引言

　　隨著嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，電可擦除的Flash存儲器由于具有容量大、成本低、編程方便等優(yōu)點，在微控制器領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。Flash微控制器在正常運行前必須將Flash寫入用戶應(yīng)用程序，目前對微控制器的Flash程序存儲器進行編程的方法主要有出廠固化、編程器編程、在系統(tǒng)編程（In System Programming, ISP）和在應(yīng)用編程（In Application programming,IAP）4種。

　　其中，出廠固化和編程器編程方法都要求微控制器在焊接前將程序?qū)懭耄@顯然不滿足開發(fā)階段的調(diào)試和日后升級的需要。目前比較普及的是在板可編程的ISP和IAP方法。ISP是通過微控制器的串行編程寫入應(yīng)用程序，需要少量的外部電路輔助實現(xiàn)；IAP將Flash映射為用戶程序和Bootloader兩個存儲區(qū)，Bootloader可通過系統(tǒng)已有的USB、串口、SPI、I2C總線等各種通信接口，對用戶程序進行更新而不需要外部電路輔助，實現(xiàn)更加靈活，可方便地實現(xiàn)程序的在線及遠程升級。

　　在利用ATmega88微控制器開發(fā)四旋翼飛行器的無感無刷直流電機驅(qū)動器時，由于定時器PWM輸出口與SPI接口存在引腳共用問題，用SPI口進行ISP編程時會使MOS管誤導通而燒毀。由于驅(qū)動器中的4個ATmega88微控制器是通過I2C總線通信的，為了調(diào)試和升級方便，提出并實現(xiàn)了通過I2C總線對AVR微控制器進行在應(yīng)用編程的方法，包括Bootloader程序、I2C總線的PC機串口模擬、上位機程序及相關(guān)的通信協(xié)議。實踐證明，該方法可成功實現(xiàn)I2C總線上多個ATmega88微控制器[1]的在線升級。

　　1 ATmega88微控制器的Bootloader設(shè)計

　　ATmega88是一款基于AVR增強RISC體系結(jié)構(gòu)的CMOS低功耗8位微處理器，它通過執(zhí)行強大的單周期指令，達到接近1 MIPS/MHz的運算效率。ATmega88的Flash被分為128個大小為64字節(jié)的頁面，F(xiàn)lash的編程操作都是以頁面為單位進行的。為了用戶程序的安全性，以及用戶的ISP和IAP編程需要[2],ATmega88的Flash存儲空間被分為引導程序區(qū)（Bootloader Section）和應(yīng)用程序區(qū)（Application Program Section）兩部分。

　　引導程序區(qū)為非同時讀寫區(qū)，應(yīng)用程序區(qū)為同時讀寫區(qū)。在非同時讀寫區(qū)內(nèi)執(zhí)行的代碼可以對同時讀寫區(qū)內(nèi)的頁面進行編程操作，根據(jù)這一機制我們可以編制Bootloader程序并將其存儲于引導程序區(qū)內(nèi)，以實現(xiàn)應(yīng)用程序區(qū)代碼的在線與遠程升級。

　　由于ATmega88分配給引導程序區(qū)的空間大小有限（2 KB），Bootloader程序一定要簡潔而高效，圖1給出了以I2C總線為通信接口的Bootloader程序流程圖。

　　為了能夠執(zhí)行Bootloader程序，ATmega88熔絲位中的BOOTRST應(yīng)設(shè)為零，這樣在系統(tǒng)上電或應(yīng)用程序接收到升級命令利用看門狗復位后，系統(tǒng)就能從引導程序區(qū)運行Bootloader程序。Bootloader程序中維持了一個溢出時間為2 s的定時器，該定時器利用TIM1以查詢的方式實現(xiàn)。沒有程序更新或程序更新完畢，程序在2 s內(nèi)沒有從I2C總線接收到數(shù)據(jù)幀時則利用（*（（void（*）（void））（0x0000）））函數(shù)跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序區(qū)執(zhí)行應(yīng)用程序，在2 s內(nèi)接收到數(shù)據(jù)幀后，則將定時器重置，以繼續(xù)接收數(shù)據(jù)幀更新應(yīng)用程序。

