CN100370423C - 一种51单片机在系统升级方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种51单片机在系统升级方法，包括在单片机系统在51单片机上设置JTAG接口；利用JTAG公用指令，来实现对与JTAG接口相连的单片机进行升级编程。本发明还公开了一种51单片机系统，包括51单片机，JTAG接口模块，其用来提供JTAG接口，利用JTAG链对芯片外部引脚的电平设置和扫描功能，来实现对与JTAG接口芯片相连的单片机进行编程和校验。利用本发明，系统软件升级，可以直接在板上进行编程，不仅成本较低，而且提高了系统升级的可靠性，并且可以对任何一款单片机芯片进行在系统编程。

Description

一种51单片机在系统升级方法及系统

技术领域

本发明涉及一种单片机系统，具体地说，涉及一种51单片机在系统升级方法及系统。

背景技术

51单片机因为其优良的性价比，在电子领域沿用几十年，仍方兴未艾。并且51系列单片机芯片自带片内程序存储器，应用程序能直接烧录在51单片机芯片上，可以免去片外的ROM电路，使得系统的硬件设计较为简单。

由于51单片机的片内程序软件烧录需要12V的编程电压，而且一般借助于ALL-11之类的编程器进行烧片固化。因此，如果单板的片内程序需要烧录或升级，需要把单片机芯片从系统中取出来，通过编程器烧录后，再安装回单板上。这样不仅操作上比较麻烦，还存在一个问题：为了保证芯片软件可以更新，单板上安装了芯片对应的插座，但是这些插座(特别是塑封有引线芯片载体PLCC的插座)会随着使用时间的延长产生由氧化引起的接触不良之类的问题，降低了系统的可靠性。

一种现有技术的系统为加强可靠性，不使用插座，直接把芯片焊接到系统单板上，然后加工时通过ICT(In Circuit Test)的飞针进行芯片软件编程。该方法的缺点为：

1、设计针对该系统的ICT的加载设备成本较高；

2、只能在初次加工时进行ICT飞针编程，系统销售后升级软件不能再由ICT编程。

另一种现有技术的系统选择ATMEL的5V编程电压的单片机，并且在系统中增加辅助CPU，在上面固化ATMEL专门设计的芯片编程驱动程序。所述CPU专门用于对系统的主CPU进行软件编程，实现主CPU在系统的编程功能。但是，5V编程电压的单片机价格较贵；而且系统需要一个专门进行软件编程的CPU，硬件电路很复杂；辅助CPU只能对一种厂家芯片进行编程，对替代的其他厂家的芯片无法编程。

发明内容

鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种51单片机在系统升级方法及系统，以解决单片机芯片软件升级时，需要从系统中取出芯片和硬件成本较高的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供的51单片机在系统升级方法，包括：

A、在51单片机上设置JTAG接口；

B、利用JTAG公用指令，在12V的编程电压环境下，通过JTAG链路来实现对与JTAG接口相连的单片机进行升级编程。

其中所述的设置JTAG接口方式包括由可擦编程逻辑器件EPLD逻辑芯片提供，并且进行编程时，5V的工作电压变换为12V的编程电压。

进一步地所述利用JTAG的公用指令进行的操作包括：

B1、对单片机进行整片擦除。

B2、对单片机写入目标代码；

写入目标代码后还包括对写入的目标代码进行校验。

并且为所述单片机提供12V的编程电压方式包括采用MAX232芯片的内部电压变换方式。

本发明提供的51单片机系统，包括51单片机，还包括JTAG接口模块，其用来提供JTAG接口，并通过JTAG电缆与51单片机连接，所述51单片机利用JTAG链对芯片外部引脚进行电平设置和扫描，通过JTAG公用指令来实现对与JTAG接口芯片相连的单片机进行编程和校验；电压控制模块，其用于控制普通的51单片机12V的编程电压与5V或3.3V的工作电压的变换，可以利用某些芯片的内部电压变换来实现输出12V的编程电压；隔离控制模块，用于三态隔离没有和JTAG接口模块连接的单片机CPU的引脚。

其中JTAG接口模块包括可擦编程逻辑器件EPLD逻辑芯片，其中EPLD的引脚和51单片机的地址数据硬件相联。

该系统还包括电压控制模块包括MAX232芯片。

进一步地所述的隔离控制模块包括三态缓冲器。

利用本发明，51单片机不管是初次加工，还是系统今后软件升级，都不需要把芯片从单板上取下，计算机直接通过一根简单JTAG加载电缆，就可以对单片机芯片进行编程，不仅成本较低，而且提高了系统升级的可靠性。

