极低成本单片机在线仿真开发平台说明

极低成本单片机在线仿真开发平台一、 技术说明1.1 什么是在线仿真？简单地讲，在线仿真功能（In-Circuit Debugging ）是在单片机在实际的电路中工作时，可实时查看及修改其内部的各个寄存器值、程序中定义的各个变量、数据结构等的值，并可以控制程序以单步、断点、全速、暂停等多种模式运行。

对于单片机的初学者来说，在线仿真功能可以有效降低单片机的学习难度；对于资深开发者来说，在线仿真功能可以极大提高开发调试的效率，但是现在的单片机开发平台普遍存在价格低廉的无在线仿真功能，有在线仿真功能的又成本过高的问题。

1.2 在线仿真功能的实现本发明利用飞思卡尔MC68HC908系列单片机实现在线仿真功能。

深入研究了MC68HC908系列芯片内Bootloader(引导程序)的原理，通过编写芯片内的Bootloader ，在系统复位时以合适的方式将芯片引导入到用户监控模式，调用芯片内MON08监控指令实现单片机的在线仿真功能。

这需要在芯片FLASH 的系统保护区域增加一段BootLoader 的代码,在系统复位时启动，然后根据引脚上的电平、信号条件将引导入芯片内MON08的监控指令。

这里的Bootloader 代码允许不使用施加在某上引脚上的任何特殊的编程电平(一般是9V)以及任何附加的仿真器等硬件就能使单片机进入MON08监控模式中去。

这样就可以开发出一个硬件成本极低的且只需一条串口线就能进行在线仿真的单片机开发系统，如图1-1所示系统硬件构成:图1-1 单片机在线仿真系统硬件构成1.3 Bootloader 核心代码流程图由于片内保护的系统ROM 空间的限制，跟其它单片机上的ROM 监控程序类似，在这个Bootloader 里也有一个伪向量机制，以便使中断向量跳转到非保护的用户ROM 空间中去。

在片内UARTvia Windows & Linux PC 单片机在线仿真平台ROM的FFBE地址，有一个保护字节，用以对系统ROM空间进行保护，当此值为FE时，此区域是不可擦写的，这样非授权用户将无法改写Bootloader的内容。

我们用图1-2所示的图来显示Bootloader的核心代码:图1-2 Bootloader核心代码流程图当系统上电复位后，Bootloader(以下简称BL)被引导至RAM中执行。

1、BL首先将端口、寄存器和中断向量进行初始化。

2、因为本系统为了降低平台成本，使用单片机内部的RC振荡器，所以接下来BL将会把单片机工作频率值写入到其内部Trim寄存器中，使单片机的振荡频率保持在3.2MHz。

3、待振荡频率稳定后，BL读取ROM中$FF的一个字节的值。

在MC68HC908未经过编程时$FF值为0，所以接下来BL要判断此字节值，如果为0说明是空片，BL将会自动进入监控程序入口准备进行程序的下载和烧写；如果$FF 值为1，表明此芯片非空，进入下一步的工作模式选择。

4、工作模式的选择是根据PTA2口上的电平状态决定的，PTA2上为低电平时，BL将引导进入监控程序的入口，如果为高电平将引导进入用户模式。

这里在MC68HC908单片机的PTA2上设计了一个模式选择按键，此按键按下时为低电平。

当上电复位时，按下此按键时，PTA2口为低电平，BL此时将会引导进入监控程序入口，电路原理如图1-3所示:图1-35、进入监控程序入口后，接着判断LVI、PWRD、COPD位状态，如果其值合法则载入用户预定义的CONFIG1寄存器的配置参数，否则强制写入默认的设置。

CCONFIG1是控制单片机低电压、停止、看门狗等工作模式的寄存器。

6、设置完CONFIG1寄存器后，接着通过串口向上位机发送安全字符串验证请求以确认上位机读定权限，接着上位机将会循环发送8个字节的安全字符给BL进行验证，BL在验证通过后即最终进入到用户监控模式。

如果安全字符串没有验证通过，BL将会引导单片机进行复位。

在进入到用户监控后，即可进行程序的在线仿真。

在线仿真可以实现上位机对单片机内部RAM、寄存器、ROM等的读写以及对程序的运行控制。

1.４实验资源设计１、总体架构实验平台硬件部分主要由MC68HC908QY4芯片及外围电路、8段式数码管显示、LCD1602显示、8位发光LED显示、4x4矩阵键盘、AD转换接口及PWM脉宽调制模块等功能电路组成，通过CodeWarrior完成芯片程序的写入、运行、断点调试、脱机仿真等功能。

本实验板的突出优点是可以根据需要进行单片机工作模式选择，即用户模式或用户监控模式。

在用户模式下，单片机进入正常运行状态；在监控模式下，与CodeWarrior 配合可实现程序的单步运行、断点调试、脱机仿真等功能。

整个电路板实物如下图1-4所示。

图1-4 平台的整体资源 (传统串口板)2、串行通信接口本平台采用了PTA0口作为与上位机的单线串行接口，采用半双工通信方式与CodeWarrior 开发环境进行交互，完成程序的下载、仿真等功能，用户也可自行开发串行通信程序。

PWM 接口四位八段式数码管显示 单片机外引端口插线孔 液晶显示LCD1602接口USB 供电接口4X4矩阵键盘单片机运行模式切换的电源开关和模式按键组合8位LED 发光跑马灯显示模式选择跳线座模拟量输入３、显示部分实验板上可选择三种显示方式： 4个八段式数码管、八个发光LED;、LCD1602液晶。

