摘 要：介紹SI-PROG編程器的工作原理，利用PC機(jī)串口UART芯片實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的ISP下載。PC機(jī)串口8250芯片中SOUT，DTR，RTS，CTS四個(gè)引腳的電平可通過其內(nèi)部的幾個(gè)寄存器分別進(jìn)行控制或讀取，利用引腳可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的ISP下栽。介紹了8250與單片機(jī)之間通信信號(hào)的邏輯關(guān)系以及電平轉(zhuǎn)換，分析了接收器的閾值電壓的特點(diǎn)，給出了使用SI-PROG編程器的條件。最后，以AVR單片機(jī)為例介紹了下載程序設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，利用PC機(jī)串口UART芯片可以實(shí)現(xiàn)對(duì)AVR單片機(jī)的ISP下載，其硬件電路和軟件設(shè)計(jì)都很簡(jiǎn)單。
關(guān)鍵詞：S1-PROG編程器；程序設(shè)計(jì)；UART；AVR單片機(jī)

    SI-PROG編程器為PonyProg 2000軟件中使用的一種ISP編程器，該編程器利用PC機(jī)串口電路的異步通信控制器UART實(shí)現(xiàn)AVR，PIC，AT89等單片機(jī)的ISP編程。雖然該編程器不為Atmel的AVRStudio所支持，但是其硬件電路簡(jiǎn)單，成本低，便于制作，適于初學(xué)者進(jìn)行學(xué)習(xí)和簡(jiǎn)單開發(fā)。下面以AVR單片機(jī)為例，介紹SI-PROG編程器的工作原理及其程序設(shè)計(jì)。

l SI-PROG編程器的工作原理
1．1 電路組成
    圖1為SI-PROG串口編程器的工作原理圖。電路分為PC機(jī)串口電路、SI-PROG編程器和目標(biāo)機(jī)3部分。編程器通過9針D型連接器DB9與PC機(jī)串口連接，通過10針連接器J1與目標(biāo)機(jī)連接，電路在文獻(xiàn)[4]的基礎(chǔ)上做了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。J1引腳定義與Atmel的STK200下載線相同。

1．1．1 PC機(jī)串口電路及SI-PROG編程器
    PC機(jī)串口電路由U1～U4組成。8250(U1)為異步通信控制器UART，SN75150(U2，U3)為驅(qū)動(dòng)器，SN75154為線接收器。U2，U3，U4實(shí)現(xiàn)8250引腳上TTL電平與串口DB9上RS 232電平轉(zhuǎn)換。SI-PROG編程器則完成DB9上RS 232電平與目標(biāo)機(jī)上TTL電平的轉(zhuǎn)換。
1．1．2 串行SPI接口
    編程器通過目標(biāo)機(jī)的SPI接口對(duì)其片內(nèi)的FLASH程序存儲(chǔ)器進(jìn)行下載編程。SPI接口由SCK，MOSI和MISO等幾條信號(hào)線組成。下載編程的過程實(shí)際上是PC機(jī)與AVR的通信過程。兩者的關(guān)系是一種主從關(guān)系，PC機(jī)為主機(jī)，AVR為從機(jī)。主機(jī)經(jīng)MOSI引腳將串行數(shù)據(jù)發(fā)給從機(jī)，從機(jī)經(jīng)MISO引腳將數(shù)據(jù)返回給主機(jī)。SCK為串行時(shí)鐘脈沖，由主機(jī)發(fā)往從機(jī)。主機(jī)通過SCK脈沖控制與從機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。圖2為串行下載編程時(shí)序圖。單片機(jī)在SCK上升沿讀取MOSI上的數(shù)據(jù)位，在SCK下降沿輸出數(shù)據(jù)位到MISO。

1．2 信號(hào)的邏輯關(guān)系
    由圖1可見，8250的11，33，32，36四個(gè)引腳分別通過編程器與AVR的RESET，MOSI，SCK，MISO相連進(jìn)行通信。這4個(gè)引腳的電平可通過8250內(nèi)部的3個(gè)寄存器進(jìn)行設(shè)置或讀取，如圖3所示。3個(gè)寄存器依次為線路控制寄存器(LCR)、Modem控制寄存器(MCR)和Modem狀態(tài)寄存器(MSR)。對(duì)于串口1，3個(gè)寄存器的端口地址一般為3FBH，3FCH和3FEH。LCR的SB位、MCR的DTR位和RTS位分別控制11，33，32三腳的電平。MSR的CTS位則反映了36腳的電平。