进一步地利用本发明可以对任何一款51单片机芯片进行在系统编程。

附图说明

图1为本发明的所述系统框图；

图2为本发明的所述系统的电路连接图；

图3为利用JTAG接口实现对单片机芯片编程的操作流程图。

具体实施方式

边界扫描接口(JTAG)技术是目前业界一个流行的可测性接口技术，它是在芯片的输入输出引脚上增加边界扫描单元，这些边界扫描单元串联成一条JTAG链，连接到JTAG接口上。通过对JTAG接口的控制，可以实现隔离芯片外部电路，直接对芯片的内部引脚电路进行电平设置和扫描(INTEST方式下)；也可以实现隔离芯片内部引脚电路，直接对芯片外部引脚进行电平设置和扫描(EXTEST方式下)。JTAG接口包含5个信号：TDO、TDI、TCK、TMS、TRST。TDO是JTAG链串行数据的输出接口；TDI是JTAG链串行数据的输入接口；TCK是JTAG链串行数据的时钟信号；TMS是控制JTAG链工作状态的控制信号；TRST是JTAG接口的复位信号，当该信号为0时，JTAG链强制复位。

现在的逻辑芯片如：可擦编程逻辑器件EPLD、CPLD、FPGA等芯片，内部含有JTAG链，提供JTAG接口。计算机可以通过串口、并口、USB等接口连接JTAG加载电缆，与之连接，进行JTAG的各种指令操作。

利用JTAG接口，不仅可以实现对带JTAG接口芯片本身进行加载软件(如可擦编程逻辑器件EPLD软件加载)，同时，还可以实现对该芯片上与JTAG链相连引脚的外部电路进行电平设置和采样扫描。本发明就是利用JTAG链对芯片外部引脚的电平设置和扫描功能，来实现对与JTAG接口芯片相连的单片机进行编程和校验。

如图1所示，整个系统包括后台控制模块、JTAG接口模块、电压控制模块、隔离控制模块和51单片机。

后台控制模块：由计算机和JTAG加载电缆组成。计算机负责存放要编程的程序代码；运行JTAG编程软件，下发JTAG相关指令、下发编程的代码、读取并校验编程后单片机上的代码；JTAG加载电缆连接计算机和JTAG接口模块。

JTAG接口模块：提供JTAG接口，实现与JTAG链相连引脚的外部电路进行电平设置和采样扫描。主要由逻辑芯片(如EPLD)、JTAG接口连接器等组成。

电压控制模块：用于控制普通的51单片机12V的编程电压与5V或3.3V的工作电压的切换，可以利用某些芯片的内部电压变换来实现输出12V的编程电压。

隔离控制模块：51单片机编程时，需要有RST、PSEN、ALE、P0和P1端口、P2和P3的部分端口需要和JTAG接口模块(如EPLD)的引脚进行连接，而单片机系统正常运行时，该模块用来控制RST、PSEN、ALE、P1、P2和P3端口等信号不与JTAG接口模块(如EPLD)的引脚相联。为了在系统正常运行时，实现这些引脚的隔离，这里使用三态缓冲器进行隔离控制。

51单片机：接收JTAG链输出的编程指令和编程数据，保存编程的程序目标代码；接收JTAG链输出的代码读取指令，输出保存的程序目标代码。是计算机通过JTAG进行编程的目标对象。

本实施例采用提供JTAG接口的可擦编程逻辑器件EPLD(CPLD/FPGA)逻辑芯片、用来实现内部电压变换的MAX232芯片以及型号为74ACT16245的245三态缓冲器。其中EPLD逻辑芯片不仅具备JTAG接口，还是可编程逻辑芯片；采用MAX232芯片硬件成本低，同时MAX232是串口电平转换芯片，能满足在51系统中串口TTL电平和RS-232电平转换的需要。

各部件连接关系如图2所示：后台计算机通过JTAG加载电缆和JTAG接口相连；51单片机的地址数据硬件和EPLD逻辑芯片的引脚连接在一起，即和芯片上的JTAG链连接在一起，以实现系统逻辑。245三态缓冲器连接单片机和EPLD的对单片机实际应用中有编程需要的但没有和EPLD芯片连接在一起的其他的管脚进行两端信号的三态隔离；EPLD还输出2个引脚，一个和三态缓冲器的OE引脚相连，另一个引经过达林顿管和继电器和单片机EA引脚相连，来实现对单片机EA引脚的12V编程电压和5V工作电压的切换控制，保证编程时，该引脚信号为0，达林顿管输出1，继电器吸合，EA得到的是12V的编程电压；系统正常运行时，该JTAG链的引脚信号为1，达林顿管输出0，继电器不吸合，EA得到5V的工作电压。

因为JTAG接口标准是一个开放的标准，所有支持JTAG接口的芯片遵从相同的JTAG公用指令。对单片机进行编程和校验最基本的操作就是数据的写和读。写的操作为：输出地址信号，写信号(为1)，要写的数据信号和特殊端口的控制信号(RST、ALE、PSEN)，然后延时，写信号再输出0，再延时，写信号再输出1，这样完成一次写的操作。读的操作为：输出地址信号、读信号(为1)和特殊端口的控制信号(RST、ALE、PSEN)，然后延时，读信号输出0，获取要读的数据信号，读信号再输出1，这样完成一次读的操作。