　　在Bootloader實現(xiàn)中，ATmega88的I2C總線工作在從模式，上位機的I2C總線工作在主模式。上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)幀由2字節(jié)的Flash頁面地址、64字節(jié)的頁面數(shù)據(jù)、1字節(jié)的密碼和1字節(jié)的異或校驗和構(gòu)成。Bootloader接收到數(shù)據(jù)幀后會用數(shù)據(jù)長度、密碼、異或校驗和對數(shù)據(jù)幀進行校驗，校驗正確的話則根據(jù)數(shù)據(jù)幀中Flash的頁面地址和數(shù)據(jù)相應(yīng)的Flash頁面進行編程，并將flag置1;校驗錯誤的話，則丟棄數(shù)據(jù)幀等待重發(fā)的數(shù)據(jù)幀。

　　上位機在發(fā)送數(shù)據(jù)幀后讀取flag,并根據(jù)其狀態(tài)重發(fā)數(shù)據(jù)幀或發(fā)送下一頁面的數(shù)據(jù)幀。flag被讀取后Bootloader程序?qū)⑵淝辶?，這樣就形成了一個簡潔而有效的差錯控制機制。Flash中頁面的編程由頁擦除和頁編程兩個過程組成，頁擦除由AVR庫函數(shù)中的boot_page_erase（addr）函數(shù)實現(xiàn)，addr為相應(yīng)頁面中的字節(jié)地址。

　　ATmega88的Flash是以頁為單位進行擦除和寫入操作的，因此在進行Flash頁面寫入前，要多次調(diào)用boot_page_fill（addr, data）函數(shù)將整頁的程序代碼寫入臨時緩沖區(qū)，其中addr為指令所要寫入的字節(jié)地址，data為相應(yīng)的由2個字節(jié)構(gòu)成的16位程序指令。Flash頁面的寫入由boot_page_write（addr）函數(shù)實現(xiàn)，addr為相應(yīng)頁面中的字節(jié)地址。

　　為了程序安全，F(xiàn)lash執(zhí)行頁擦除和編程操作時要求CPU處于等待狀態(tài)，因此Flash的頁擦除和寫入函數(shù)執(zhí)行后都要調(diào)用boot_spm_busy_wait（）函數(shù)等待操作完成。此時，I2C總線也處于掛起狀態(tài)，等所有操作完成后才能將總線釋放。上位機軟件在發(fā)送完數(shù)據(jù)幀后就一直監(jiān)聽總線狀態(tài)，等總線釋放后再讀取flag狀態(tài)，并決定是重發(fā)還是發(fā)送下一幀，這樣就實現(xiàn)了有效的通信流量控制。

　　整個Bootloader程序編譯完成后，大小為506字節(jié)。因此，熔絲位中的BOOTSZ1和BOOTSZ0應(yīng)設(shè)為1和0,將引導程序區(qū)設(shè)置為地址0x1E00~0x1FFF、大小為512字節(jié)的區(qū)域。為了使Bootloader程序能正確寫入到該區(qū)域，程序編譯時要將程序起始地址設(shè)定在0x1E00,在WinAVR中可以通過在Makefile中添加“LDFLAGS+= -Wl,--section-start=.text=0x1E00”實現(xiàn)。編譯完成的Bootloader可以在ATmega88確定PCB前，通過編程器或ISP寫入到Flash中。

　　2 PC端編程軟件設(shè)計

　　2.1 Intel Hex文件格式

　　ATmega88微控制器的目標程序代碼是采用Intel Hex文件格式[3]保存的。Intel Hex文件包含了目標代碼及相應(yīng)的地址信息，這些實現(xiàn)在應(yīng)用編程必需的信息由PC機端的上位機程序提取，并重新以頁面為單位裝幀后發(fā)送給Bootloader便可實現(xiàn)Flash的編程。

　　Intel Hex文件格式將二進制的目標機器代碼以ASCII碼的文本形式記錄，在文件中，每一行都是一個由十六進制機器碼或數(shù)據(jù)常量組成的Hex記錄。記錄格式如表1所列。

