基于MEGA8單片機和CAN總線實現(xiàn)智能監(jiān)控節(jié)點在線升級

1、系統(tǒng)總體設計方案

1.1 系統(tǒng)的拓撲結(jié)構

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網(wǎng)，是目前廣泛應該的總路線之一。CAN總線通信距離限制小，它的直接通信距離最大可達10km，最高通信速率可以達1Mb/s（此時距離最長為40m），節(jié)點數(shù)可多達110個。因此它特別適合于工業(yè)遠程過程監(jiān)控設備的互聯(lián)和電網(wǎng)絡設備的調(diào)試和維護。基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)的一般組成模式如圖1所示。上位機PC機通過RS-232連接到總線上某一智能節(jié)點。可以對安裝在現(xiàn)場某些節(jié)點的程序進行遠距離在線升級和改變某些功能，因此利用CAN總線進行單片機的在線編程就顯得非常必要。

圖1 基于CAN總路線的分布式控制系統(tǒng)

根據(jù)圖1所示的CAN總線分布式系統(tǒng)的結(jié)構，在線編程采用主從結(jié)構。智能節(jié)點1為主節(jié)點，其它節(jié)點為從節(jié)點。節(jié)點采用ATMEL公司推出的AVR系列單片機MEGA8，內(nèi)含8K FLASH程序存儲器，1K的內(nèi)部SRAM，512字節(jié)的內(nèi)部EEPROM。為了便于升級，除了提供ISP即在線編程功能（In System Programming）以外，還提供了BOOT引導功能，為實現(xiàn)IAP即在應用中編程（In Application Programming）為系統(tǒng)升級提供了可能。

1、2 節(jié)點升級過程

主節(jié)點在編程監(jiān)控模式下，接收PC機發(fā)送的“編程”命令，若編程節(jié)點為主節(jié)點，則程序可以通過RS-232下載到主節(jié)點，主節(jié)點接收編程數(shù)據(jù)，完成 FLASH的在線編程，此時，從節(jié)點分別執(zhí)行各自缺省的應用程序。若編程節(jié)點為從節(jié)點，則主節(jié)點就通過CAN總線進行廣播，全部從節(jié)點監(jiān)控包括被選擇節(jié)點 ID號在內(nèi)的“編程初始信息”，并與各自的節(jié)點ID進行比較，被選擇的從節(jié)點與主節(jié)點和PC機建立編程通信連接，其它從節(jié)點繼續(xù)運行其缺省應用程序，從而實現(xiàn)了在線升級功能?？梢?，在從節(jié)點編程模式下，主節(jié)點在PC機的RS-232總線與從節(jié)點的CAN總線之起著路由器的作用。

1、3 CAN總線系統(tǒng)智能監(jiān)控節(jié)點

CAN總線系統(tǒng)智能監(jiān)控節(jié)點由5部分組成：微控制器Mega8，并串轉(zhuǎn)換電路，獨立CAN控制器SJA1000，CAN總線驅(qū)動器TJA1050和高速光電耦合6N137。如圖2所示

圖2 CAN智能監(jiān)控節(jié)點硬件原理圖

為了提高穩(wěn)定性和安全性，在SJA1000的TX0和RX0與TJA1050的TXD和RXD相連時，采用了高速光電耦合6N137，并且兩個光電耦合器各自連接兩個完全隔離的電源，這樣就很好地實現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點間的電氣隔離。在SJA1000與Mega8通信中，中間加入了一個并串轉(zhuǎn)換電路。除了給Mega8留出更多的引腳用于外圍電路外，更重要的是傳輸多位數(shù)據(jù)時，可以通過并串轉(zhuǎn)換電路，連接到Mega8單片機的通用同/異步串行接口 USART的RXD與TXD引腳。把接收過進來的數(shù)據(jù)送入USART數(shù)據(jù)寄存器UDR中，通過ID認證后，進入FLASH編程監(jiān)控程序，進行自編程修改，達到升級的目的。

2、MEGA8單片機升級功能

2.1 引導加載自編程功能

ATmega8具備引導加載支持的用戶程序自編程功能（In-System Programming by On- chip Boot Program），它提供了一個真正的由MCU本身自動下載和更新（采用讀/寫同時“Read-While-Write”進行的方式）程序代碼的系統(tǒng)程序自編程更新的機制。使用該功能時，MCU可以靈活地運行一個常駐Flash的引導加載程序（Boot Loader Program），實現(xiàn)對讀取代碼，或者從程序存儲器中讀取代碼，然后將代碼寫入（編程）到Flash存儲器中。引導加載程序有能力讀寫整個Flash存儲器，包括引導加載程序所在的引導加載區(qū)本身。引導加載程序還可以對自身進行更新修改，甚至可以將自身刪除，使系統(tǒng)的自編程能力消失?；谶@個因素，使得在線升級成為了可能。引導加載程序區(qū)的大小可以由芯片的熔絲位設置，該段程序區(qū)還提供兩組鎖定位，以便用戶選擇對該程序區(qū)的不同級別的保護。