这三种显示方式是通过跳线来进行选择的。

图1-5显示模式选择跳线跳线接到1、2端时为八段式数码管显示；跳线接到2、3端时为8位发光LED显示；跳线接到3、4端时，为LCD1602显示。

3.1、八段式数码管显示显示部分通过串行移位寄存器8位并行输出芯片74HC164，将PTB0管脚上的串行数据转换成8位并行的段码并输出至四个共阳极的数码管，并通过PTB2，PTB3，PTB4，PTB5实现四个数码管的位选。

8位段码并行输出、段选、位选电路如图1-3、1－4、1－5所示。

用两位I/O口(PTB0、PTB1)输出八位段码，节省了6位I/O资源。

图1-6 8段码移位电路图1-7 数码管段选电路图1-8数码管位选电路3.2 八位LED发光二极管使用PTB端口进行控制。

3.3 LCD1602接口图1-9 LCD液晶显示电路接口PTA5上连接有一个可调电位器，PTA5作为电路上的模拟电压量输入端，同时又连接到LCD上的VL对比度调节端口，旋动电位器可调整屏幕对比度。

PTA1、PTA2、PTA4为控制端，PTA1接到LCD上的R/S即数据选择控制端，PTA2接到R/W即读定选择控制端，PTA4接到E，即LCD的使能控制端。

PTB口接到LCD的8位数据端，同时PTB7为双向可读写，可反馈LCD的忙状态。

4、键盘输入电路在实验板上采用了4x4的矩阵键盘，使用扫描法获得键码。

使用PTA2、PTA3、PTB6、PTB7做行扫描，PTB2、PTB3、PTB4、PTB5作为列扫描。

图1-10 矩阵键盘5、模拟量输入电路板上保留了一个模拟电压输入端口，这个模拟电压端口是由一个接至PTA5的电位器。

图1-11 模拟量输入6、单片机运行模式选择在本平台上单片机可工作在正常运行模式，也可工作在单步、断点等调试模式下，只有在调试模式下才可下载并调试程序。

这两种模式是通过一个电源开关和一个DEBUG按键实现的。

原理如下图：图1-12 单片机运行模式选择电路单片机的模式选择端口与PTA2,在复位时，此端口上电平如果为低，则自动进入调试模式下，如果为高或不确定则进入正常运行模式。

不管进入何种模式，此端口随后将被初始化为一个正常的I/O端口，可像其它I/O口一样使用。

在本平台中设计了一个电源开关和DEBUG下拉按键的组合。

如果需要进入调试模式，则在开启电源开关之前需要按下DEBUG键以使PTA2口保持低电平，当电源开关闭合后即可松开。

若需要单片机在正常模式下运行，则只需要开启电源开关即可。

7、PWM输出端在MC68HC908QY4单片机上可输出两路PWM信号，可通过配置通用I/O口PTA0和PTA1实现。

本实验平台电路板上设计了一个经三极管放大的PWM信号输出端，可直接驱动一个扬声器，使其发出各种频率的乐声，也接至直流电动机驱动电路作电机调速之用。

图1-13 PWM输出电路8、单片机管脚扩展说明为了方便做自已设计的实验，在本实验板的右上方设计有一个DIP16的插线孔，单片机的各个端口均可从此由插线引出，并在所有插线孔对应位置均标有其管脚的定义，且其分布与真实单片机完全一致。

图1-14单片机引脚扩展接口二、使用说明CodeWarrior IDE的使用步骤先在桌面上找到CodeWarrior IDE的快捷方式，鼠标点击右键选择“兼容性疑难解答”（不同的操作系统可能造成软件的无法正常运行）出现如下窗口，鼠标点击选择“尝试建议设置”在出现的窗口中选择“启动程序”，如图所示主程序界面已经打开，点击工具栏中File/Open出现如下窗口，从小窗口中找到文件所在位置，打开黑色图标文件打开后的程序界面如下，点击Main.c打开主程序打开Main.c的主程序如下，点击工具栏中的Compile选项进行编译编译后的结果如下所示，右上方黑色的栏框中会显示编译结果（提示是否有错误或警告，没有错误就代表编译成功）编译成功后，把开发板和电脑用数据线链接起来，开始检查驱动是否安装成功。

返回电脑桌面，在我的电脑中点击右键选择“属性”，然后在出现的窗口中选择“设备管理器”选项，如下图所示观察“其他设备”下的USB选项是否出现问号。

如果没有说明驱动已安装成功，然后可以直接下载程序。

若有问号则需要安装驱动后再下载。

驱动安装步骤如下，双击USB—serial controller在出现如下的窗口中点击“驱动程序”，再点击“更新驱动程序”在出现的窗口中点击“浏览”寻找驱动程序的文件所在位置，选择安装驱动程序的软件点击“确定”进行安装，然后点击“下一步”如果出现以下警告窗口，则可以直接点击“始终安装此驱动程序软件”，再点击出现窗口中的“关闭”，表示驱动已安装成功。

已经可以进行下载开始下载程序如下窗口，点击工具栏中绿色“Debug”键进行下载点击下载后，会出现下面窗口，对USB的串口进行选择。

这时需要查看串口号。

如果没有出现上述窗口，则需要在出现的窗口中通过“选择在电路中进行调试和编程方式”出现该窗口。

点击窗口的任务栏中第四的”PEDebug / Mode:Full Chip Simulation / In-Circuit Debugprogramming”返回桌面，与上述中检查驱动安装类似，“我的电脑”右键/设备管理器/端口如下图可以查询到端口号，假设是Com3选中“3”端口，并点击窗口中的”Contact Targe with these settings...”选项出现“擦写FLASH并编程”对话框，绿色的波线说明在下降沿有效，则需要对开发板进行通电先按着开发板的复位键，不松开的同时按下电源键，把开发板通上电后，松开复位键，点击计算机中的“擦写FLASH并编程”对话框中的“OK”。