名字节内容等功能　

　ｌ５ｌ

。

ＡＴ８９Ｃ２０５１单片机通过Ｐ１．４、Ｐ１．５、Ｐ１．６模拟ＳＰＩ　

接口信号，完成对ＡＴ８９Ｓ５１单片机的串行编程和校验。　

编程和校验波形如图３所示：　

ｓ呸　厂－Ｉ－Ｉ　］　

ＭＯ　

＜　）　…二×　

竺　二二＞＜　）　二…二×　

图３　Ａ　Ｔ　８　９　ｓ　５　１单片机串行编程与校验波形　

从图３可以看出，对ＡＴ　８　９　Ｓ　５　１单片机编程或校验　

时，字节数据总是高位在前，低位在后。写数据（编　

程）时，在ＳＣＫ为低电平期间，将数据送ＮＭｏｓＩ；而读　

数据（校验）是在ＳＣＫ为高电平时进行。发送和读取一　

个字节数据的子程序如下：　

ＳＣＫ　ＢＩＴ　Ｐ１．４　：时钟　

ＭＯＳＩ　ＢＩＴ　Ｐ１．５　：数据输出（编程）　

Ｍ１ＳＯ　ＢＩＴ　Ｐ１．６　：数据输入（校验）　

ＭＥＭ１　ＥＯＵ　３０Ｈ　：存放待读／写的数据　

；

发送一个字节数据的子程序如下：　

ＯＵＴＢＹＴＥ：　

ＭＯＶ　Ａ，ＭＥＭ１　

ＭＯＶ　Ｒ３，＃８　

ＯＵＴＢ：　ＣＬＲ　ＳＣＫ　　・

ＮＯＰ　

ＲＬＣ　Ａ　

ＭＯＶ　ＭＯＳＩ，Ｃ　

ＮＯＰ　

ＳＥＴＢ　ＳＣＫ　

ＮＯＰ　

ＤＪＮＺ　Ｒ３，Ｏ１ＪＴＢ　

ＬＣＡＬＬ　ＤＬＴＳＯＯｕＳ　：延时５００　１．ｔ　Ｓ　

ＣＬＲ　ＳＣＫ　

ＲＥＴ　

；

读取一个字节数据的子程序为：　

ＩＮＢＹＴＥ：　

Ｍ０Ｖ　Ｒ３．　＃８　

ＩＮＢ：　ＣＬＲ　ＳＣＫ　

ＮＯＰ　

ＳＥＴＢ　ＳＣＫ　

ＮＯＰ　

ＭＯＶ　Ｃ，ＭＩＳＯ　

６ｏ　

二、结束语　

本文主要讨论了对ＡＴ８９Ｓ５１单片机进行串行编程的　

技术，有非常重要的应用价值。文中提到的ＣＰ２　ｌ　Ｏ２芯　

片采用ＱＦＮ封装，它的引脚在芯片的底部，不能使用普　

通的电烙铁进行焊接，焊接后也无法用万用表测量焊接　

效果，所以，焊接时一定要十分小心。文中设计的对　

ＡＴ８９Ｓ５１单片机串行编程系统在多个高校的单片机实验　

室进行了实际应用，效果良好。　

本文设计的对ＡＴ８９Ｓ５１单片机进行串行编程系统，　

采用ＵＳＢ接口，省去了电源电路，使用方便。通过串行　

方法实现对单片机的编程，为单片机应用系统的在线编　

程奠定了基础。对于用串行方法实现对单片机编程的用　

户来讲，用本文所述的方法为产品升级软件时，不再需　

要打开机箱，甚至在异地通过ｉｎｔｅｒｎｅｔ和ＧＰＲＳ等就可　

以完成；对于用ＡＴ８９Ｓ５　１单片机开发各种应用系统的大　

学生、研究生以及单片机爱好者，可以不用再去购买编　

程器就能完成系统开发。　

参考文献　

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ｄｏｃ　２４８　７．ｐｄｆ，２Ｏ０５，３　

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