利用I2C总线实现ATmega88的在应用编程

　　图1 Bootloader程序流程图
　　为了能够执行Bootloader程序，ATmega88熔丝位中的BOOTRST应设为零，这样在系统上电或应用程序接收到升级命令利用看门狗复位后，系统就能从引导程序区运行Bootloader程序。Bootloader程序中维持了一个溢出时间为2 s的定时器，该定时器利用TIM1以查询的方式实现。没有程序更新或程序更新完毕，程序在2 s内没有从I2C总线接收到数据帧时则利用(*((void(*)(void))(0x0000)))函数跳转到应用程序区执行应用程序，在2 s内接收到数据帧后，则将定时器重置，以继续接收数据帧更新应用程序。
　　在Bootloader实现中，ATmega88的I2C总线工作在从模式，上位机的I2C总线工作在主模式。上位机发送的数据帧由2字节的Flash页面地址、64字节的页面数据、1字节的密码和1字节的异或校验和构成。Bootloader接收到数据帧后会用数据长度、密码、异或校验和对数据帧进行校验，校验正确的话则根据数据帧中Flash的页面地址和数据相应的Flash页面进行编程，并将flag置1;校验错误的话，则丢弃数据帧等待重发的数据帧。
　　上位机在发送数据帧后读取flag，并根据其状态重发数据帧或发送下一页面的数据帧。flag被读取后Bootloader程序将其清零，这样就形成了一个简洁而有效的差错控制机制。Flash中页面的编程由页擦除和页编程两个过程组成，页擦除由AVR库函数中的boot_page_erase(addr)函数实现，addr为相应页面中的字节地址。
　　ATmega88的Flash是以页为单位进行擦除和写入操作的，因此在进行Flash页面写入前，要多次调用boot_page_fill(addr, data)函数将整页的程序代码写入临时缓冲区，其中addr为指令所要写入的字节地址，data为相应的由2个字节构成的16位程序指令。Flash页面的写入由boot_page_write(addr)函数实现，addr为相应页面中的字节地址。
　　为了程序安全，Flash执行页擦除和编程操作时要求CPU处于等待状态，因此Flash的页擦除和写入函数执行后都要调用boot_spm_busy_wait()函数等待操作完成。此时，I2C总线也处于挂起状态，等所有操作完成后才能将总线释放。上位机软件在发送完数据帧后就一直监听总线状态，等总线释放后再读取flag状态，并决定是重发还是发送下一帧，这样就实现了有效的通信流量控制。
　　整个Bootloader程序编译完成后，大小为506字节。因此，熔丝位中的BOOTSZ1和BOOTSZ0应设为1和0，将引导程序区设置为地址0x1E00~0x1FFF、大小为512字节的区域。为了使Bootloader程序能正确写入到该区域，程序编译时要将程序起始地址设定在0x1E00，在WinAVR中可以通过在Makefile中添加“LDFLAGS+= -Wl,--section-start=.text=0x1E00”实现。编译完成的Bootloader可以在ATmega88确定PCB前，通过编程器或ISP写入到Flash中。
　　2 PC端编程软件设计
　　2.1 Intel Hex文件格式
　　ATmega88微控制器的目标程序代码是采用Intel Hex文件格式[3]保存的。Intel Hex文件包含了目标代码及相应的地址信息，这些实现在应用编程必需的信息由PC机端的上位机程序提取，并重新以页面为单位装帧后发送给Bootloader便可实现Flash的编程。
　　Intel Hex文件格式将二进制的目标机器代码以ASCII码的文本形式记录，在文件中，每一行都是一个由十六进制机器码或数据常量组成的Hex记录。记录格式如表1所列。
　　表1 Intel Hex文件的记录格式

　　每条Hex记录都是以“:”开头的，表1中所述的每个字节在记录中是由两个ASCII码表示的，这样的两个十六进制数为一个字节;长度表示的是记录中数据项的长度;地址为数据项在Flash中的起始地址;记录的类型总共有6种，分别为数据记录(00)、文件结束记录(01)、扩展段地址记录(01)、开始段地址记录(03)、扩展线性地址记录(04)、开始线性地址记录(05)。数据是与记录类型相对应的可变长度的数据组。校验字节计算如下：首先，将每条记录中除记录头和校验外所有ASCII码以2个ASCII码转换为1个字节的形式转换为二进制。然后计算上述二进制字节的累加和，最后将累加和的低字节取反加1即为校验字节。
　　ATmega88目标代码的Hex文件由数据记录和文件结束记录两种类型的记录构成。上位机程序在解析过程中以行为单位读取文件中的记录，并根据上述记录的格式进行解析，获得Flash每一页面的地址和相应的数据，遇到文件结束记录后则停止解析。
　　2.2 I2C总线的PC机串口模拟
　　PC机端的编程软件是通过I2C总线与ATmega88的Bootloader通信的，I2C总线在微控制器中是广泛存在的，一般的微控制器都集成了I2C总线控制模块。但PC机基本没有I2C总线接口，需要专用的USB转I2C总线协议芯片或其他接口的I2C总线模块才能实现PC机与微控制器之间的I2C总线通信。这种方法成本高且实现麻烦，本文给出了一种利用PC机串口的握手信号模拟I2C总线的方法，相比专用协议转换芯片或模块的方法，这种方法更加简单、高效。为了实现PC机RS232串口与微控制器I2C总线的电平匹配，设计了如图2所示的接口电路。

