1、编号： 毕业设计说明书题 目：基于 USB 接口的编程器的设计 学 院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 陈 忠 富 学 号： 0600120310 指导教师： 郭 福 力 职 称： 工 程 师 题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2010 年 5 月 20 日摘 要USB（通用串行总线）是连接外部设备和主控制器（通常是个人电脑）的一个串行总线标准。USB 是由 Ajay Bhatt 在因特尔公司工作时 开 发 的 ，其开发 USB 的目的是为了取代各种各样的串行和并行端口。USB 有一个显著优点就是支持热插拔，也就是说在开机的情况下，你也可
2、以安全地连接或断开 USB 设备，真正达到真正的即插即用。随着电子的快速发展，单片机机得到了广泛地应用，而单片机开发产品离不开编程器。传统的编程器都是基于并口开发，在笔记本中根本无法使用，因而开发基于USB 接口的编程器具有非常重要的意义。USB 型编程器具有体积小巧、功耗低、可靠性高、通用性强、编程速度快等特点；另一方面，USB 具有自身供电的能力，不必外接电源。本课题实现了基于 USB 接口的 AT89S5X 单片机编程器制作。文中重点介绍了编程器硬件设计、DC-DC 升压电路、USB 转串口模块设计、单片机程序设计、上位机的软件设计。在硬件方面，详细介绍方案的选择，元件参数的计算，以及在
3、制作过程中的注意事项；在软件方面，详细阐述了基于 VC+上位机编程过程的每个步骤，并提供一个良好的人机对话界面软件，使用方便。本系统可以实现 AT89S51,AT89S52 等系列CPU 芯片的芯片识别、程序下载、芯片擦处、程序加密、数据比较、代码读出等功能，同时可以通过计算机控制单片机的运行与停止。关键词：下载；单片机；编程器；并行；USB 转串口AbstractUSB (Universal Serial Bus) is a specification to establish communication between devices and a host controller (usua
4、lly personal computers), which was developed and invented by Ajay Bhatt when he was working for Intel. The designed of USB is intended to replace many varieties of serial and parallel ports. There is also a significant advantage of its supporting hot-swappable, which means you can safely connect or
5、disconnect the USB device in the case of the computer running to achieve a true plug and play. With the rapid development of electronics, microcontroller is widely used.However, using the microcontroller to develop product can not work without the MCU programmer. Traditional programming usually uses
6、 parallel communication to the computer, which is not available to the notebook computer, so there is a special significance to decelop the USB programmer.The USB programmer has many advantages: such as a small size, low power consumption, high reliability, versatility,fast programming characteristi
7、cs etc;On the other hand, the USB interface itself can offer power, which means no power is needed.The AT89S5X microcontroller pogrammer production based on the USB interface is designed in this issue. The microcontroller programmer hardware, DC-DC boost circuit, the module of USB to serial port, th
8、e microcontroller programming and PC software designing are described emphatically. In the part of hardware design the choice of the scheme, the calculation of device parameters, the attentions in the production process are detailed. In the part of software design, the process of PC programming base