　　表1 Intel Hex文件的記錄格式

　　每條Hex記錄都是以“:”開頭的，表1中所述的每個字節(jié)在記錄中是由兩個ASCII碼表示的，這樣的兩個十六進制數(shù)為一個字節(jié)；長度表示的是記錄中數(shù)據(jù)項的長度；地址為數(shù)據(jù)項在Flash中的起始地址；記錄的類型總共有6種，分別為數(shù)據(jù)記錄（00）、文件結(jié)束記錄（01）、擴展段地址記錄（01）、開始段地址記錄（03）、擴展線性地址記錄（04）、開始線性地址記錄（05）。數(shù)據(jù)是與記錄類型相對應(yīng)的可變長度的數(shù)據(jù)組。校驗字節(jié)計算如下：首先，將每條記錄中除記錄頭和校驗外所有ASCII碼以2個ASCII碼轉(zhuǎn)換為1個字節(jié)的形式轉(zhuǎn)換為二進制。然后計算上述二進制字節(jié)的累加和，將累加和的低字節(jié)取反加1即為校驗字節(jié)。

　　ATmega88目標代碼的Hex文件由數(shù)據(jù)記錄和文件結(jié)束記錄兩種類型的記錄構(gòu)成。上位機程序在解析過程中以行為單位讀取文件中的記錄，并根據(jù)上述記錄的格式進行解析，獲得Flash每一頁面的地址和相應(yīng)的數(shù)據(jù)，遇到文件結(jié)束記錄后則停止解析。

　　2.2 I2C總線的PC機串口模擬

　　PC機端的編程軟件是通過I2C總線與ATmega88的Bootloader通信的，I2C總線在微控制器中是廣泛存在的，一般的微控制器都集成了I2C總線控制模塊。但PC機基本沒有I2C總線接口，需要專用的USB轉(zhuǎn)I2C總線協(xié)議芯片或其他接口的I2C總線模塊才能實現(xiàn)PC機與微控制器之間的I2C總線通信。這種方法成本高且實現(xiàn)麻煩，本文給出了一種利用PC機串口的握手信號模擬I2C總線的方法，相比專用協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片或模塊的方法，這種方法更加簡單、高效。為了實現(xiàn)PC機RS232串口與微控制器I2C總線的電平匹配，設(shè)計了如圖2所示的接口電路。

　　圖2中，PC機串口的RTS輸出用來模擬I2C總線的SCL時鐘信號；DTR輸出模擬I2C總線的SDA輸出數(shù)據(jù)信號；CTS輸入用于接收SDA輸入數(shù)據(jù)。PC機串口的RS232的高電平為15 V,低電平為-15 V;I2C總線的高電平為+5 V,低電平為0 V.因此，將PC串口的握手信號轉(zhuǎn)換成I2C總線信號時需要進行相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換，PC機串口RS232電平與I2C總線TTL電平之間的轉(zhuǎn)換是由電阻R1、R2和5.1V穩(wěn)壓管D1、D2實現(xiàn)的。

　　當RTS輸出+15 V高電平時，由于電阻和穩(wěn)壓管的作用，SCL端電平被穩(wěn)定在+5.1 V;而當RTS輸出-15 V低電平時，由于二極管D2導通，SCL電平被鉗位在-0.7 V.這樣，便實現(xiàn)了±15 V的RS232電平到0~5 V CMOS電平的轉(zhuǎn)換；電阻同時也起著限流作用。DTR輸出到SDA信號的電平轉(zhuǎn)換也是同樣的原理，而當SDA處于輸入狀態(tài)時，由于CMOS電平可以滿足RS232電平的輸入容限，因此無需進行電平轉(zhuǎn)換。

　　由于用PC機串口模擬I2C總線時僅僅用到了串口的握手信號，而沒有用到串口的波特率、數(shù)據(jù)長度、奇偶校驗等設(shè)置功能及輸入/輸出緩沖區(qū)的管理功能，本文直接采用Windows提供的API函數(shù)實現(xiàn)串口編程。串口的打開和關(guān)閉分別采用CreateFile函數(shù)和CloseHandle函數(shù)實現(xiàn)。RTS和DTR信號高低電平的控制由EscapeCommFunction函數(shù)將串口作為文件操作實現(xiàn)，調(diào)用該函數(shù)后程序要有一定時間的延時以實現(xiàn)通信波特率的控制。CTS的電平狀態(tài)則由GetCommModemStatus函數(shù)查詢得到。

