馬金祥 關(guān)靜

(常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 常州 213002)

0 引言

AVR單片機是ATMEL公司采用全新配置和精簡指令集RISC結(jié)構(gòu)的高性價比新型單片機［1］。自AVR單片機問世以來，以運行速度快，數(shù)字I/O端口驅(qū)動能力強，產(chǎn)品可靠性高，具備在系統(tǒng)編程(ISP)等優(yōu)勢，在工業(yè)控制、智能儀器儀表、家用電器、電子通信設(shè)備等電氣產(chǎn)品中獲得了廣泛的應(yīng)用。其中ISP功能是指在將程序?qū)懭雴纹瑱C存儲器時，不必將單片機芯片從目標(biāo)板上拆下拿到萬用編程器上燒錄，而是通過計算機外圍接口直接對單片機芯片進行擦除、編程、校驗以及熔絲位配置等操作［1］。

AVR單片機的ISP功能一般都是通過計算機的并口或串口來實現(xiàn)的。通過計算機的并口實現(xiàn)AVR單片機的ISP功能具有硬件電路簡單、運行可靠等優(yōu)點;通過計算機的串口實現(xiàn)AVR單片機的ISP功能則只需增加電平轉(zhuǎn)換電路和監(jiān)控芯片即可實現(xiàn)。對于只配備USB接口的計算機而言，可以通過USB轉(zhuǎn)接芯片將USB口信號轉(zhuǎn)換為異步串口信號，再通過監(jiān)控芯片實現(xiàn)AVR單片機ISP功能。

1 USB轉(zhuǎn)接芯片CH341

1.1 CH341芯片特點

CH341是南京沁恒電子有限公司推出的USB總線轉(zhuǎn)接芯片，通過USB總線提供并口、異步串口以及常用的2線和4線等同步串口。CH341在異步串口工作方式下，提供串口發(fā)送使能、串口接收就緒等交互式的速率控制信號以及常用的MODEN聯(lián)絡(luò)信號，用于為計算機擴展異步串口，或者將普通的串口設(shè)備直接升級到USB總線［2］。

CH341在異步串口工作方式下的特點［2］:

①全速USB設(shè)備接口，兼容USB2.0，只需晶振和電容等常用元器件。

②支持DC 5 V和DC 3.3 V 2種電源電壓。

③仿真標(biāo)準(zhǔn)串口，用于升級原串口設(shè)備，或者通過USB端口增加額外串口。

④計算機端Windows操作系統(tǒng)下的串口應(yīng)用程序完全兼容，無需修改。

⑤硬件全雙工串口，內(nèi)置收發(fā)緩沖器，支持通訊波特率50 bps～20 Mbps。

1.2 CH341芯片異步串口工作方式下的引腳功能

CH341提供2種封裝形式，3種訂貨型號的產(chǎn)品。CH341A采用sop－28封裝形式，CH341T和CH341H均采用 ssop－20封裝形式，是CH341A的簡裝版。CH341的具體功能由復(fù)位后的功能配置決定，同一引腳在不同的功能配置下的定義可能不同。CH341A是CH341芯片中的典型芯片，具備CH341芯片的全部功能和特點。CH341A和CH341T都可以工作在異步串口方式。因此，以CH341A在異步串口工作方式下的功能配置來介紹CH341的引腳功能及其在AVR單片機ISP功能中的應(yīng)用。

CH341A在異步串口工作方式，且串口發(fā)送使能信號有效的情況下，利用UD+和UD－連接到USB總線，通過TXD和RXD引腳產(chǎn)生TTL電平串口信號。CH341A采用標(biāo)準(zhǔn)的28腳貼片封裝形式(sop－28)，CH341A在異步串口工作方式下的引腳定義如圖1所示，CH341A在異步串口工作方式下的引腳功能可以查閱南京沁恒電子有限公司網(wǎng)站(http://www.wch.cn)的有關(guān)資料。