2、2 MEGA8的BOOT介紹

由于MEGA8具有IAP可在應用中升級的功能，本系統(tǒng)在軟件設計上采用了BOOT引導功能。主程序采用C語言編寫，BOOT程序則采用了匯編編寫。目的是為了提高下載速度，設計中放棄了ATMEL提供的AVRPROG燒錄軟件，另外采用了一個下載燒錄速度較高的ID通訊協(xié)議，在程序代碼量比較大的時候，具有更明顯的速度優(yōu)勢，并且也便于用戶二次開發(fā)。

MEGA8的引導功能可通過相應的熔絲位來確定，BOOT引導程序的入口、BOOT區(qū)的大小可以通過燒錄單片機的BOOTSZ1、BOOTSZ0兩個熔絲位來確定。單片機復位后向量入口也是通過燒錄單片機的BOOTRST熔絲位來確定。另外，單片機在執(zhí)行IAP編程時需要用到 Store Program Memory Control Register（SPMCR）寄存器。

SPMCR寄存器包含了頁擦除，頁寫入，BOOT區(qū)加密設置，頁填充及頁的RWW（Read While Write）等功能的設置。需要注意的是在執(zhí)行每個功能時，都需要設置SPMEN標志，在隨后的4個時鐘周期內(nèi)運行SPM指令，該標志會在SPM執(zhí)行完成后自動清零。函數(shù)如下：

Do_SPM：

Wait_SPM： ; 等待頁操作完成

in templ，SPMCR

sbrc templ，SPMEN

rjmp Wait_SPM

out SPMCR，temp

spm ; 執(zhí)行SPM指令

.dw 0xffff

nop

ret

有了以上的函數(shù)，就可以很容易的進行頁擦除、頁寫入、頁填充等程序的設計了。比如需要執(zhí)行頁擦除指令，則首先要將需要擦除的頁地址寫入Z寄存器，然后置位SPM的PGERS（頁擦除位）和SPMEN（SPM允許位），然后再調(diào)用Do_SPM函數(shù)即可。程序如下：

……

ld temp，y+

mov zl，temp ; Z指針地址賦值

ld temp，y+

mov zh，temp

ldi temp，（1《

rcall Do_SPM ; 執(zhí)行頁寫入

……

3、BOOT程序介紹及流程圖

Mega8單片機上電后設置冷啟動標志，而熱啟動入口則設置熱啟動標志。然后初始化堆棧、串口以及必要的I/O狀態(tài)等。初始化完成后，如果BOOT程序檢測到熱啟動標志則直接進入燒錄狀態(tài);如果為冷啟動標志則繼續(xù)檢測下載位是否允許（本設計通過PB0開關選擇），如為高電平則進入燒錄狀態(tài)，如為低電平則進入用戶程序。

BOOT引導程序在設計時提供了兩個入口，一個是系統(tǒng)復位時的冷啟動入口，另一個是用戶程序在運行時進入升級程序的熱啟動入口。BOOT程序主要包括燒錄子程序、串口發(fā)送、串口接收、引導主程序等。

串口發(fā)送采用了查詢發(fā)送完成標志。這樣當該標志被設置時，證明串口的停止位已經(jīng)發(fā)送完成，這對于CAN總線通訊非常有用。燒錄程序主要使用“SPM” 指令，該指令完成對MEGA8的燒錄等功能。而讀取MEGA8的指令則使用“LPM”。由于擦除，頁填充，寫入，讀出等基本命令單片機都已解釋完成，因此所有過程都可以由計算機端程序進行控制。

程序開始時，計算機端發(fā)送命令，先對單片機的頁進行擦除，然后接收一幀數(shù)據(jù)，接收完畢后執(zhí)行頁寫入命令，寫入完成再進行讀出進行校驗，如果校驗無誤再繼續(xù)寫入下一頁，直到所有頁都寫入完畢，即完成一次下載過程。如果傳輸或頁校驗出現(xiàn)錯誤，程序會連續(xù)進行5次測試，如再仍不成功，則認為本次下載失敗。主程序流程圖如圖3。

MEGA8單片機的主程序通過CAN接口執(zhí)行計算機發(fā)送的命令，并且定義了一個更新代碼的特殊命令，當接收到該命令時，主程序首先關閉中斷，關閉看門狗，然后跳轉(zhuǎn)到BOOT的熱啟動入口，再執(zhí)行BOOT下載燒錄程序。下載完成后再直接跳轉(zhuǎn)到$0000地址進入用戶程序區(qū)，這樣就完成了代碼的在線升級。為了保證該命令的可靠性，本程序設計時規(guī)定單片機必須在100ms內(nèi)同時接收到兩次該命令才認為正確，超過100ms則不予認可。

圖3

4、結(jié)束語

由于采用了MEGA8單片機的BOOT功能，以及CAN總線高速遠距離通信，同時抗干擾性強，使得遠距離在線升級，譬如通過以太網(wǎng)、無線等方式，成為了可能。這對于系統(tǒng)調(diào)試及以后的升級維護都提供了極大的便利，這也是今后單片機和CAN總線發(fā)展的一個方向。由于該部分具有通用性，所以可很容易地移植到 AVR其它MEGA系列的設計方案中。

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