　　在實現(xiàn)了RTS、DTR的電平控制與CTS電平狀態(tài)的獲取后，借鑒單片機用I/O口模擬I2C總線的方法[4],可以通過控制RTS、DTR電平與查詢CTS狀態(tài)來模擬I2C總線。在總線的時序處理與讀寫操作方面，兩種方法的不同在于：用單片機I/O口模擬I2C總線時，I2C總線的SDA信號由輸出模式轉(zhuǎn)換到輸入模式是通過將單片機I/O口從輸出轉(zhuǎn)換為輸入實現(xiàn)的；由于串口握手信號無法實現(xiàn)雙向通信，因此，SDA信號的輸入功能是通過將DTR置高電平后讀取CTS狀態(tài)實現(xiàn)的，之所以將DTR置高電平是因為微控制器端的I2C總線的集電極開漏輸出結(jié)構(gòu)需要DTR置高后才能輸出高電平，這類似于I2C總線上拉電阻的功能。

　　2.3 上位機程序設(shè)計

　　PC端上位機程序的主要功能為：解析應(yīng)用程序的Hex格式文件，并從中提取Flash中每一頁面的地址與數(shù)據(jù)信息；設(shè)置串口號與所需升級的ATmega88的I2C總線地址；利用串口的握手信號模擬I2C總線通信，將Hex文件中的程序代碼準確無誤地發(fā)送給相應(yīng)地址的Bootloader以實現(xiàn)應(yīng)用程序的在線更新。

　　根據(jù)上述功能設(shè)計了如圖3所示的上位機程序界面，開發(fā)環(huán)境采用Borland C++ builder 5.0,串口操作通過Windows API接口函數(shù)實現(xiàn)。

　　I2C總線通信的波特率設(shè)置為10 kbps,這是通過每次EscapeCommFunction函數(shù)調(diào)用后運行相應(yīng)時間的延時函數(shù)實現(xiàn)的，這樣也可以使RTS和DTR信號在改變電平后有足夠的穩(wěn)定時間。點擊“燒錄程序”按鈕后，上位機程序通過I2C總線向相應(yīng)地址的ATmega88發(fā)送復位命令，然后循環(huán)發(fā)送Flash頁的數(shù)據(jù)幀；ATmega88接收到復位命令利用看門狗復位或人工上電復位后，跳轉(zhuǎn)運行Bootloader程序，開始接收數(shù)據(jù)幀并對相應(yīng)的Flash頁面進行編程。

　　Bootloader接收到一幀數(shù)據(jù)后將I2C總線拉低，使總線處于忙狀態(tài)，此時上位機一直查詢SDA狀態(tài)直到SDA恢復高電平后再操作I2C總線，這樣便實現(xiàn)了有效的通信流量控制。Bootloader對數(shù)據(jù)幀進行校驗后對flag進行標記，上位機發(fā)送完數(shù)據(jù)幀等I2C總線空閑后，讀取flag并根據(jù)其狀態(tài)重發(fā)數(shù)據(jù)幀或發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)，這樣便實現(xiàn)了通信的差錯控制，保證寫入程序代碼的正確性。所有Flash頁面編程完畢后，上位機程序關(guān)閉串口，Bootloader在2 s內(nèi)接收不到數(shù)據(jù)幀后，就能跳轉(zhuǎn)去運行升級后的應(yīng)用程序。

　　結(jié)語

　　本文給出了一套完整的利用I2C總線實現(xiàn)ATmega88微控制器在應(yīng)用編程的方法，包括Bootloader程序、I2C總線的PC串口模擬、上位機程序及相關(guān)的通信協(xié)議。該方法應(yīng)用于四旋翼飛行器的無感無刷直流電機驅(qū)動板，成功通過I2C總線實現(xiàn)了4個ATmega88微控制器的在線調(diào)試與升級。該方法經(jīng)過少量針對具體微控制器的代碼修改后也可用于其他AVR系列微控制器的在應(yīng)用編程。