何晋红潘桃于婷马义德.兰州大学信息科学与工程学院 .兰州资源环境职业技术学院



基于STM32的通用高速编程器的设计与实现

何晋红1潘桃2于婷1马义德1
1.兰州大学信息科学与工程学院 2.兰州资源环境职业技术学院

文章设计并实现了一种针对FLASH、EEROM等存储器进行数据更新的高速通用编程器。该编程器是一个以STM32为核心，能对24、25等系列的存储器完成数据写入、读出等操作的嵌入式系统。系统具备USB连接PC机的联机操作模式和基于UCGUI的脱机操作模式。它可以控制接口电压以适用更多的芯片，与当前常见编程器进行性能比较，其具有更好的兼容性、更快的操作速度和更高的数据正确率。

编程器 STM32 嵌入式系统 UCGUI

随着信息时代的快速前进，物联网、汽车电子等都有了前所未有的发展，智能家居、可穿戴设备也应运而生。这些数字化、智能化的产品与我们的日常生活已密不可分。而它们的固件升级，程序更新和量产都需要相关人员对其存储器内的数据进行读写操作。然而目前所见存储器种类繁多，编程接口和时序也不尽相同，这就要求我们设计一个能够操作常见存储器的多功能、通用编程器，它不仅要有足够快的写入速度，而且需要保证写入数据的正确性。目前市面上有一些类似的产品，如XTW100、 TL866CS等，然而它们一般都针对某一特定系列的存储芯片并且读写速度比较慢。基于这样的现状，这里设计了一个基于ST（意法半导体）公司的STM32F207单片机的编程器。凭借其120MHz的工作频率、400Kb/S的I2C接口，30Mb/S的SPI接口以及 硬件SD卡接口，该编程器拥有了非常优越的性能。

1　系统原理概述

本文所设计的编程器主要完成24，、25、26、45、95系列存储芯片的读写、擦除等，同时可以用作SD卡读卡器。它由硬件和软件两部分组成。其中硬件部 分以STM32为核心，软件包括PC机应用程序、USB 驱动程序以及编程器固件。固件程序运行于硬件平台之上构成 整个系统的核心。它接受来自PC机的数据和指令，并根据指令对连接其上的存储芯片进行操作。编程器与PC机通信使用USB2.0协议标准。该系统还使用触摸屏进行人机交互来完成脱机操作。

1.1编程器硬件平台

硬件平台是系统重要组成部分，采用STM32F207 Contex-M3［2］芯片作为控制器，含有 供电系统、触摸屏、SD卡以及电平转换电路的编程器平台。

系统电源含两部分：3.3伏固定电压与程序可调电源。其中3.3伏为MCU，触摸屏，SD卡等供电， 而可调电源的输出电压受MCU控制。在MCU与 存储芯片之间接有电平转换接口芯片SN74LVC8T245，该芯片分A、B两个端口，A、B 两端的数字电平可以独立进行设置。同时这里还使 用了TCA9517，它是I2C接口专用电平转换芯片。

SD卡上存放编程器的配置数据、脱机操作文件、 脱机读取的芯片内数据和脱机芯片参数库。它通过SD卡接口与STM32连接，MCU上移植了嵌入式文件系统FatFs以对SD卡进行基于文件的读写操作。

在SD卡根目录下有data子目录用来存放脱机操作的数据。名为Chipinfo的文件存放芯片参数库。Dat文件存放文件命名编号信息。执行读取操作时，读出来的数据保存在命名为被操作芯片型号-文件编号.bin的文件内。每次读取完成后文件编号增一并保存到Dat里面。例如连续读取两次EN25Q80芯片就会创建两个文件，分别为EN25Q80-00006. bin和 EN25Q80-00007.bin。在SD卡根目录下还有一个文件LCD_CONFIG，它存储了LCD触摸屏的配置参数。

系统采用240*320分辨率的LCD作显示，电阻式触摸屏作触控感应。触摸控制芯片使用 XTP2046。它将模拟电压值进行数字采样量化并通过SPI接口将数据传输给MCU。LCD界面的开发使用了UCGUI。编程器启动时会判断LCD_ CONFIG 文件是否存在，不存在时将会调用校准代码进行触摸屏校准并生成该文件。编程器上有一个32Pin的锁紧座。编程器与待编程存储器的连接会根据具体芯片选择使用SPI或I2C接口。

1.2编程器固件程序

固件程序主要完成PC机控制指令的解析和执行， 同时响应触摸输入。固件程序解析执行PC机指令然后返回执行结果 和数据。PC机应用通过USB接口连接编程器并结合固件程序对存储芯片进行操作，同时操作SD卡上的编程数据和脱机芯片库等。固件程序含有大量的代码，编程器会根据待操作芯片进行适配选择。固件程序还提供了脱机操作的功能。在脱机的情况下固件程序会通过用户的交互输入执行操作，并将结果反馈显示给用户。脱机操作的实现依赖于触摸屏交互和SD卡上的芯片库以及文件系统。

