【毕业学位论文】(Word原稿)单片机USB-ISP下载线设计-计算机科学与技术

牡丹江师范学院学士学位论文 单片机 载线设计 姓 名： 赵 生 指导教师： 曹望成 系 别： 计算机科学与技术系 年 级： 2006 级 专 业： 计算机科学与技术 单片机 载线 设计 I 目 录 摘 要 . 文摘要 . 文献综述 . 1 点 . 1 发展 . 2 度 . 2 片 . 2 有主控功能的外设 . 3 . 3 工作原理 . 3 优点 . 3 2 系统硬件设计 . 4 统设计 . 4 件系统设计 . 5 片机选择 . 5 3 系统电路设计 . 7 4 制作过程 . 7 备原件 . 8 测元件 . 8 理电路图 . 9 接 . 9 5 系统调试 . 11 试过程 . 13 试注意事项 . 17 致 谢 . 18 参考文献 . 19 单片机 载线设计 要 ： 论 文阐述了基于 口的 载器设计过程。 论文先从介绍口技术入手，论述了 特点及其主要的特性和发展趋势。近而介绍了基于 口的 载线的特点及发展和对未来应用的展望。通过对 载线的优点的阐述，和其他的连接设备形成对比，近一步说明了其优越性及必然性。 论文第二步介绍该系统的硬件系统及其对硬件的选择，设 计出相关的电路图。在已有的电路图的指导下，从对电路的简化及其硬件的要求，买到相应的电路元件，逐步完成硬件的设计。系统测试 后，顺利的完成该设计。 硬件设计部分介绍了 口通信模块的设计，软件部分详细阐述了 载系统所包含的单片机固定程序和计算机应用程序两部分。该系统具有较扩展性。 关键词 ： 扩展性 单片机 载线设计 of on of SP on SB SB it of SP on SB of it a on of of of it of of to I In In C at 1 文献综述 点 数据接收存储技术革新是信号采集处理领域内的一个重要课题。利用这种技术，可以把信号的实时采集和精确处理在时间上分为两个阶段，有利于获得令人更满意的处理结果。在无线数据传接收设备中应用数据接收存储方法时，除了要满足数据传输速率和差错控制方面的要求外，还需要考虑如何使设备易于携带、接口简单、使用方便。 用串行总线）最初是为了替代许多不同的低速总线 (包括并行，串行和键盘连接 )而设计的，它是以单一的总线连接各种不同 的设备，具有数据传输率高，易扩展，支持即插即用和热拔插的特点，目前已得到广泛的应用。 历了多年的发展，到现在已经发展为 本，成为目前电脑中的标准扩展接口。目前主板中主要是采用 本间能很好的兼容。一个 4 针插头作为标准插头，采用菊花链形式可以把所有的外设连接起来，最多可以连接 127 个外部设备，并且不会损失带宽。 要主机硬件、操作系统和外设三个方面的支持才能工作。目前的主板一般都采用支持 能的控制芯片组，主板上安装有 口插座，而且除了背板 的插座之外，主板上还预留有 以通过连线接到机箱前面作为前置 口以方便使用（注意，在接线时要仔细阅读主板说明书并按图连接，千万不可接错而使设备损坏）。而且 口还可以通过专门的 机线实现双机互连，并可以通过 展出更多的接口。 12 480 5 四种用于不同数据类型的传输方式。控制传输主要用于设置，命令和状态信息的传输； 断传输与一般的中断概念不同，主要用于键盘、鼠标等数据量 少、要求及时处理的数据传输；批量用于数据量多、实时要求不高的数据；而同步传输主要是用于视频等实时传输。 从 1996 年推出后，已成功替代串口和并口，并成为当今个人电脑和大量智能设备的必配的接口之一。它具有使用方便，支持热插拔，连接灵活，独立供电等优点，其接口可用于连接多达 127 个外设，可以连接鼠标、键盘、打印机、扫描仪、单片机 载线设计 2 摄像头、闪存盘、 、手机、数码相机、移动硬盘、外置光软驱、 卡、，几乎所有的外部设备。 发展 含全速和 低速两种模式，低速模式支持一些不需要很大数据吞吐量和很高时性的设备，如鼠标等。全速模式可外接速率更高的模式。 线与其他类型的接口相比，其优越性体现在其速度可以适合各种类型的外设，其普及度会越来越广，成为个人电脑的标准配置 。 