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自制STC單片機(jī)下載電路，再也不用人工干預(yù)了

時(shí)間：2021-10-11 13:48:26
關(guān)鍵字： 電路    STC單片機(jī)   
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[導(dǎo)讀]關(guān)注星標(biāo)公眾號，不錯(cuò)過精彩內(nèi)容來源|?TsinghuaJokingSTC單片機(jī)的程序下載使用ISP模式，下載程序通過微機(jī)上串口，或者USB轉(zhuǎn)串口，與單片機(jī)上特定的下載端口相連進(jìn)行下載。不需要任何第三方的下載器，調(diào)試器便可以完成單片機(jī)的開發(fā)，使用起來非常方便，但缺點(diǎn)是每次下載都需要...

關(guān)注 星標(biāo)公眾號，不錯(cuò)過精彩內(nèi)容



來源 | TsinghuaJoking


STC單片機(jī)的程序下載使用ISP模式，下載程序通過微機(jī)上串口，或者USB轉(zhuǎn)串口，與單片機(jī)上特定的下載端口相連進(jìn)行下載。不需要任何第三方的下載器，調(diào)試器便可以完成單片機(jī)的開發(fā)，使用起來非常方便，但缺點(diǎn)是每次下載都需要人工復(fù)位才行。




本文介紹一種全自動(dòng)STC下載電路，使得整個(gè)下載過程不需要人工干預(yù)，這就大大提高的程序的開發(fā)效率，使得通過下載-運(yùn)行-測試 模式完成程序的開發(fā)。


STC下載模式介紹

STC單片機(jī)ISP下載程序過程具有非常確定的流程，通過以下三個(gè)步驟。


  1. PC在TXD每隔10ms發(fā)送兩個(gè)相連的0xff字節(jié)；
  2. 單片機(jī)上電，并發(fā)送給相關(guān)的信息；
  3. PC重新握手后繼續(xù)完成芯片的擦寫和下載程序。
其中單片機(jī)上電，進(jìn)行冷啟動(dòng)是一個(gè)必要的環(huán)節(jié)。往往在單片機(jī)設(shè)計(jì)的時(shí)候。這部分通過手動(dòng)的機(jī)械開關(guān)來給單片機(jī)上電。設(shè)計(jì)的全自動(dòng)下載電路就是來替代手動(dòng)上電的環(huán)節(jié)。


為了避免單片機(jī)從下載串口管腳獲取電能，則需要通過電阻和二極管來進(jìn)行有效的隔離。


相關(guān)的下載實(shí)驗(yàn)參見下面的博文：


  1. STC單片機(jī)下載實(shí)驗(yàn)
STC下載程序界面。其中最低波特率設(shè)置為19200， 最高波特率設(shè)置為115200下載的成功率比較高。至于其它的設(shè)置為何單片機(jī)無法下載，還無法進(jìn)行解釋。


▲ STC-ISP(V6.87C)下載程序界面

全自動(dòng)下載電路

1. 基本原理

計(jì)算機(jī)下載程序時(shí)，會在串口（或者USB轉(zhuǎn)串口）的TXD管腳上出現(xiàn)低電平脈沖，并且在整個(gè)下載程序過程，TXD都會有低電平脈沖。設(shè)計(jì)的電路板可以通過檢測該低脈沖，來產(chǎn)生單片機(jī)電源上電控制脈沖，使得單片機(jī)斷電，然后重新上電。模擬原本手工操作的過程。


單片機(jī)供電部分，原本通過一個(gè)開關(guān)，現(xiàn)在是通過一個(gè)受控繼電器開關(guān)完成掉電和上電過程。


2. 電路的功能描述

根據(jù)前面描述的原理，全自動(dòng)下載電路包括有兩部分：


  1. USB轉(zhuǎn)串口電路：這部分是由PL2303（SOP-8）完成；
  2. 電源控制電路：這部分包括有兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)時(shí)間定時(shí)電路和繼電器電路組成；
電路功能框架如下圖所示：


▲ 全自動(dòng)下載電路框圖關(guān)于USB轉(zhuǎn)串口部分可以參見博文“Prolific PL2303SA 調(diào)試[2]”中的內(nèi)容，在這里就省略了。


電源控制電路中，可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)定時(shí)器是將微機(jī)串口TXD上的脈沖合并成一個(gè)大的脈沖。該脈沖再驅(qū)動(dòng)后面的單穩(wěn)態(tài)定時(shí)器形成一個(gè)電源開關(guān)脈沖信號，驅(qū)動(dòng)繼電器完成單片機(jī)的電源開關(guān)。


觀察STC的下載程序的波形，可以看到在整個(gè)下載過程中，脈沖中的最大時(shí)間間隔在0.5~1秒鐘，所以設(shè)計(jì)可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)定時(shí)器的時(shí)間常數(shù)需要大于一秒鐘。


▲ STC下載程序過程考慮到單片機(jī)掉電過程中，電路中包括有儲能電源濾波電容，需要放電，根據(jù)手工測試，掉電時(shí)間大于1秒鐘基本上可以保證單片機(jī)電路可靠掉電。所以第二個(gè)單穩(wěn)態(tài)定時(shí)器的時(shí)間設(shè)置為1秒鐘。


使用繼電器來控制單片機(jī)的電源，可以適應(yīng)單片機(jī)電路工作不同的電流范圍。這比使用半導(dǎo)體開關(guān)器件有更加可靠的控制效果。另外，這也可以將調(diào)試電路的工作電源與下載板的工作電源有效的隔離。