    下面分析8250與AVR通信信號(hào)間的邏輯關(guān)系。為了避免引起混亂，這里全部采用正邏輯描述。
1．2．1 RESET與SB位的邏輯關(guān)系
    線路控制寄存器LCR的D6位SB決定了8250的11腳的電平。當(dāng)SB=1時(shí)，11腳被強(qiáng)制拉到低電平，DB9的3腳為高電平。當(dāng)SB=O時(shí)，DB9的3腳為低電平。邏輯關(guān)系在Q1上又反相一次。因此，RESET信號(hào)與SB位的邏輯關(guān)系為：
    RESET=SB (1)
    編程時(shí)只要通過OUT指令改變SB位的值，就可以控制RESET端的電平。當(dāng)8250復(fù)位后，SB＝0，RESET＝SB＝1，RESET引腳為高電平。
1．2．2 MOSI，SCK信號(hào)與DTR，RTS位的邏輯關(guān)系
    MODEM控制寄存器MCR的D0位DTR控制著33腳的電平。置DTR＝1，則33腳DTR為低電平，是邏輯非關(guān)系。U3相當(dāng)于非門，故MOSI信號(hào)與DTR位的邏輯關(guān)系為：
    MOSI=DTR (2)
    類似的，SCK信號(hào)與MCR的D1位RTS的邏輯關(guān)系為：
    SCK=RTS (3)
1．2．3 CTS位與MISO信號(hào)的邏輯關(guān)系
    MODEM狀態(tài)寄存器(MSR)的D4位CTS反映了8250的36腳的電平，當(dāng)CTS端為高電平時(shí)，CTS=O；反之CTS=1。CTS位與CTS端是邏輯非關(guān)系。因此，CTS位與MISO信號(hào)的的邏輯關(guān)系為：
    CTS=MISO (4)
    根據(jù)式(1)～式(4)，下載編程時(shí)，設(shè)置或讀取AVR的RESET，MOSI，SCK，MISO腳的電平問題就變成通過I／O指令設(shè)置或讀取8250內(nèi)部寄存器的SB，DTR，RTS，CTS位的問題。
1．3 SI-PROG編程器的電平轉(zhuǎn)換
    根據(jù)RS 232標(biāo)準(zhǔn)，串口DB9上的兩種電平分別為5～15 V和-5～-15 V。編程器電路采用分立元件實(shí)現(xiàn)DB9上的RS 232電平與AVR的TTL電平間的轉(zhuǎn)換。
1．3．1 RS 232到TTL電平的轉(zhuǎn)換
    圖1中，用限流電阻R3和4．7 V的穩(wěn)壓二極管Z2完成DB9的4腳上RS 232電平到J1的1腳上TTL電平的轉(zhuǎn)換。5～15 V與-5～-15 V高低兩種電平通過R3后將分別變成4．7 V和O V(實(shí)際為-O．7 V)，符合TTL電平的要求。
    類似的，限流電阻R4和4．7 V的穩(wěn)壓二極管Z1完成DB9的7腳上RS 232電平到J1的7腳上的TTL電平的轉(zhuǎn)換。
    Q1，R1，R2接成反相器，DB9的3腳上的5～15 V與-5～-15 V兩種電平分別使Q1處于飽和導(dǎo)通和截至狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了RESET信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換。
1．3．2 TTL到RS 232電平的轉(zhuǎn)換
    TTL到RS 232電平的轉(zhuǎn)換由SN75154線接收器實(shí)現(xiàn)。圖4為SN75154的施密特電壓傳輸特性曲線。
    當(dāng)閾值電壓控制端T3接Vcc時(shí)，它工作在圖4中曲線a狀態(tài)，兩個(gè)閾值電壓分別為VIT-=-1．1 V和VIT+=2．2 V；當(dāng)T3懸空時(shí)，它工作于圖中曲線b狀態(tài)，VIT-=-1．4 V，VIT+=2．2 V。顯然，對(duì)于后一狀態(tài)，MISO引腳上的TTL電平信號(hào)可以通過U4到達(dá)8250，而前一狀態(tài)則無法通過U4。