9、d on VC+ is introduced emphatically and good-man-machine conversation interface software is provided, which is easy to use. This system can achieve many functions, such as identification of series CPU chips, program downloading, erase, encrypting, comparing, reading etc, and running or stoping of th
10、e MCU can be controlled by the PC.Key words: Download; Microcontroller; Programmer; Parallel; USB-to-serial第 页 共 II 页目 录引言 .11 绪论 .21.1 课题背景及意义.21.2 系统设计主要任务.22 硬件方案选择与设计 .32.1 系统方案选择.32.2 系统总体设计.32.3 芯片介绍.32.3.1 AT89S51 简介 .32.3.2 DC-DC MC34063 芯片简介 .52.3.3 USB 转串口 CP2102 芯片简介 .52.4 硬件电路设计.62.4.1 C
11、P2102 电路设计 .62.4.2 MC34063 芯片升压电路设计 .62.4.3 MCU 控制电路设计 .73 软件方案选择与设计 .93.1 单片机编程.93.1.1 编程和校验原理图.103.1.2 FLASH 编程器编程与校验波形（并口模式） .103.1.3 Flash 编程真值 .113.1.4 FLASH 编程器编程与校验特性（并口模式） .113.1.5 读签名字.123.1.6 芯片擦除.123.1.7 Flash 闪速存储器编程 .133.1.8 程序存储器的加密：.133.1.9 数据查询.143.1.10 读取代码.153.1.11 单片机运行与停止.153.2 上
12、位机（PC 机）编程 .163.2.1 用户界面的设计.173.2.2 串行通信的实现.173.2.3 控件 MSComm 使用方法 .173.2.4 HEX 文件 .18第 I 页 共 II 页3.2.5 软件的设计.193.2.6 软件操作步骤.214 系统制作及调试 .224.1 使用的仪器仪表及工具.224.2 系统 PCB 板的设计 .224.3 硬件调试.224.3.1 器件的焊接.224.3.2 功能模块调试.224.4 单片机程序调试.234.5 PC 机软件的调试 .234.6 联机调试.244.7 调试总结.245 结论 .25谢辞 .26参考文献 .27附录 .28附录
13、I 下位机调试程序 .28附录 II 上位机程序 .42附录 III 编程器原理图及 PCB.58第 0 页 共 58 页引言通用串行总线(Universal Serial Bus）是连接外部设备的一个串口总线标准，而其中文简称为“通串线，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯，是应用在 PC 领域的接口技术，同时 USB 接口支持设备的即插即用和热插拔的功能。USB 是在 1994 年底由英特尔、康柏、IBM 、Microsoft 等多家公司联合提出的。USB的功能强大、细小、使用灵活、方便，因而 USB 具有无比的优越性。USB 接口将会越来越广泛的使用，因而研究基于 US
14、B 的接口设备具有很重要的意义。单片机体积小、功能强、价格低廉、应用十分广泛。但面对多则几千元，少则几百元的编程器，很多人望而却步。单片机编程器是把一个可编程的集成电路写上数据的工具。编程器的叫法有多种， “编程器” 、 “下载器” 、 “烧录器”等都是其名字，都是同一个产品的不同名称。编程器在功能上可分通用编程器和专用编程器。专用型编程器价格最低，适用芯片种类较少，适合以某一种或者某一类专用芯片编程的需要，例如仅仅需要对 AT89S5X 系列编程。全功能通用型一般能够涵盖几乎所有当前相同系列的芯片，由于设计麻烦、成本较高、限制了销量、最终售价极高，但适合需要对很多种芯片进行编程的情况。本课题
15、制作基于 USB 接口的 AT89S5X 单片机专用编程器的制作。文中重点介绍了编程器硬件设计、DC-DC 升压电路、USB 转串口模块设计、单片机程序设计、上位机的软件设计。其中在硬件方面，详细介绍方案的选择，电路设计、元件参数的计算，以及在制作过程中的注意事项；在软件方面，详细阐述了基于 VC+上位机编程过程的每个步骤，并提供一个良好的人机对话界面软件，其使用方便。本系统可以实现AT89S5X 等系列 CPU 芯片的芯片识别、程序下载、芯片擦处、程序加密、程序比较、程序读出等功能，同时可以通计算机控制单片机的运行与停止。第 1 页 共 58 页1 绪论随着 USB 的快速发展，USB 应用
16、越来越广泛，USB 将会取代各种各样的串行及并行接口，因而研发 USB 接口的产品已经成为市场发展的需要。本文将会简述 USB接口的编程器的原理、方案选择与设计，主要详细介绍硬件电路设计、单片机程序设计、上位机软件设计，同时介绍硬件以及软件调试步骤以及注意事项。1.1 课题背景及意义随着计算机硬件飞速发展，外围设备日益增多，键盘、鼠标、调制解调器、打印机、扫描仪早已为人所共知，数码相机、MP3 随身听接踵而至，这么多的设备，如何接入个人计算机？USB 就是基于这个目的产生的。USB 是一个使计算机周边设备连接标准化、单一化的接口，USB 的功能强大、细小、使用灵活、方便，因而 USB 具有无比