传统外设接口技术不但数据传输速率较低，独占中断、 I/道等计算机系统关键资源，容易造成资源冲突问题，而且使用时繁杂的安装配置手续也给终端用户带来了诸多不便。近年来， 口技术迅速发展，新型计算机纷纷对其提供支持。 技术发展的最新成果，利用 口技术开发计算 机外设，不但可以借用其差错控制机制减轻开发人员的负担、获得高速数据传输能力，而且可以实现便捷的机箱外即插即用特性，方便终端用户的使用。 度 现有的外设中 ， 大部分还属 议 ， 速度最高只能达 12Mb/s。 议将 度提高到 480Mb/s， 符合 议的 备是将来发展的热点。随着新标准的推出 ， 用户可享受更快的宽带 接、分辨率更高的电视会议摄影机、下一代的打印机和扫描仪以及更快的外置存储设备。此外 使现有技术能发挥出更高的效率。例如使用 码相机 ， 几秒钟即可完成一 “卷 ”数字胶片的下载 ， 而以前的 本需要几分钟的时间 ； 一分钟之内 1数据即可通过 C 硬盘备份到便携存储设备上 ， 而 需半小时 ； 成一张高分辨率的数字图像的扫描 ， 而 需要几分钟。 设备能满足很多高速场合的需要。 片 作为 基础 ， 片的发展至关重要。 推出了 P 核 ， 使在可编程器件中集成 口成为现实 ， 可降低系统成本、提高系统单片机 载线设计 3 集 成度和可靠性。利用通用的可编程芯片实现 带 口的单片机 ， 对于单片机系统这将意味着一种新的变革 。 另外 出了 念 ， 即 “双重角色设备 ”， 规定了一个设备既是主控制器 ( 又是设备控制器 ( 从而解决了 点对点通讯问题。主 /从控制器合一的芯片使外设在 讯中身兼两职 ， 实现点对点通讯 ， 此类芯片在未来市场中将占有很大份额。 有主控功能的外设 随着 控制器芯片的推出 ， 设可以脱离 笨重的 直接进行通讯。例如在数据采集系统中 ， 如果系统本身 控能力 ， 采集到的数据在现场可以直接存入 U 盘 ， 采集完毕再由 U 盘导入计算机进行处理 。 这样将大大减小系统体积而方便携带 。 具有主控功能的外设将成为 品的亮点。 线系统编程， 指电路板上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 式擦除或再编程。 术是未来发展方向。通过下载电缆直接对安装在用户目标板上的器件编程，给电子产品 的设计和生产带来许多革命性的变化。 工作原理 实现相对要简单一些，一般通用做法是内部的存储器可以由上位机的软件通过串口来进行改写。对于单片机来讲可以通过 其它的串行接口接收上位机传来的数据并写入存储器中。所以即使我们将芯片焊接在电路板上，只要留出和上位机接口的这个串口，就可以实现芯片内部存储器的改写，而无须再取下芯片。 优点 术的优势是不需要编程器就可以进行单片机的实验和开发，单片机芯片可以直接焊接到电路板上，调试结束即成成品，免去了调试时由于 频繁地插入取出芯片单片机 载线设计 4 对芯片和电路板带来的不便。 在系统编程有 3 种实现方式： （ 1） 基于电可擦除存储单元的 术（譬如 特点是，掉电数据不丢失，但编程次数有限，编程速度慢； （ 2） 基于 找表的编程单元（譬如 特点是，配置次数无限，加电可随时更改逻辑，但掉电后数据即丢失，下次上电需要重新配置； （ 3） 基于反熔丝编程单元（譬如 （ 4） 式； 目前，比较成熟的 载器大多是基于串口或者并口通信的，但也存在着以下问题： （ 1） 用户 的主频、硬件和操作系统不同，可能会造成控制信号错误； （ 2） 不同的厂商提供不同的 载器，互不兼容，给嵌入式开发带来不便； （ 3） 限于串、并口的通信协议， 据传输率低，影响嵌入式产品的开发。 基于以上的种种原因，本文提出将单片机和 线相结合，进行 载的方法，进行设计。 2 系统硬件设计 制作 载线，目前比较流行的主要有两种方案，一种是用 口芯片加 方案，另一种是只用 行 口协议的软件模拟和 载全部完成。第一种稳定，但 成本高，电路复杂，不便自制。我还是本着低成本，简单易做的原则进行。就用单片机 做。 统设计 本系统分为硬件和软件两部分，硬件平台主要由 口和单片机控制模块组成，完成对 通信和对目标芯片 程。