　　图2 PC串口转I2C总线接口电路
　　图2中，PC机串口的RTS输出用来模拟I2C总线的SCL时钟信号;DTR输出模拟I2C总线的SDA输出数据信号;CTS输入用于接收SDA输入数据。PC机串口的RS232的高电平为15 V，低电平为-15 V;I2C总线的高电平为+5 V，低电平为0 V。因此，将PC串口的握手信号转换成I2C总线信号时需要进行相应的电平转换，PC机串口RS232电平与I2C总线TTL电平之间的转换是由电阻R1、R2和5.1V稳压管D1、D2实现的。
　　当RTS输出+15 V高电平时，由于电阻和稳压管的作用，SCL端电平被稳定在+5.1 V;而当RTS输出-15 V低电平时，由于二极管D2导通，SCL电平被钳位在-0.7 V。这样，便实现了±15 V的RS232电平到0~5 V CMOS电平的转换;电阻同时也起着限流作用。DTR输出到SDA信号的电平转换也是同样的原理，而当SDA处于输入状态时，由于CMOS电平可以满足RS232电平的输入容限，因此无需进行电平转换。
　　由于用PC机串口模拟I2C总线时仅仅用到了串口的握手信号，而没有用到串口的波特率、数据长度、奇偶校验等设置功能及输入/输出缓冲区的管理功能，本文直接采用Windows提供的API函数实现串口编程。串口的打开和关闭分别采用CreateFile函数和CloseHandle函数实现。RTS和DTR信号高低电平的控制由EscapeCommFunction函数将串口作为文件操作实现，调用该函数后程序要有一定时间的延时以实现通信波特率的控制。CTS的电平状态则由GetCommModemStatus函数查询得到。
　　在实现了RTS、DTR的电平控制与CTS电平状态的获取后，借鉴单片机用I/O口模拟I2C总线的方法[4]，可以通过控制RTS、DTR电平与查询CTS状态来模拟I2C总线。在总线的时序处理与读写操作方面，两种方法的唯一不同在于：用单片机I/O口模拟I2C总线时，I2C总线的SDA信号由输出模式转换到输入模式是通过将单片机I/O口从输出转换为输入实现的;由于串口握手信号无法实现双向通信，因此，SDA信号的输入功能是通过将DTR置高电平后读取CTS状态实现的，之所以将DTR置高电平是因为微控制器端的I2C总线的集电极开漏输出结构需要DTR置高后才能输出高电平，这类似于I2C总线上拉电阻的功能。
　　2.3 上位机程序设计
　　PC端上位机程序的主要功能为：解析应用程序的Hex格式文件，并从中提取Flash中每一页面的地址与数据信息;设置串口号与所需升级的ATmega88的I2C总线地址;利用串口的握手信号模拟I2C总线通信，将Hex文件中的程序代码准确无误地发送给相应地址的Bootloader以实现应用程序的在线更新。
　　根据上述功能设计了如图3所示的上位机程序界面，开发环境采用Borland C++ builder 5.0，串口操作通过Windows API接口函数实现。

　　图3 上位机程序界面
　　I2C总线通信的波特率设置为10 kbps，这是通过每次EscapeCommFunction函数调用后运行相应时间的延时函数实现的，这样也可以使RTS和DTR信号在改变电平后有足够的稳定时间。点击“烧录程序”按钮后，上位机程序通过I2C总线向相应地址的ATmega88发送复位命令，然后循环发送Flash第一页的数据帧;ATmega88接收到复位命令利用看门狗复位或人工上电复位后，跳转运行Bootloader程序，开始接收数据帧并对相应的Flash页面进行编程。
　　Bootloader接收到一帧数据后将I2C总线拉低，使总线处于忙状态，此时上位机一直查询SDA状态直到SDA恢复高电平后再操作I2C总线，这样便实现了有效的通信流量控制。Bootloader对数据帧进行校验后对flag进行标记，上位机发送完数据帧等I2C总线空闲后，读取flag并根据其状态重发数据帧或发送下一帧数据，这样便实现了通信的差错控制，保证写入程序代码的正确性。所有Flash页面编程完毕后，上位机程序关闭串口，Bootloader在2 s内接收不到数据帧后，就能跳转去运行升级后的应用程序。
　　结语
　　本文给出了一套完整的利用I2C总线实现ATmega88微控制器在应用编程的方法，包括Bootloader程序、I2C总线的PC串口模拟、上位机程序及相关的通信协议。该方法应用于四旋翼飞行器的无感无刷直流电机驱动板，成功通过I2C总线实现了4个ATmega88微控制器的在线调试与升级。该方法经过少量针对具体微控制器的代码修改后也可用于其他AVR系列微控制器的在应用编程。
　　参考文献
　　[1] Atmel.ATmega48/88/168datasheet[EB/OL].(200710)[201205].
　　[2] 胡汉才. 高档AVR单片机原理及应用[M]. 北京：清华大学出版社，2008.
　　[3] Intel hexadecimal object file format specification revision A[J/OL]. [198806]. usefulinfo/Hexfrmt.pdf
　　[4] 何立民. I2C总线应用系统设计[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2002.
　　作者：李海军 潘荧智 张叶波 赵健彬 徐玉 来源：《单片机与嵌入式系统应用》

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