利用ISP技术的控制系统网络实验室的设计

徐园园，郑力新

（华侨大学信息科学与工程学院，福建 泉州 362021）

利用ISP技术的控制系统网络实验室的设计

徐园园，郑力新

（华侨大学信息科学与工程学院，福建 泉州 362021）

将在系统编程（ISP）技术和虚拟仪器有机结合，开发网络化的单片机实验系统，实现虚拟实验室的远程实时功能.用户可在远程的客户端在线实时地调试自己编写的单片机程序，通过网络对服务器端（实验室）的单片机进行远程在系统编程和实验开发，完善网络控制实验室的功能.经测试，系统操作灵活，运行可靠.

网络实验室；虚拟仪器；单片机；在系统编程

在早期设计的网络实验室系统中，由设计者编好单片机控制程序，用户只能在客户端通过调节实验参数进行控制系统的实验，却无法设计单片机程序.为此，本文将单片机的在系统编程（ISP）技术引进控制系统网络实验室，使用户可在客户端通过网络对服务器端（实验室）的单片机进行远程在系统编程和实验开发.

1 控制系统架构

单片机网络虚拟实验系统的结构框图，如图1所示.它采用C/S模式，但不是一般意义的“胖客户端/瘦服务器”，而是针对高校实验室的特点设计的一种服务器（实验服务器）与客户端一一对应的实验系统［1-2］，由客户端、服务器及单片机硬件电路3部分构成［3］.

用户程序运行过程中的状态和数据由服务器端负责采集，服务器端把采集到的电机速度、误差数据、控制数据等通过网络传送到客户端，客户端再把这些数据显示给用户.

图1 控制系统的结构图Fig.1 Control system diagram

2 上位机实现

系统的上位机功能要求客户端通过网络远程控制服务器，并通过服务器端与单片机的RS232接口实现单片机程序的自动下载.其设计包括客户端和服务器两部分.

2.1 客户端实现

首先，用户在客户端使用WAVE等常用编译器进行源代码的编辑、编译及调试，将单片机实验程序编译成HEX或BIN文件；然后，客户端通过基于Lab Windows/CVI平台的控制系统网络实验室，应用TCP/IP协议将HEX或BIN文件发送到服务器端，以便单片机实现对其下载运行.最后，将单片机的运行结果从服务器端通过网络返回客户端的面板显示.

2.2 服务器实现

在服务器端利用计算机串口进行ISP编程方式下的程序下载.服务器接收到客户端的ISP更新请求后，接收用户的目标程序即HEX或BIN文件形成的字节流到一个数组.然后向单片机传送ISP更新命令，并通过RS232串口向单片机发送该字节流.用户程序下载结束后，服务端自动向单片机发送复位信号，用户程序开始运行.

要实现自动下载功能必须实现Lab Windows/CVI环境下对HEX文件的解析.其具体实现过程有如下3个步骤.

（1）读取HEX文件.可用CVI函数IntFileSelectPopup（），GetFileInfo（path，＆filesize）等来实现［4］.

（2）对照ASCII码转换表，将HEX文件转化成十六进制的ASCII码.由于读取的是HEX文件的十六进制字符的ASCII码的值，要把其转化成十六进制码的真正表达的数值大小，应参照ASCII码表做出1～16的码制转换.需要注意的是，读取的HEX文件中的换行和行头的“：”也代表一个的ASCII的值，要把其剔出.

（3）剔除标识符之类的字符.得到真正十六进制码后，还需再对每行的ASCII码进行分析，把其中的标识符等无效字符进一步剔除，就可得到单片机程序的有效数码.

其主要源代码如下：

3 单片机的ISP功能实现

C8051F310（美国Cygnal公司）一般都固化有ISP引导程序，但该引导程序是针对与它配套的IDE软件来设计的，这显然不能达到设计要求.因此，需要重新编写ISP引导程序.

3.1 硬件电路设计

单片机硬件电路即下位机部分，其主要任务是接收并响应上位机传来的信息，对各种实验对象进行控制，对运行所得的有用数据进行显示，并通过串口回送给上位机.图2为单片机硬件电路的原理框图.

图2 硬件电路的原理框图Fig.2 Block diagram of the hardware circuit

3.2 ISP编程

对C8051F310的16KB的FLASH进行了3段分区，分别为引导程序区（4KB）、用户程序区（8KB）和固化程序区（4KB）.引导程序区存放系统初始化、程序更新及如何跳转的代码；用户程序区存放用户自己编写的程序代码；固化程序区存放设计者已编好的默认程序代码.从服务器下载的程序存放在一个8KB的外部数据存储器，同时置位程序更新位，以使引导程序能正确查询.