3. 電路原理圖

（1）電路圖
全自動(dòng)程序下載接口板的原理圖如下圖所示。


▲ 全自動(dòng)程序下載接口板
（2） 電路功能描述
定時(shí)器使用施密特反相器74HC14來設(shè)計(jì)。由于HC14中包括有六個(gè)相同的反相器，而在實(shí)際中只需要三個(gè)。所以為了保證工作的可靠和接近理想狀態(tài)，就將HC14中六個(gè)反相器并聯(lián)成三個(gè)反相器。


第一組反相器是對TXD信號進(jìn)行隔離，并驅(qū)動(dòng)后面的二極管 RC電路。二極管D1, 電阻R11，電容C1,C2組成了可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)電路，由第二組反相器整形后，驅(qū)動(dòng)后面的單穩(wěn)態(tài)定時(shí)器。


第二組定時(shí)器是由電容C20，電阻R12以及D3組成，最后經(jīng)過第三組反相器形成開關(guān)脈沖，通過三極管T1驅(qū)動(dòng)繼電器RL1完成單片機(jī)電源的斷開與接入。


PL2303輸出的RXD信號也通過繼電器RL1另外一組開關(guān)與單片機(jī)相連，這樣也可以確保在單片機(jī)斷電的時(shí)候，RXD不會給單片機(jī)供電。PL2303的TXD還是通過二極管D2與單片機(jī)相連，可以在單片機(jī)掉電時(shí)不向單片機(jī)供電。


（3）輔助電路功能
除了上面主要電路功能之外，按鈕BTN1可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制繼電器的開關(guān)，在必要的時(shí)候手動(dòng)控制下載過程。


發(fā)光二極管LED顯示可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)。當(dāng)它滅的時(shí)候，才能夠進(jìn)行下一次程序下載；當(dāng)LED亮的時(shí)候，說明上一次下載過程還沒有完成，此時(shí)不能夠進(jìn)行下載程序。


4. PCB板

繪制實(shí)驗(yàn)電路，其中為了適合快速單面制版，對電路元器件的布局和布線做了考慮。如果使用商業(yè)制版，可以考慮雙面排布元器件，以便進(jìn)一步縮小電路的面積。


▲ 全自動(dòng)程序下載接口PCB板經(jīng)過快速制版和焊接，形成全自動(dòng)下載電路的測試版。如下圖所示：


▲ 快速制版后的測試電路板根據(jù)原理圖設(shè)計(jì)，下載板的五個(gè)引線的功能定義如下表所示：


序號 功能 符號
1 工作電源 5V
2 單片機(jī)電源 5VC
3 底線 GND
4 串口輸入 RXD
5 串口輸出 TXD

功能測試

1. 測試單片機(jī)系統(tǒng)

使用STM15W415AS單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)板作為測試，利用面包板固定測試單片機(jī)電路板。將下載板的接口通過面包板與測試單片機(jī)板的電源、下載串口線相連。


▲ 全自動(dòng)下載板與測試電路

2. 測試過程

設(shè)置STC的ISP程序，選擇MCU型號，調(diào)入測試程序。設(shè)置最低波特率為19200， 最高波特率115200。


（1）測試下載程序
按動(dòng)下載/編程按鈕，便可以開始下載程序。此時(shí)下載板上的繼電器會自動(dòng)斷開一秒鐘，然后重新上電。ISP程序完成握手信號之后，對單片機(jī)進(jìn)行擦除、編程等過程。當(dāng)操作成功之后，經(jīng)過大約2秒鐘，下載板上的LED熄滅。之后便可以進(jìn)行下一次的程序下載了。


▲ 自動(dòng)下載程序
（2）測試“檢測MCU選項(xiàng)”
按動(dòng)“檢測MCU選項(xiàng)”，可以自動(dòng)完成單片機(jī)的選項(xiàng)測試。


小結(jié)

在單片機(jī)開發(fā)中，為了簡化調(diào)試過程，可以通過迭代“下載-運(yùn)行”過程完成程序的開發(fā)驗(yàn)證過程。使用全自動(dòng)下載電路板，則可以避免在程序下載過程中的手動(dòng)開關(guān)，提高程序開發(fā)的效率。


在STC-ISP程序中，包括有“當(dāng)目標(biāo)文件變化時(shí)自動(dòng)裝載并發(fā)送下載命令” 選項(xiàng)，利用該選項(xiàng)，可以在程序開發(fā)IDE完成對工程文件編譯之后，自動(dòng)觸發(fā)ISP程序下載。此時(shí)，全自動(dòng)下載板將原來手工對電源控制的過程省略，實(shí)現(xiàn)了程序的修改-編譯-下載-觀察的自動(dòng)過程，提高了程序開發(fā)的效率。


下面使用touch命令來模擬修改HEX文件，可以看到可以直接觸發(fā)ISP程序完成自動(dòng)單片機(jī)程序下載。



▲ 使用touch命令來修改HEX文件，觸發(fā)自動(dòng)下載過程


本文所涉及到的電路板的AltiumDesign工程文件可以CSDN中下載。


參考資料

[1]STC單片機(jī)下載實(shí)驗(yàn): https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/105448141


[2]Prolific PL2303SA 調(diào)試: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/105442910



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