圖1 CH341A在異步串口工作方式下USB口轉(zhuǎn)串口硬件電路圖

1.3 CH341A異步串口工作方式下的硬件電路及使用方法

CH341A在異步串口工作方式下的USB轉(zhuǎn)串口硬件電路如圖1所示，其中J1接頭為USB公頭直接與計算機USB接口相連接，J2接頭產(chǎn)生TTL電平TXD、RXD信號。RSTI引腳與VCC之間跨接容量為1 μF的電容，與GND之間接4.7 kΩ下拉電阻，可以使CH341A在電源上電期間減少外界干擾并可靠復(fù)位。ACT#引腳外接上拉限流電阻的綠色發(fā)光二極管LED1，用于指示USB設(shè)備配置狀態(tài)。TEN#引腳為串口發(fā)送使能控制端，低電平有效，直接與GND連接。VCC與GND之間連接帶限流電阻的紅色發(fā)光二極管 LED2，用于指示CH341A的電源狀態(tài)。SDA和SCL引腳均懸空，用于對CH341A芯片通過直接組合配置為USB轉(zhuǎn)異步串口工作方式，仿真計算機串口。

以上硬件電路完成后，如果電路連接無誤，將J1接頭與計算機USB接口連接，系統(tǒng)會提示安裝驅(qū)動程序。CH341A的USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動程序可在南京沁恒電子有限公司網(wǎng)站下載，文件名為ch341ser.exe［2］。CH341A 的 USB 轉(zhuǎn)串口驅(qū)動程序安裝成功后，在桌面上選中“我的電腦”圖標(biāo)，單擊右鍵，選中并打開“設(shè)備”項，可以得到“計算機管理”窗口，在“設(shè)備管理器”的“端口”一欄中就可以看到新增串口“USB-SERIAL CH341A(COM2)”。USB轉(zhuǎn)串口新增串口指示圖如圖2所示。

圖2 USB轉(zhuǎn)異步串口新增串口指示圖

一般情況下，J1接頭與計算機連接后，LED2馬上點亮;延時一段時間后，LED1點亮，說明CH341A芯片配置完成，可以開始USB口轉(zhuǎn)異步串口。在CH341A芯片配置完成之后，在“設(shè)備管理器”的“端口”一欄中可以看到新增串口編號。

2 AVR單片機USB口下載線硬件組成及工作原理

2.1 AVR單片機USB口ISP編程電纜

AVR單片機USB口ISP編程電纜的功能是使用PC機的USB口來驅(qū)動ISP編程所需的時序信號，實現(xiàn)對AVR單片機的編程。AVR單片機USB口ISP編程電纜由2部分組成:第一部分為USB口轉(zhuǎn)異步串口硬件電路［2］(如圖1所示)，第二部分是TTL串行通信信號經(jīng)過監(jiān)控芯片轉(zhuǎn)換為AVR單片機串行編程所需的ISP編程信號。TTL串行通信信號轉(zhuǎn)換AVR單片機ISP編程信號硬件電路原理圖(如圖3所示)。第一部分硬件電路的J2接口與第二部分硬件電路的J3接口相連接，注意要將不同接口的TXD與RXD相連接。在編程電纜正常工作時，J1端連接PC機的USB口，J4端通過編程插頭連接目標(biāo)板的AVR單片機。AVR單片機USB口下載線的工作原理是:PC機(上位機)編程軟件發(fā)送的編程命令和數(shù)據(jù)，通過USB口轉(zhuǎn)異步串口硬件電路轉(zhuǎn)換為串行通信的TTL電平信號，然后由AVR單片機監(jiān)控芯片ATtiny2313進行接收，ATtiny2313內(nèi)的監(jiān)控程序?qū)邮盏降臄?shù)據(jù)進行分析與處理，完成和上位機的通信并實現(xiàn)對目標(biāo)板上的AVR單片機編程。ATtiny2313的PB4、PB5、PB6和 PB74個管腳通過編程插頭分別與目標(biāo)板上的AVR單片機的、MOSI、MISO 和SCK 相連接。另外，AVR單片機USB口ISP編程電纜的電源端還通過編程插頭與目標(biāo)板的VCC、GND分別相連接，并從目標(biāo)板獲得工作電源。特別注意，最好不要用USB口的VCC和GND給監(jiān)控芯片和目標(biāo)板提供電源。否則，可能會增加USB口電流負荷，甚至?xí)p壞計算機的USB端口。

