CN101359303B - 一种在线调试微控制器及其外设器件的装置及调试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线调试微控制器及其外设器件的装置，所述装置包括：微控制器，用于通过接收上位机协议命令并对数据进行处理；用于连接到上位机的USB连接器，所述USB连接器具有三个触点，第一触点用于上位机连接所述微控制器进行通讯并发送协议命令，第二触点用于接收从所述微控制器向上位机之间发送的数据，第三触点用于向电压转换模块(2)供电；至少一个通用I/O口，与所述微控制器相连，用于接入外设器件，并提供微控制器与外设器件间数据传输；以及电压转换模块(2)，将所述USB连接器提供的电压经转换后向微控制器供电。本发明实现了在PC软件界面下调试和配置系统中微控制器以及控制其周边器件，并且实现PC与微控制器之间大量数据实时、高速传输。

Description

一种在线调试微控制器及其外设器件的装置及调试方法

技术领域

本发明涉及计算机串行通信领域，特别是涉及一种利用通用串口总线通过计算机对微控制器及其外设器件进行在线调试的装置及方法。

背景技术

通用串行总线(Universal Serial Bus，USB总线)是一种正在迅速发展的高速外设总线，USB接口标准为所有的外设器件提供了单一、易于操作、标准的连接类型，支持真正的热插拔(Hot plug)和即插即用(Plug&Play)，允许将多达127个接口设备同时串接到PC(Personal Computer)的同一个外部USB接口上，实现多个外围设备与主机间的通信。设备与主机之间通过USB线缆连接，距离可达5米，使设备具有移动性，最新的USB2.0协议支持的最高传输速率达480Mbps，支持的传输方式有四种，其中包括：

1、控制(Control)传输：控制方式传输是双向传输的，数据量较小，USB系统软件用此方式进行查询配置和给USB设备发送通用的命令。控制传输方式可以包括8，16，32和64字节的数据；

2、同步(Isochronous)传输：同步方式传输提供了确定的带宽和间隔时间，用于时间严格并具有较强容错性的流数据传输或是要求恒定数据传输率的即时应用中；

3、中断(Interrupt)传输：中断方式传输主要用于定时查询设备是否有中断数据要传输，设备的端点模式器的结构决定了它的查询频率；

4、批量(Bulk)传输：主要应用在大量数据传输和接收上，同时又没有带宽和间隔时间要求的情况下。正由于具有使用方便、支持即插即用、易于扩展、速度快、智能化等优点，USB接口已逐步成为PC机的主流接口并得到广泛应用。

MCU(Micro Controller Unit，微控制器)又称单芯片微控制器或单片机，是将ROM、RAM、CPU、I/O集合在同一个芯片中，为不同的应用场合做不同组合控制的集成电路器件。经过多年不断地研究、发展，MCU不仅具有RS232接口可以进行通讯，而且还可以按照USB协议通过USB接口通讯。

如今，MCU(尤其是8位MCU)在市场上应用广泛，如键盘、鼠标、显示器、电话机、洗衣机、空调、电视机等系统中都有MCU存在。随着科技的不断发展和应用范围越来越广泛，MCU的程序和外围控制电路越来越复杂，其开发周期也越来越长，调试过程也越来越繁琐。

目前常用的调试方法有三种：

方法一、使用烧录器将程序直接烧录到MCU中，再将MCU放到电路系统中进行测试，此方法由于观察不到软件程序在MCU中如何运行，而且每次修改程序后都要重新烧录MCU，很不方便，此法只适用于程序简单、外围电路少的系统调试中；

方法二、使用仿真器，应用PC通过RS232接口对连接在电路系统中的仿真器进行在线调试，此法的缺点是仿真器通用性不高，使用不同厂商的MCU就要使用不同的仿真器和上层应用软件，而且价格昂贵；

方法三、还可以将PC直接与MCU通过RS232接口连接通讯，进行调试，由于RS232接口通讯限制，此法只适用在速度很慢的系统调试中。

目前现有技术中，在利用高速USB总线传输大量实时数据在线调试配置MCU以及控制其外设器件方面尚无很好的做法。

发明内容

为实现灵活、方便在线调试的目的，本发明提供了一种在线调试微控制器及其外设器件的装置，所述该装置包括：

微控制器，用于接收上位机协议命令并对数据进行处理；

用于连接到上位机的USB连接器，所述USB连接器具有三个触点，第一触点用于上位机连接所述微控制器进行通讯并发送协议命令，第二触点用于接收从所述微控制器向上位机发送的数据，第三触点用于向电压转换模块2供电；

