基于MSP430单片机和串口芯片PL2303的BSL编程工具设计

控制/MCU

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描述

为了对烧断熔丝的MSP430系列单片机进行程序更新,采用USB转串口芯片PL2303和VB6.0编程语言设计出了一款高性价比的BSL编程工具,给出了该编程工具的硬件和软件设计的具体方案,并论述了设计中的要点。该BSL编程工具使用方便、操作简单、成本低廉,投入使用以后获得了较好的效果。

美国德州仪器公司的MSP430系列单片机在智能仪器仪表、医疗电子、消费电子等领域有着非常广泛的应用。大部分MSP430系列单片机都具有非易失性Flash存储器,用户调试或更新Flash中程序的方式一般有两种方法:JTAG和Bootstrap Loader(引导装载程序,简称BSL)。

MSP430系列单片机内部集成了JTAG仿真调试模块,并口转换器就可以作为一个低成本的JTAG硬件仿真调试工具,然而,为了保护用户程序代码,往往产品开发完成之后必须要烧断MSP430单片机内部的熔丝,这就使得MSP430单片机无法再通过JTAG接口访问CPU或者更新Flash中的用户程序了,要想再次访问或者更新Flash中的用户程序就需要使用BSL接口。BSL接口也是对烧断熔丝后的MSP430单片机进行程序升级的唯一方法。

MSP430系列单片机出厂时在特定的内存空间固化了一段引导代码,即BSL,通过在单片机特定引脚上加一个特定的时序就可进入这段引导代码,用户就可以通过标准的异步串行口访问单片机的内部资源,如Flash、RAM等(读操作需要验证密码),这就为嵌入式应用提供了方便的升级和维护方式。

采用USB转串口芯片和VB6.0编程语言设计并实现了一种成本低廉、使用方便、操作简单的BSL编程工具,可以通过串口实现对MSP430系列单片机进行擦除、编程、自动下载文件、声音提示以及自动运行代码等功能。系统总体设计框图如图1所示。

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1 系统硬件设计

该BSL编程工具的硬件是使用USB转串口芯片PL2303设计的,具有使用方便、设计成本低等优点。PL2303是Prolific公司生产的USB总线转接芯片,具有全部调制解调器控制信号,如TXD、RXD、DTR、RTS等,可实现USB转3.3 V或5 V全双工串口TTL电平。

PL2303芯片接入PC机后会产生一个虚拟的串口设备,使用VB6.0提供的MSComm串口控件进行编程,即可控制TXD、RXD、DTR、RTS产生所需要的时序信号。尽管使用PC机的物理串口也可以实现同样的功能,但并不是每台PC机都有物理串口,USB转串口芯片使得该编程工具省去了物理串口的限制,并可为MSP430单片机提供电源,因此,PL2303是移动系统和嵌入式系统的理想选择,其小封装能够嵌入到任何连接件和手持设备中。

该编程工具将PL2303芯片的DTR、RTS引脚分别连接到MSP430系列单片机的RST、TCK(或者TEST)引脚,如果是带有TEST引脚的MSP430单片机,则应用TEST引脚替换TCK引脚。TX D、RXD是串口发送、接收引脚,需要连接MSP430单片机对应的BSL引脚,不同的单片机对应的接收和发送引脚不完全一样。PL2303芯片的第4个引脚VDD 325是用来决定控制信号逻辑电平的,MSP430系列单片机都是3.3 V工作电压,因此,VDD_325应该接3.3 V,以便于TXD、RXD、DTR和RTS产生3.3 V逻辑电平。AMS1117是用来将5 V电压转换为3.3 V电压,除了给VDD_325提供电压,也可以给外部的MSP430单片机提供3.3 V电源。系统硬件设计原理图如图2所示。

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2 系统软件设计

BSL编程工具的软件设计采用VB6.0来实现,尽管使用VC++、Delphi等编程工具都可以实现该软件的设计,但选择VB6.0具有更多的优势,因为VB是一种比较简单的事件驱动编程语言,对初学者的要求较低。VB拥有图形用户界面和快速应用程序开发系统,使用其提供的组件完全可以完成该软件的设计。

2.1 MSP430单片机BSL时序介绍

要使MSP430单片机进入BSL复位向量,需要在单片机的RST和TCK(或者TEST)引脚施加一个特定的时序,MSP430单片机接到这个特定时序后,CPU的程序指针(PC)指向0x 0C00地址处,这是一段1 KB的ROM区(0x 0C00~0x 1000)。