软件面向用户设计，由用户选择要下载的、已经编程的代码文件，然后向目标芯片下载程序代码，同时可以检测目标芯片型号、擦除目标芯片、从目标芯片读出程序。整体框架如图 2示。 单片机 载线设计 5 图 2统框架图 件系统设计 硬件是整个系统的基础，是完成 各个功能的物理平台。硬件部分主要完成 载。采用 口芯片与单片机相结合，使用单片机控制对目标芯片载操作，硬件模块关系如图 2示。 图 2件系统框架图 片机选择 高性能、低功耗的 8 位 处理器 。 130 条指令 ； 大多数指令执行时间为单个时钟周期 ； 32 个 8 位通用工作寄存器 ； 单片机 载线设计 6 全静态工作 ； 工作于 16性能高达 16 只需两个时钟周期的硬件乘法器 ； 8K 字节的 系统内可编程 擦写寿命 ： 10， 000 次 ； 具有独立锁定位的可选 码区 ， 通过片上 序实现系统内编程 ， 真正的同时读写操作 ； 512 字节的 擦写寿命 ： 100， 000 次 ； 1K 字节的片内 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密 ； 两个具有独立预分频器 8 位定时器 /计数器 ， 其中之一有比较功能 ； 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的 16 位定时器 /计数器 ； 具有独立振荡器的实时计数器 三通道 装的 8 路 8 路 10 位 装的 6 路 8 路 10 位 面向字节的两线接口 ； 两个可编程的串行 可工作于主机 /从机模式的 行接口 ； 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 ； 片内模拟比较器 ； 上电复位以及可编程的掉电检测 ； 片内经过标定的 荡器 ； 片内 /片外中断源 ； 23 个可编程的 I/O 口 ； 28 引脚 装 ， 32 引脚 装 ， 32 引脚 装 ； 0 0 单片机 载线设计 7 工作模式 ： 空闲模式 ： 掉电模式 ： 3 系统电路设计 系统电路图设计如 图 3 图 3统电路 4 制作过程 在制作前首先要搞清楚几点以下几点： （ 1） 这个 载线本身就是 片机，在制作完成后首先也得通过其它并或串口 载线给它下载程序，这样它才能工作。 （ 2） 先得了解一下这个 片机 基本资料。这样才能对电路有个了解， 从而便于调试。因此，并口 载线的制作在这里起着关键的作用，如下单片机 载线设计 8 图 4示是 载线的制作简图 。 图 4载线制作简图 备原件 按照上图所示的简图，从市场中选购的实物图 4下 ： 图 4件实物图 测元件 元件准备好后，先得检测下元件质量，电阻的阻值、发光管的极性、电容是否有短路。要测试下两个稳压管的稳压值是否正确。最最重要的是先把 口用延长单片机 载线设计 9 线接到 ，然后用万用表测一下正极的位置，用笔做个标记，这样就能搞清楚了D、 D的位置，在下面的制作中就不会接反电源了。免得焊好后发现错了极性反复焊，焊盘很容易脱落，也避免接反烧了元件。（我开始用的是 头接口，后来发现在板子上吃不上劲，稍一用力很可能会松脱。所以换成母口了） 。 理电路图 电路图整理了一下，应尽量减少不必要的连接，因为有的元件不需要，有的为了方便检查，避免漏联了线，电路图 4下： 图 4简电路图 接 按照 电路图准备焊锡，准备洞洞板，不要轻易动手，应事先大概做 个布局，布局原则就是尽量尽量减小连线长度，跳线尽量少，避免复杂。然后就按照上面的电路图焊接，完成焊接后，正反实物图 4下： 单片机 载线设计 10 图 4反实物图 单片机 载线设计 11 5 系统调试 在调试前也还得先弄清几个问题： 第一、电源问题：原先的并口下载线是靠 上来供电的，也就是说当焊好后给它装固件时， 载线板得向原并口下载线供电，而固件装好后 就是靠 向 供电了，而以后的 51 实验板就不能向这个 供电了，否则 51 实验板都向 电，那么电压不同就有可能烧坏 口或元件的。因此 线就是为了区别装固件和正常下载而使用的。