至少一通用I/O口，与所述微控制器相连，用于接入外设器件，并提供微控制器与外设器件间的数据传输；以及

电压转换模块2，将所述USB连接器提供的电压经转换后向微控制器供电。所述USB连接器通过USB总线5与上位机相连。

所述微控制器内嵌USB模块和MCU模块7。所述微控制器与上位机之间可采用USB协议支持的任一传输方式传输数据。所述USB模块支持USB1.0以上传输标准。所述USB模块优选支持USB2.0传输标准。所述 MCU模块7中内设下位机软件，通过接收上位机发出的命令进行读、写寄存器和控制外围器件的操作。

所述通用I/O口与数据采集装置8相连。

一种使用上述装置的在线调试微控制器及其外设器件的调试方法，其特征在于，步骤一、根据外设器件及传输数据的类型对微控制器进行初始化；步骤二、建立上位机与微控制器之间的通讯，具体包括：首先由上位机按照协议发送握手命令帧至MCU，若MCU接收到握手帧后返回确认握手帧至上位机，上位机收到确认后，在状态显示区域显示连接成功，否则，显示连接不成功；

步骤三、对微控制器进行读写操作；

步骤四、对微控制器所连接的外设器件进行操作；

步骤五、错误指示处理，具体包括如下步骤：在通讯过程中，如果PC发送命令后没有收到相应的返回命令，则认为是通讯错误，需要重新发送或是检查系统工作是否正常，PC在界面显示通讯错误提示。

所述步骤二所述的建立上位机与微控制器之间的通讯是由上位机向微控制器发送握手命令帧，微控制器接收握手命令帧后进行确认，由微控制器向上位机发送握手确认信号，上位机接收确认信号建立通讯。

本发明所述在线调试微控制器及其外设器件的装置及方法采用高速USB2.0总线保证数据实时、高速、大量传输；采用PC应用软件可以做到编写和应用方便、灵活。高速传输数据的情况下实现在PC软件界面下调试和配置系统中MCU器件以及控制其周边器件，既不需要在每次修改程序后重新烧录MCU，也不需要购置价格昂贵且通用性不高的仿真器，大大降低了调试过程中的硬件损耗，降低了制作成本。尤其目前业界在利用高速USB总线传输大量实时数据的时，对于在线调试配置MCU以及控制其周边器件尚无很好做法的情况下，本发明所提供的在线调试微控制器及其外设器件的装置及方法，具有较为广泛的应用价值。

附图说明

图1是本发明所述装置的组成模块及连接关系示意图

图2是本发明所述装置的通讯协议命令帧格式示意图

图3是本发明所述装置的下位机软件运行流程图

具体实施方式

本发明所提供的通过PC对内嵌USB2.0模块6的MCU器件进行在线调试的装置，该装置包括MCU1、电压转换模块2、USB接口3和GPIO4。其中，MCU1采用ARK3280芯片，兼容INTEL8052，内嵌USB2.0模块6；电压转换模块2采用LM317；GPIO4(general purpose input/output，通用I/O口)用于连接外设器件。

该装置硬件连接方式如图1所示，PC通过USB总线5与硬件装置中的USB接口3连接；电压转换模块2分别与USB接口3的第三触点和MCU1相连，当PC通电后，所述硬件装置从USB通过电压转换模块2为MCU1供电；MCU1上的USB2.0模块6通过两条数据线分别与USB接口3的D-plus、D-minus触点连接，MCU1上的MCU模块7与GPIO4通过数据线连接，本实施例中GPIO4接有数据采集装置8。