引导程序的流程图，如图3所示.单片机开始运行后，先进行初始化设置，包括初始化定时器/计数器、设定串行口波特率及其工作方式、设定中断优先级、启动定时器等.然后，读取更新位并进行判断.若更新位为1，调用更新用户程序区的子程序，执行用户程序的更新并跳转到用户程序区；若更新位为0，跳转到固化程序区.如果单片机已经进入固化程序区，此时若接收到服务器的ISP命令，则在完成接收代码后，跳转到引导程序的更新部分，执行程序更新并跳转到用户程序区.

图3 引导程序的流程图Fig.3 Guide the process flow chart

FLASH存储区要求在写入新值之前，必须先擦除待编程地址的数据，FLASH存储器是以512B的扇区为单位组织的，一次擦除操作将擦除整个扇区.因此，子程序中对FLASH的擦除和写操作都是以扇区为单位的.首先，先擦除一个扇区；其次，读取外部数据存储器（XRAM），写入已擦除的扇区；然后扇区数加1并判断是否为16（8KB=512B×16），直到等于16，退出子程序.在对FLASH存储器编程的过程中，要注意FLASH锁定和关键码功能、FLASH的擦除及写操作［5］.

从用户软件写和擦除FLASH受FLASH锁定和关键码功能的保护.在进行FLASH操作之前，必须按顺序向FLASH锁定和关键码寄存器（FL KEY）写入正确的关键码0xA5，0xF1.在使用MOVX指令对FLASH存储器写入之前，必须先允许FLASH写操作.

擦除一个扇区有如下6个步骤：（1）禁止中断；（2）置“1”程序存储器擦除允许位（PSCTL中的PSEE），以允许FLASH扇区擦除；（3）置“1”程序存储器写允许位（PSCTL中的PSWE），以允许FLASH写入；（4）向FL KEY写第1个关键码（0xA5）；（5）向FL KEY写第2个关键码（0xF1）；（6）用MOVX指令向待擦除页内的任何一个地址写入一个数据字节.

允许FLASH写操作的过程：（1）将程序存储写允许位PSWE（PSCTL.0）设置为逻辑“1”；（2）按顺序向FLASH锁定寄存器（FL KEY）写入FLASH关键码.PSWE位将保持置位状态，直到被软件清除.写FLASH存储器可以清除数据位，但不能使数据位置“1”，只有擦除操作能将FLASH中的数据位置“1”.因此，在写入新值之前，必须先擦除待编程的地址.

4 运行实例

以直流电机转速实验为例.通过基于ISP技术的单片机网络实验系统，用户可在客户端编写电机控制实验的单片机程序，并将其下载到远程服务器端的单片机系统中.经过实验运行，可达到实时控制直流电机转速的系统要求.客户端的运行结果，如图4所示.

图4 客户端运行结果Fig.4 The results of clients running

5 结束语

将ISP技术和虚拟仪器有机结合，开发了网络化的单片机实验系统，从而实现了虚拟实验室的远程实时功能.该系统操作灵活，运行可靠，为组建基于网络的单片机实验开发系统提供一种新思路，可在高校和科研机构等推广应用.

［1］INGVAR G.Remote laboratory experiments in electrical engineering education［C］//Proceedings of Fourth IEEE International Caracas Conference on Devices，Circuits and Systems.Aruba：IEEE，2002：1-5.

［2］DEEPAK S，BABU J.An internet-mediated-process control laboratory［J］.IEEE Control Systems Magazine，2003，23（1）：11-18.

［3］徐园园，郑力新.TCP/IP和DataSocket技术在网络虚拟实验室中的应用［J］.电气电子教学学报，2007，29（4）：85-87.

［4］张毅刚，乔立岩.虚拟仪器软件开发环境Lab Windows/CVI编程指南［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［5］张迎新，雷文，姚静波.C8051F系列SOC单片机原理及应用［M］.北京：国防工业出版社，2005.

Design of the Network Control System Laboratory Based on ISP Technology

XU Yuan-yuan，ZHEN G Li-xin
（College of Information Science and Engineering，Huaqiao University，Quanzhou 362021，China）

This article designs the network single-chip experimental system by the combination of in-system programming（ISP）technology and virtual instruments.Through internet，users on the client can remotely debug their single-chip program，and program in the system to the single-chip on the server side（Lab）.ISP technology makes functions of the network control laboratory more perfect.After testing，the system is flexible and reliable.

network laboratory；virtual instrument；single-chip；in-system programming

TP 391.9；TP 273+.5

A

1000-5013（2010）04-400-04

（责任编辑：鲁 斌 英文审校：吴逢铁）

2009-02-19

徐园园（1980-），女，助教，主要从事虚拟仪器及智能检测控制技术的研究.E-mail：hixyy@126.com.

教育部科技研究重点项目（207145）