装固件时另附电源加在 载线上， 接，可以过 向原来的并口下载线供电。当正常使用时， 上的附加电源撤掉，由 供电，将 开，隔离开 和 51 板电源。 降速跳线，短接时慢速，在装固件时要求在慢速下。 位跳线。装固件时要求 复位状态。正常使用时就断开这三个跳线了。 图 5作流程图 单片机 载线设计 12 第二、 口问题：得弄清下载接口的对应接线， 就是说你原先并口下载线的并口各功能线接到十针的 口和 载线的接口要和相应的接上。例如 51 板，上面的十针下载 接口是随意接的没有按照什么标准。因此做并口下载线时，就将并口下载线上的各功能线与51 板 上的一一对应，这样就能调试通。 降速跳线，短接时慢速，在装固件时要求在慢速下。 位跳线，装固件时要求 复位状态。正常使用时就断开这三个跳线了。 不同的 下载软件对并口端脚的定义是不同的，这一点一定要弄清楚，否则是不可能正常下载的。有的软件有配置文件，可以跟据你的要求设置并口的某个脚为什么功能。如 的配置文件如图 5 图 5置文件图 可以通过修改这些 功能输出的并口端脚号以适应下载线。 例如，我的原先并口下载线用的是官方的一张图 ，如图 5 图 5载线官方图 单片机 载线设计 13 它的配套下载软件 30A 是自己不可以设定并口引脚号的。界面如下图 5 图 5脚设置界面 试过程 下面开始调试，第一步检查 载板有没有连错线或短路现象。方法是将 载板 的三个跳线短接，接上外加电源，测量电流为 6现没有问题。将原先的并口下载线的并口端接至 十脚 口端与 载板对接，测量并口板上的电压已正常。实物图 5下： 图 5载板实物图 单片机 载线设计 14 此时 载板上的发光管是不会亮，因为它里面没有程序还无法运行。开始进行下载。在 运行 图 5 图 5行图 事先我将配置文件 的各功能线已修改为和我的并口下载线相同的脚号。在左下角的 “程序设置 ”里选好那个配置文件。点击 “检测器件 ”钮，但始终检测不到器件，如上图。我想我的并口下载线肯定是好的，一直在用啊 !难道 配置文件不起作用？或那个 制时序和我那个板上的要求不同？干脆使用的 试吧 。 于是将它运行。因为是要给 载程序，所以在器件选项里选 图 5 图 5件选项设置 单片机 载线设计 15 果然，我点了下 正常读取了，于是我点 后选择网上下的那个 11K 大小的 击 下来就是写程序和校验一切正常。然后点击丝字节），在下图 5 点勾， 图 5置 然后回到主界面点 写完之后我把三个跳线一拔，绿色发光管 已经亮起 说 明 程序运行了。这样我的 载板的固件就算装好了。将 掉附加电源 后将它插到 上，立即就发现了新 备，一切没有问题，安装驱动程序一路正常， 诉我设备可以使用了。我将我的 51 板和 载线连上运行 物图 5 图 551 板和 载线连接实物图 单片机 载线设计 16 图 5行图 运行之后，出现上图 5口，在 “编程器及接口 ”下的选择框中选 “选择芯片 ”里选 点击 “芯片识别字 ”右边的 ，可就是检测不到器件如下图 5 图 5口 弹出这个窗，说明 载线是正常的了，就是检测不到 51 目标板。莫非是 又做了根只有 10 线，但状况依旧。突然想起网上说起过用修改过的固件可以针对 51 板出现的 即上网找来那个18K 大小的 做刚才的下载工作，一切顺利，再运 行 测到 51 器件，运行成功。 图 5行成功提示 特征字不匹配，不用管它，先点击 “是 ”。于是便试着点击 “读出 。成功 。单片机 载线设计 17 接着点 “调入 择一个 件，点击下面的自动，红色的发光管在不停地闪烁着，然而在写完后校验时却总通不过 。 图 5口 选 试。能够运行，成功啦 。 反复下载不同的程序，一切都很好。再换上我那长 40 线，反复下载程序试验，都能运行成功，至此大功告成 。下载固件时，如果你原先的并口下载软件支持 好就用你一直使用的并口下载软件。这样可以先排除并口下载线上的问题。 试注意事项 （ 1）正确使用测量仪器的接地端，仪器的接地端与电路的接地端要可靠连接。 （ 2）在信号较弱的输入端，尽可能使用屏蔽线连线，屏蔽线的外屏蔽层要接到公共地线上，在频率较高时要设法隔离连接线分布电容