17、的优越性、实用性。USB 接口将会越来越广泛的使用，因而研究基于 USB 的接口设备具有很重要的意义。编程器的下载方式很多，比如 AT89S5X 单片机就有二种下载方式：高压并行编程、ISP 串行编程。每种方式其使用的编程协议都是不同，二种编程方式中，现在很多电脑已经没有并口和串口了，特别笔记本电脑中已经看不到并口和串口的存在，以前使用的并口和串口的 ISP 下载线已经无法再继续使用了。作为如今电脑上使用最多，用途最广的 USB 接口，在每一台电脑上，无论是台式机还是笔记本电脑都配备了四个以上的 USB 接口，在这个 USB 流行的时代，使用 USB 口连接，支持热插拔的方便易用、价格低廉的专
18、用型 USB 编程器非常符合未来编程器的发展方向。鉴于通用型编程器高昂的制作成本和复杂的设计，用途也不大，需求人群不多的特点，我们没有必要去设计这样一个编程器。设计一个方便易用、简单可靠、价格低廉的专用型的编程器，能够对我们平时经常用到的单片机芯片进行编程下载，不仅方便我们日常应用，也锻炼了电路设计能力和动手能力。以前的编程器都是以并口设计的为主，每次编程时都要将芯片从目标板上取下，放入编程器里进行编程，使用极其不便，本文设计了一个应用 USB 接口的编程器，无需将芯片从目标板上取下就开以对其进行编程，方便了程序的下载和调试。1.2 系统设计主要任务本文利用 AT89S52 做为主控制器，制作
19、 USB 编程器的样机。样机的设计包括：系统硬件的设计与调试及软件的编写与调试。其中硬件部分制作一个制可以下载程序的单片机控制系统，里面包含有 DC-DC 升压电路、控制单片机下载程序电路、USB转串口的电路。软件部分可以控制程序下载、芯片擦除、程序加密、数据比较、数据读出，同时可以控制单片机复位，运行，停止等功能。第 2 页 共 58 页2 硬件方案选择与设计USB 编程器的制作，方案选择是关键，硬件设计是实现整个功能的基础。本章将会详细介绍硬件电路方案的选择与设计，包括 USB 转串口电路设计、DC-DC 升压电路设计、单片机控制电路设计。2.1 系统方案选择USB 编程器的制作方案的选择
20、，是进行样机设计最重要、最关键的一步，选择方案的好坏，直接影响了制作及编程的难度。在硬件方案中，AT89S51/52 单片机可以使用 ISP 或并口模式下载程序。两种方法各有优缺点，在不同的场合，应用不同的方案。第一种方案是采用 ISP 在线编程，程序代码存储阵列可通过串行 ISP 接口进行编程，串行接口包含 SCK 线、 MOSI（输入）和 MISO(输出）线。将 RST 拉高后，在其它操作前必须发出编程使能指令，编程前需将芯片擦除。芯片擦除则将存储代码阵列全写为 FFH。第二种方案是使用并口编程，接线较多，但是控制简单，AT89S51/52 单片机内部有 4k/8k 字节的可快速编程的 F
21、lash 存储阵列。编程方法可通过传统的 EPROM 编程器使用高电压（+12V）和协调的控制信号进行编程。AT89S51/52 的代码是逐一字节进行编程。通过比较上述方案，考虑到成本以及可扩展性，同时在不增加成本的情况下，只增加下位机控制程序，即可以扩展下载 AT89C51/52 等系列的单片机，故选择第二种方案。2.2 系统总体设计硬件的总体设计如 图 2.1 所示，将 USB 转换为串口，单片机与计算机之间的全双工通信通过单片机的串口与 USB 转串口模块相连接，这样可以使得编程更加简便，同时使用 USB 供电，因而不需要外接电源。计算机将数据传输到主控芯片，主控芯片控制受控芯片，实现程
22、序下载、芯片擦除、程序加密、数据比较、代码读出，同时控制单片机复位与停止、单片机传输数据到计算机，计算机显示相关信息。同时由于编程中需要用到 12V 的电压，因而需要使用 DC-DC 升压电路，将 USB自身的 5V 电压升压到 12V。2.3 芯片介绍2.3.1 AT89S51 简介AT89S51 单片机是 51 系列单片机的一个成员，内部自带 4K 字节可编程 FLASH第 3 页 共 58 页可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能 CMOS8 位微处理器，与 Intel MCS-51 系列单片机的指令和输出管脚相兼容。由于将多功能八位 CPU 和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，AT89
23、S52 构成的单片机系统是具有结构简单、造价低廉、效率高的微控制系统，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。AT89S51 是一个有40 个引脚的芯片，引脚配置如 图 2.2 所示。与 8031 相比，AT89S51 自带 4K 的 ROM和 128B 的 RAM，因此编写中小型系统就无需任何硬件进行扩展。AT89S51 芯片的 40 个引脚功能为：VCC：电源电压。GND ：接地。RST：复位输入。当 RST 变为高电平并保持 2 个机器周期时，所有 I/O 引脚复位至“1” 。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡放大器的输出。图 2.1 系统总体设计图 2.2 AT89S51 引脚配置