1.3PC机软件系统

PC机程序开发使用MFC类库。借助PC机优越的运算性能，联机的情况下比脱机操作具有更快的速度，而且在联机的情况下还可以对编程文件进行可视化编辑。PC机软件提供的操作包括：文件加载、芯片选择、芯片自动识别、编程、擦除、读取、向数据库中添加芯片以及对SD卡的操作。在程序中动态地建立ODBC数据源，并将芯片信息存储进ACCESS数据库中。数据库里记录了常用的24，25，26，45，95等系列的芯片，对于一些未收录的，用户可以自己将芯片信息添加进数据库，编程器会根据芯片的特性自动选择合适的读写时序尝试操作。PC程序根据待编程的芯片从数据库中读取芯片参数。从PC文件系统中读取Hex或Bin格式文件并进行解码，然后将指令包和数据传送给编程器。从存储芯片读取数据的时，首先将读到的数据使用 CListCt r l控件显示给用户，用户可以将该数据保存在PC上指定的位置。PC也通过USB访问编程器上的SD卡。由于使用了USB接口进行通信，所以这里还需要为编程器开发USB驱动［7］来负责应用层和USB 总线层的数据传递。驱动程序还进行数字签名，以便自动安装。

2　系统关键技术

2.1编程器电源系统及接口电压转换

本系统需要两种电压。一个3.3V和一个编程可调 的电源。它们都通过对5V输入电压进行降压得到。采用LM1117-3.3稳压芯片产生3.3V电压。在其输入和输出端分别接入两个滤波电容，一个容值较大，滤去电源的低频成分，而另外一个容值较小，对高频成分呈现较低的阻抗，主要滤除由负载电流变化而引起的高频成分。

可调电压用STM32的一路DAC和LM1117-ADJ可调三端稳压芯片产生。使用DAC的输出来抬高 ADJ端的电压，调节DAC的输出就可以达到调节输 出电压的目的。

从DAC到LM1117的ADJ端使用运放LM358做了电压跟随。因为LM1117工作的时候ADJ端会有微弱的电流流出，而DAC输出阻抗较大，该电流如果直接流经DAC的输出端，对ADJ端的电势会有影响。

设计中还将两个110欧姆串联，然后接到其输出端，从两个电阻的中间取得电压接至STM32的ADC上面，STM32对此电压进行实时监测，防止电压设置不当造成器件损坏。

2.2控制指令格式

由于数据较大，本编程器使用USB批量传输方式。编程器配置了两个USB端点，一个控制端点，用来进行USB的枚举等，另外一个批量端点，用来批量传输数据。

2.2.1命令包结构

在USB枚举完成以后，PC机会根据用户所选择 的操作构建一个命令块包，然后发给编程器。命令块包的结构总共有30个字节。

dSignature字段是控制命令包标志，为字符串 USBC。

dTag是命令包标签，由PC机程序随机生成。当编程器完成该命令返回状态的时候，需要在状态包的dTag字段中填入对应命令的dTag。

dDataLength指定在数据阶段需要传输的数据长度。

fVol是待操作芯片电压信息，是一个浮点数。编程器根据fVol设置接口电压。部分指令的fVol域无效。

bFlags最高位（D7）表示数据方向，0表示输出，1表示输入。

bCBLength表示后面CB的长度。

CB是需要执行的命令和命令对应的参数。12字节数据不一定完全使用，有效长度由bCBLength指定。

2.2.2状态包结构

编程器执行完操作后会返回执行结果给PC。dSignature为状态包标志。字符串USBS。dTag为状态包标签，其值为命令封包中的dTag。

bStatue标识命令执行结果，0x00表示成功， 0x01表示失败。

2.2.3编程器命令结构

命令包含存储芯片操作命令和SD卡操作命令。接口类型分为两类：0x01表示SPI，0x02表示 I2C；芯片类型使用24、25等作为区分。接口速率占 一个字节，I2C以K为单位，SPI以Mb/s为单位。

2.3芯片参数库设计

为支持多种芯片，设计了芯片参数库。在芯片操作时需要获取数据库中的芯片信息。下面给出数据表中所有字段及说明。

Chip Index：芯片的索引编号。

ManuID：厂商ID，主要用来芯片的自动识别。Chip ID：芯片ID号。用来芯片的自动识别。RomSize：芯片的存储容量，以字节为单位。PageSize：存储器的页大小。芯片编程采用页编程方式，有利于编程速度的提高。

VectorName：芯片厂商名称简称，方便用户选 择芯片。

InterFace：芯片的编程接口类型。

Vol：编程接口电压信息。

Speed：芯片编程接口支持的最大读写速率。 设置正确的读写速率，才能保证读写的正确率。 Type：芯片类型。24、25系列等。

在进行操作之前一般会自动识别或者手动选择 芯片。选定芯片后应用程序会从数据库获取芯片的 信息，然后构建命令块包并发送给编程器。

3　结论

在此将对该编程器的性能参数做一些测试。这里将抽取不同系列、不同厂商的不同容量存储器进行测试。测试相关数据，包括对编程器来讲至关重要的一项指标：写入数据的正确率。分析结果可以发现，不同的芯片操作速度相差较大，尤其是写入和擦除的速度。这主要是受芯片自身性能和芯片容量的影响。同时，这里还跟其他的编程器，如XTW100、TL866CS等做了性能对比，发现该编程器跟其他相比速度平均提升了1.5倍左右，而这主要得益于我们MCU良好的处理性能、高效的通信协议以及我们优异的编程算法。而前面所提两 款编程器只支持24、25系列的部分存储器，且不具备脱机操作的功能。另外值得一提的是本编程器数据写入的正确率。由于采用了可靠的通信协议，使得对所有支持的存储器都达到了百分之百正确写入的效果。

［1］ USB Imp lementer’s Forum. USB Speci f ication Rev2.0. http：//www.usb.org，2000.

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［3］ 王兰英.基于STM32嵌入式系统的uCGUI移植与实现.四川理工学院学报（自然科学版）. 2012年01期.

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［7］ 刘荣.圈圈教你玩USB［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2009.