本发明所述硬件装置采用USB总线5供电，当PC通电后，只要用USB总线5将该硬件装置与PC相连，就可以通电工作，MCU1向USB总线5发送数据时，只要向相应的FIFO填充数据，当相应数据填充结束后产生中断，USB2.0模块6就会自动将数据提交给USB总线5；USB2.0模块6从USB总线5接收到数据时，会将数据保存在相应的FIFO中，并产生中断，MCU1响应中断将数据取走即可，所需程序代码可以通过USB总线5下载到MCU1中，无需另设其他软件和装置。

本发明为上位机配置一套应用软件，该应用软件为PC提供了一个人性化的友好界面，可方便的实现调试工作，可以运行在安装WIN98/NT/ME/2000/XP操作系统，且配有USB2.0接口的PC上；对扩展名为.ARK的文件进行管理，文件中按照要求的格式以文本形式保存有相关配置寄存器的地址和数据，以及调试方式的信息。该软件可以创建、打开、修改、保存.ARK文件，并在界面显示工作状态、配置信息和错误指示。

本发明的PC应用软件界面，即上位机软件界面分为寄存器列表区域、状态显示区域和快捷按键区域三部分。寄存器列表区域显示的总是寄存器地址和数据，根据寄存器功能或其他不同，可以将不同的寄存器编排在一个或几个页面中，列表页面可以添加或者删除，双击某个列表就可以对其相应的寄存器进行读取和改写操作，上位机软件根据用户不同的操作通过USB驱动程序完成与下位机的通讯操作，每个步骤都在状态显示区域显示并记录。寄存器地址、数据的参数保存在扩展名为.ARK的文件中，通过按键可以方便的进行打开、编辑和保存文件的操作。

本发明MCU1中MCU模块7内设下位机软件，该下位机软件根据接受到的命令，进行读、写寄存器和控制外设器件的操作。

本实施例中数据采集装置8所采集数据经MCU1处理后通过USB端口-2采用同步传输(ISO)方式向PC传送数据，速度最高可达20MB/S。为了不影响数据的传输，上位机PC与MCU1通过USB端口-0采用控制传输(Control)方式按照规定的协议进行通讯，协议中规定命令帧长度为8字节，包括命令字、地址、数据以及保留字节。上位机PC与MCU1之间的串口通讯协议命令帧格式如图2所示，

第1字节是命令字段，高七位是特定命令字；最后一位是读写位————“0”表示写操作，“1”表示读操作；

第2、3字节是地址段，表示操作的寄存器地址；

第4、5字节是数据段，表示操作的数据；

第6、7、8字节为保留字节，用以扩展功能。

以下结合图2、图3对本发明的工作流程进行详细描述：

步骤1、对MCU1进行初始化；

将本发明所述装置通过USB总线5连接到PC的USB接口3上，该装置即通电工作，PC枚举过后，程序代码下载到MCU1中，MCU1根据所接入的外设器件及传输数据的类型对MCU1进行初始化。

步骤2、建立上位机PC与MCU1之间的通讯；

MCU1初始化完成后，打开上位机应用软件，首先点击“建立连接”按钮，上位机按照协议发送握手命令帧“60_FFFF_FFFF_XXXXXX”，MCU1接收到握手帧后返回，确认握手帧“70_FFFF_FFFF_XXXXXX”，上位机PC收到确认后，在状态显示区域22显示连接成功，否则显示连接不成功。连接成功后，用户就可以直接通过应用软件对MCU1进行调试配置。

步骤3、写入操作；

上位机软件发送写入命令帧，其中包括需要写入的寄存器地址和需要写入的数据，例如向A0H地址写入5AH数据，命令帧为“80_00A0_005A_XXXXXX”。MCU1收到命令帧，判断为写命令，则将数据段中的数据取出，写入地址段中规定的地址。完成后，将地址和数据再返回到上位机，返回命令帧为“90_00A0_005A_XXXXXX”。PC收到返回帧，判断是否为写操作返回帧，如果是，则与发出的命令帧的地址段和数据段进行比较，如果与发出的数据一致，则认为写入成功，在状态显示区域22显示“写入00A0地址005A数据成功”；否则显示“写入00A0地址005A数据失败”。