在BSL程序开始执行时,TCK引脚已收到至少两个负跳变,并且当RST由低向高跳变时TCK保持低电平,此时,MSP430单片机进入BSL状态;如果是带有TEST引脚的MSP430单片机,则应用TEST引脚替换TCK引脚,并且TEST引脚接收的到是至少两个正跳变,并且当RST由低向高跳变时 TEST保持高电平。MSP430单片机BSL启动时序如图3所示。

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2. 2 BSL的串口通信协议

MSP430单片机利用内部定时器实现在特定的引脚模拟串口通信时序,大多数MSP430单片机的P1.1引脚作为BSL的发送端(即TXD),P2.2引脚作为BSL的接收端(即RXD),不同型号的单片机会有所不同。

MSP430单片机的串口协议默认采用:9 600的波特率,半双工模式,1位起始位,8位数据位(最低位在前),1个偶校验位,1位停止位。握手是通过一个确认字符进行的,在发送任何命令之前,必须先发送一个值为80H的同步字符给BSL,它提供了BSL系统时间基准。当BSL接收到同步字符之后,会发送一个90H的字符以确认成功接收。

BSL提供给用户的命令主要分为两类:一类命令需要验证密码才能执行,如访问单片机Flash、RAM以及外设等操作;另一类命令无需验证密码即可执行,如整体擦除Flash、读取BSL版本等。部分BSL命令数据帧格式如表1所列。

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其中,从HDR到LH的8个字节是必须的,xx表示任意数据;数据D1~Dn是可选的;CKL是校验和的低位,CKH是校验和的高位,这两个字节是必需的;ACK确认字节并不是每个命令都需要的。

2.3 BSL软件设计

进行BSL软件设计,主要用到了VB6.0中的几个关键控件,如MSComm、CommandDialog、ComboBox、Timer、TextBox、ProgressBar、CommandButton、CheckBox等标准控件。

该BSL编程软件下载的程序文件格式为TI公司txt纯文本格式,它使用“@”表示地址的开始,地址后面表示从该地址开始要存储的数据内容,从地址后每一行为16个字节,每个字节使用十六进制数表示,每两个字节之间用一个空格隔开。每遇到一个“@”字符就表示新地址的开始,地址后面同样表示从该地址开始要存储的数据内容,文件最后以一个小写的“q”字符加换行结束。根据TI-txt文件的格式,首先要使用CommandDialog控件打开要下载的文件,使用一定的算法分离出整个TI-txt文件中的多段起始地址以及每个起始地址所对应的数据内容,然后通过串口一步一步地发送给BSL并写入到指定的地址段。BSL编程软件对TI-txt文件的处理流程如图4所示。

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要通过串口实现上位机软件和MSP430单片机的BSL进行数据交换,最关键的一步就是先要使MSP430单片机进入BSL状态。而要想使MSP430单片机进入BSL状态,必须要在RST和TCK(或者TEST)引脚施加一个特定的时序,通过使用MSComm的两个属性DTREnable和 RTSEnable可以产生所需要的时序。DTREnable属性是确定在通信过程中是否使用DTR(Data Term inal Ready)线。若DTREnable设置为True,则使用DTR线;若为False(缺省),则禁止DTR线。RTSEnable属性和 DTREnable属性类似,RTSEnable属性用于确定是否使用RTS(Request To Send)线。若RTSEnable设置为True,则使用RTS线;若为False(缺省),则不使用RTS线。使用MSComm的这两个属性,可以在 VB6.0中通过以下代码使MSP430单片机进入BSL状态。

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其中,DTRCheck和RTSCheck这两个控件非常有用,可以在不改变硬件的情况下使DTR和RTS输出的逻辑电平反相,这使得该BSL上位机软件既可以适用于有TCK引脚的单片机,也可以适用于有TEST引脚的单片机,大大增强了BSL软件的灵活性。

使MSP430单片机进入BSL状态是关键的一步,打通了这一底层通信的关键环节之后,就可以一步一步地编写调试其他各个软件模块了。MSP430单片机BSL编程软件的设计流程图和BSL编程软件界面图如图5、6所示。

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结语

采用USB转串口芯片PL2303和VB6.0编程语言设计出了一款高性价比的BSL编程工具,该BSL编程工具具有使用方便、操作简单、成本低廉等优点,通过USB虚拟串口,不但可以对烧断熔丝的MSP430系列单片机进行程序升级等操作,而且也可以作为用户学习MSP430单片机的廉价编程工具。经过反复多次修改及完善,该BSL编程工具应用于某机床厂的实际项目中,并被多个高校的大学生在实践创新中使用,取得了较好的效果。

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