    根據(jù)文獻(xiàn)[2]，長城0520 PC-XT機(jī)上SN75154的閾值電壓控制端T3接到+5 V。這樣，SI-PROG編程器就不能工作。計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展到今天，UART-般均升級(jí)為16550，它與打印機(jī)并口、鍵盤控制器等電路一起集成于LPC芯片內(nèi)，16550仍與8250相兼容。驅(qū)動(dòng)器和接收器也都集成到一個(gè)芯片內(nèi)，如75232，75185。這些芯片的接收器不再采用圖4中曲線a那樣的閾值電壓，而改為與曲線b相接近的情況。表1為3臺(tái)PC機(jī)閾值電壓的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。表中，典型值為芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)中的數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)值為實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。顯然，3臺(tái)PC機(jī)上，SI-PROG編程器都能正常工作。

2 下載程序設(shè)計(jì)
    根據(jù)式(1)，用輸出指令向3FBH端口寫入40H，將使RESET端置低電平，寫入00H，使RESET端置高電平；根據(jù)式(2)，式(3)。向3FCH端口寫入數(shù)據(jù)，改變其D1位的數(shù)值，就可改變SCK端的電平，改變D0位的數(shù)值，即改變MOSI的電平；根據(jù)式(4)，用輸入指令讀取3FEH端口，讀取字節(jié)的D4位為MISO返回的數(shù)據(jù)位。
    根據(jù)AVR單片機(jī)的串行下載算法，發(fā)送串行編程指令的操作步驟為：進(jìn)入串行下載模式；發(fā)送編程使能指令；執(zhí)行所需的讀、寫等操作指令，可執(zhí)行一條，也可執(zhí)行多條；退出串行編程模式。
    (1)進(jìn)入串行下載模式。保持SCK端為低電平，給RESET端發(fā)送一個(gè)大于兩個(gè)時(shí)鐘周期的正脈沖，AVR單片機(jī)便進(jìn)入串行下載模式。
    (2)發(fā)送串行編程指令。根據(jù)圖2，一個(gè)SCK時(shí)鐘周期可分4個(gè)步驟：輸出位數(shù)據(jù)到MOSI線，延時(shí)；令SCK由0變1，延時(shí)；讀取MISO線上的數(shù)據(jù)位；令SCK由1變0，延時(shí)。前兩個(gè)步驟寫一位數(shù)據(jù)到AVR，后兩個(gè)步驟則從AVR讀取1位數(shù)據(jù)。8個(gè)SCK時(shí)鐘周期寫1個(gè)字節(jié)，同時(shí)讀一個(gè)字節(jié)。AVR單片機(jī)每條編程指令均由4個(gè)字節(jié)組成。根據(jù)上述過程，將4個(gè)字節(jié)的編程指令依次寫入到AVR，同時(shí)讀取返回的4個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。
    (3)退出串行編程模式。將RESET端置高電平，AVR單片機(jī)退出編程模式。

3 結(jié) 語
    根據(jù)上述分析，采用VC++6．O編程成功地對(duì)ATtinyl3和ATmegal6兩種芯片的FLASH進(jìn)行了芯片擦除、讀、寫以及對(duì)熔絲位的讀、寫等操作。注意編程時(shí)需要解決Windows NT／2000，／XP操作系統(tǒng)下訪問I／O端口的技術(shù)問題。
    使用SI-PROG編程器，必須滿足兩個(gè)條件：
    (1)串口的UART芯片要與8250兼容；
    (2)電平轉(zhuǎn)換芯片接收器的閾值電壓要介于TTL高、低兩種電平之間。
    多數(shù)PC機(jī)所配置的串口都能滿足上述兩個(gè)條件。某些早期的PC機(jī)有可能與PC／XT機(jī)類似，不滿足條件(1)。目前，家用筆記本電腦上一般不再配置串口。這樣，SI-PROG編程器在某些PC機(jī)上不能使用。然而，SI-PROG編程器仍有一定的使用空間。畢竟LISB接口的編程器價(jià)格較高，而一些商用筆記本電腦中取消了并口但保留著串口，并口編程器又不能用。而多數(shù)臺(tái)式機(jī)上一般仍配置有串口。