步骤4、读取操作；

PC应用软件向MCU1发送读取命令帧，需要读取的寄存器的地址放在地址段，数据段全部为零。例如要读取A0H地址的数据，命令帧为“81_00A0_0000_XXXXXX”。MCU1收到命令帧，判断为读命令，则将地址段中的地址取出，将对应的寄存器的数值写入返回帧的数据段，返回命令帧为“91_00A0_005A_XXXXXX”。PC收到返回帧后，判断是否为读取操作返回帧，如果是，则在状态区显示“读取00A0地址005A数据成功”，否则，显示“读取00A0地址XXXX数据失败”。

步骤5、外设操作；

只需将外设的数据采集装置8连接到MCU1的GPIO4端口上，PC应用软件只要根据GPIO4映射的寄存器地址就可以对外设的数据采集装置8进行操作，即读数据、写数据和中断控制操作，与读写寄存器操作一样。

步骤6、错误指示；

在通讯过程中，如果PC发送命令后没有收到相应的返回命令，则认为是通讯错误，需要重新发送或是检查系统工作是否正常。PC在界面显示通讯错误提示。

本发明所述的在线调试微控制器及其外设器件的装置及方法，采用高速USB2.0总线保证数据实时、高速、大量传输；采用PC应用软件可以做到编写和应用方便、灵活。在高速传输的情况下实现在PC软件界面下调试和配置系统中MCU器件以及控制其周边器件，既不需要在每次修改程序后重新烧录MCU，也不需要购置价格昂贵且通用性不高的仿真器，大大降低了调试过程中的硬件损耗，降低了制作成本。尤其目前业界在利用高速USB总线传输大量实时数据的时候，对于在线调试配置MCU以及控制其周边器件，尚无很好的做法，本发明所提供的在线调试微控制器及其外设器件的装置及方法，具有较为广泛的应用价值。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若 干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种在线调试微控制器及其外设器件的装置，所述该装置包括：

微控制器，用于接收上位机协议命令并对数据进行处理；

用于连接到上位机的USB连接器，所述USB连接器具有三个触点，第一触点用于上位机连接所述微控制器进行通讯并发送协议命令，第二触点用于接收从所述微控制器向上位机发送的数据，第三触点用于向电压转换模块(2)供电；

至少一通用I/O口，与所述微控制器相连，用于接入外设器件，并提供微控制器与外设器件间的数据传输；以及

电压转换模块(2)，将所述USB连接器提供的电压经转换后向微控制器供电。

2.如权利要求1所述一种在线调试微控制器及其外设器件的装置，其特征在于，所述微控制器内嵌USB模块和MCU模块(7)。

3.如权利要求1所述一种在线调试微控制器及其外设器件的装置，其特征在于，所述微控制器与上位机之间可采用USB协议支持的任一传输方式传输数据。

4.如权利要求1所述一种在线调试微控制器及其外设器件的装置，其特征在于，所述USB连接器通过USB总线(5)与上位机相连。

5.如权利要求2所述一种在线调试微控制器及其外设器件的装置，其特征在于，所述MCU模块(7)内设下位机软件，通过接收上位机发出的命令进行读、写寄存器和控制外围器件的操作。

6.如权利要求2所述一种在线调试微控制器及其外设器件的装置，其特征在于，所述USB模块支持USB1.0以上传输标准。

7.如权利要求1或2所述一种在线调试微控制器及其外设器件的装置，其特征在于，所述通用I/O口与数据采集装置(8)相连。

8.如权利要求6所述一种在线调试微控制器及其外设器件的装置，其特征在于，所述USB模块优选支持USB2.0传输标准。

9.一种使用如权利要求1所述装置的在线调试微控制器及其外设器件的调试方法，其特征在于，

步骤一、根据外设器件及传输数据的类型对微控制器进行初始化；

步骤二、建立上位机与微控制器之间的通讯，具体包括：首先由上位 机按照协议发送握手命令帧至MCU，若MCU接收到握手帧后返回确认握手帧至上位机，上位机收到确认后，在状态显示区域显示连接成功，否则，显示连接不成功；

步骤三、对微控制器进行读写操作；

步骤四、对微控制器所连接的外设器件进行操作；

步骤五、错误指示处理，具体包括如下步骤：在通讯过程中，如果PC发送命令后没有收到相应的返回命令，则认为是通讯错误，需要重新发送或是检查系统工作是否正常，PC在界面显示通讯错误提示。

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