圖3 TTL串行通信信號轉(zhuǎn)換AVR單片機ISP編程信號硬件電路原理圖

2.2 ATtiny2313監(jiān)控程序通信協(xié)議

系統(tǒng)監(jiān)控芯片采用ATtiny2313單片機，其監(jiān)控程序根據(jù)AVR Prog的通信協(xié)議(該協(xié)議適用于并行編程和串行編程模式)設(shè)計。ATtiny2313監(jiān)控程序既可以在AVR Studio環(huán)境中用匯編語言設(shè)計，也可以在CodeVision環(huán)境中用C語言設(shè)計。ATtiny2313監(jiān)控程序接收上位機發(fā)來的命令(有些命令還帶有參數(shù))并執(zhí)行相應(yīng)的操作，監(jiān)控程序在執(zhí)行要求的操作之后還會根據(jù)需要向上位機發(fā)送規(guī)定的回執(zhí)數(shù)據(jù)信息來完成通信。關(guān)于AVR Prog的通信協(xié)議，讀者可以參考ATMEL公司AVR單片機數(shù)據(jù)手冊(AVR.AVR開發(fā)軟件大全.http://www.ourdev.cn/es_avr_serial_software.html.2011)。

3 AVR單片機USB口ISP編程軟件的應(yīng)用

由于AVR單片機USB口ISP下載線監(jiān)控芯片ATtiny2313使用的是AVR Prog的通信協(xié)議，因此PC機(上位機)的編程軟件可以直接使用AVR Prog(如，AVRStudio環(huán)境下的AVR Prog編程軟件和CVAVR環(huán)境下的AVR Prog編程軟件)，也可以使用支持AVR Prog的通信協(xié)議的其他編程軟件(如，雙龍在線編程軟件、Ponyprog編程軟件等等)。

雙龍在線編程軟件 SL-ISP V1.7.0.13版本主界面［3］如圖4所示。

圖4 SL-ISP雙龍在線編程軟件主界面

現(xiàn)在以 SL-ISP V1.7.0.13 版本為例，對其操作進行簡單介紹，具體操作如下:

①在通信參數(shù)設(shè)置及器件選擇框中可以設(shè)置通信端口、編程速度，并選擇編程目標(biāo)器件型號。

②單擊FLASH存貯器對話框中的“flash”管理按鈕，從對話框中打開flash目標(biāo)程序數(shù)據(jù)文件。單擊EEPROM存貯器對話框中的“E2E”管理按鈕，從對話框中打開EEPROM目標(biāo)程序數(shù)據(jù)文件。

③單擊“編程”按鈕，目標(biāo)程序數(shù)據(jù)文件就會自動下載到目標(biāo)器件中。在信息欄中會指示校驗芯片ID碼，芯片擦除、編程、校驗等操作的相關(guān)信息，在進度條中會指示當(dāng)前操作的進度。

④如果需要對目標(biāo)器件的熔絲位進行相應(yīng)的配置，則需點擊編程主界面“配置熔絲”打開配置熔絲對話框。在“配置熔絲”對話框中，用戶可以對芯片加密、系統(tǒng)時鐘、上電啟動延時時間以及其他一些熔絲位進行配置。

4 有關(guān)問題的說明

1)串口ISP編程電纜中監(jiān)控芯片ATtiny2313使用外部晶振4 MHz，在對其加載監(jiān)控程序時應(yīng)對系統(tǒng)時鐘熔絲位進行正確的配置。

2)如果目標(biāo)板上的AVR單片機為ATmaga64/103/128/1281/2561，串口下載編程電纜插頭的 MISO、MOSI應(yīng)分別與目標(biāo)板單片機的PDO、PDI相連接。

3)在下載編程應(yīng)用軟件中通信參數(shù)選擇項串行通信端口COM端口編號一定要與圖2中新增串口編號相一致。

4)圖2中USB轉(zhuǎn)異步串口新增串口的編號可以根據(jù)需要進行修改;USB轉(zhuǎn)異步串口可以單獨作為普通異步串口使用，但要注意其串行通信電平為TTL電平信號。

5)有些在線編程應(yīng)用軟件既能支持串口下載電纜，又能支持并口下載電纜，用戶可以根據(jù)需要在編程應(yīng)用軟件中靈活設(shè)置［4］。

6)CH341芯片通過SCL和SDA引腳組合配置芯片功能，可將 CH341配置為不同工作方式［2］。

［1］馬潮.AVR單片機嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實踐［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［2］南京沁恒電子有限公司.USB_SER.PDF［EB/OL］.［2011 －04 － 30］.http://www.wch.cn/download/list.asp?id=63.2011.

［3］廣州雙龍電子有限公司.雙龍在線下載軟件［EB/OL］.［2011－04 －28］.http://www.sl.com.cn/down/software/1/SLISP_V1716_SU8.rar.2011.

［4］馬金祥.利用串口實現(xiàn)AVR單片機ISP功能的一種方法［J］.化工自動化及儀表，2009，36(6):78 －81.