写操作对应到JTAG操作过程就是，后台计算机下发预置(PRELOAD)指令，把地址信号、需要写的数据信号、和特殊端口的控制信号(RST、ALE、PSEN)、写信号(为1)从JTAG接口TDI串行移位到JTAG链上；然后通过外部测试(EXTEST)指令，把JTAG链上的数据并行输出在EPLD的引脚上，经过延时后，再下发预置(PRELOAD)指令，把地址信号、需要写的数据信号、写信号(为0)和特殊端口的控制信号(RST、ALE、PSEN)从JTAG接口TDI串行移位到JTAG链上；然后通过外部测试(EXTEST)指令，把JTAG链上的数据并行输出在EPLD的引脚上；再经过延时后，下发预置(PRELOAD)指令，把地址信号、写信号(为1)和特殊端口的控制信号(RST、ALE、PSEN)从JTAG接口TDI串行移位到JTAG链上；最后通过外部测试(EXTEST)指令，把JTAG链上的数据并行输出在EPLD的引脚上。这样就完成一次写的操作。

读操作对应到JTAG操作过程就是，计算机下发预置(PRELOAD)指令，把地址信号、特殊端口的控制信号(RST、ALE、PSEN)和读信号(为1)从JTAG接口TDI串行移位到JTAG链上；然后通过外部测试(EXTEST)指令，把JTAG链上的数据并行输出在EPLD的引脚上；经过延时后，再下发预置(PRELOAD)指令，把地址信号和特殊端口的控制信号(RST、ALE、PSEN)、读信号(为0)从JTAG接口TDI串行移位到JTAG链上；然后通过外部测试(EXTEST)指令，把JTAG链上的数据并行输出在EPLD的引脚上；接着下发采样(SAMPLE)指令，获取EPLD的数据线引脚上的数据，串行移位到JTAG接口TDO输出；最后经过延时后，下发预置(PRELOAD)指令，把地址信号、需要写的数据信号、和特殊端口的控制信号(RST、ALE、PSEN)、读信号(为1)从JTAG接口TDI串行移位到JTAG链上。这样完成了一次读的操作。

有了基本的读写操作后，可以根据各种51单片机芯片的编程指令和流程(各手册上都有记录)要求，把目标程序编程到系统上的单片机芯片上。流程如图3所示，

步骤1：设置EPLD输出控制三态缓冲器OE的信号为0。

步骤2：读取器件ID的命令，验证器件是否正常，是正常的转入步骤3，否则转到步骤10。

步骤3：设置EPLD电压选择信号为0，选择12V的编程电压。

步骤4：对单片机进行整片擦除的命令，进行整片擦除。

步骤5：对单片机写入目标代码；

步骤6：设置EPLD电压选择信号为1，选择5V的工作电压。

步骤7：读取单片机上编程的目标代码。

步骤8：校验写入和读取的目标代码，如果是一致的，转入步骤9，否则转到步骤10。

步骤9：上报编程成功。

步骤10：出错时，上报相应的出错信息。

步骤11：结束流程。

除了根据JTAG指令进行设计加载软件，还可以直接利用第三方JTAG加载工具软件来实现。这些软件完成了JTAG接口各种命令的驱动，只需输入JTAG芯片的BSDL文件和51单片机编程命令的脚本文件，就可以通过计算机并口实现对芯片的编程功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种51单片机在系统升级方法，其特征在于，包括：

A、在51单片机上设置可擦编程逻辑器件EPLD逻辑芯片，利用所述EPLD逻辑芯片提供边界扫描接口JTAG；

B、利用JTAG公用指令，在12V的编程电压环境下，通过JTAG链路来实现对与JTAG接口相连的单片机进行升级编程；

所述12V的编程电压采用MAX232芯片的内部电压变换方式提供。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用JTAG的公用指令进行的操作包括：

B1、对单片机进行整片擦除；

B2、对单片机写入目标代码。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括对写入的目标代码进行校验。

4.一种51单片机在系统升级系统，包括51单片机，其特征在于，还包括JTAG接口模块，其用来提供JTAG接口，通过JTAG电缆和所述51单片机相连，所述51单片机利用JTAG链对芯片外部引脚进行电平设置和扫描，在12V的编程电压环境下，通过JTAG公用指令来实现对与JTAG接口芯片相连的单片机进行编程和校验；

所述JTAG接口模块是可擦编程逻辑器件EPLD逻辑芯片，其中EPLD的引脚和51单片机的地址数据硬件相连；所述12V的编程电压采用MAX232芯片的内部电压变换方式提供。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括

电压控制模块：与51单片机和JTAG接口模块相连，用于控制普通的51单片机12V的编程电压与5V或3.3V的工作电压的切换；

隔离控制模块：用于三态隔离和JTAG接口模块连接的单片机CPU的引脚。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述的隔离控制模块包括三态缓冲器。

Images