摘 要： 介绍了一种基于ISP技术可远程升级的集中抄表模块的设计技术。对其软硬件设计进行了详细讨论。
关键词： 抄表模块 ISP(In-System Programming)远程升级 modem芯片 软件UART
集中抄表模块通过485接口可以用于抄取多功能电表、居民楼中的水（电、气）表、工业现场的联网智能仪器的数据，并可通过扩充的I/O口，实现一定的数字量的输入采集和输出控制，其系统总体结构如图1所示。集中抄表模块通过Modem以公共电话网作为传输信道，将数据传输到运行数据管理软件的上位机系统中，完成数据的自动记录、管理、分析，并执行上位机的指令和实时监控，具有经济、省时省力、使用维护灵活、技术成熟等优点，具有很好的应用前景。目前这种技术在工业和民用方面都得到了越来越多的应用。
基于以下三个方面的原因，对集中抄表模块进行远程软件升级是十分必要的：(1)所期望连接的仪表种类越多越好，使它变成一个相对通用的抄表模块。而不同的仪表所运行的通信协议都不尽相同，甚至有些协议还在不断的变化之中。（2）控制软件的设计需要不断修改完善，以消除bug、增加或删除某些功能。即使是已通过测试并在现场运行的抄表模块，其软件也有版本不断升级的需求。(3)远程软件升级给运行维护及开发人员可带来极大的便利性：如不用去现场、不用停电、不要开机箱等。
随着半导体技术的发展，内置了Flash存储器、Flash擦除及烧录功能的单片机大量出现，给单片机软件的远程升级提供了方便。本设计中使用了Philips的二款单片机，其中主控单片机P89C51RD2就具有这些特点，具体表现在它的可在系统编程（In-System Programming，ISP）和可在应用中编程（In-Application Programming，IAP）的能力中。
1 硬件设计
1.1 总体硬件结构
图2展示了集中抄表模块的整体硬件结构。图中hUART是指单片机本身带的UART口，sUART是指软件模拟的UART。本电路主要包含有如下几个部分：
(1)电话接口电路。由嵌入式Modem芯片TDK 73m2901-32及其外围电路组成。
(2)CPU监控电路。即max706看门狗芯片监控Philips的低成本单片机P87LPC764；再由P87LPC764监控主控单片机P89C51RD2，即前者可以看成是后者的看门狗芯片。max706及二个单片机形成了一个看门狗监控链。同时，max706的/RESET输出除了反相后复位P87LPC764外，还与逻辑电路一起在掉电和复位期间封锁SRAM芯片的写信号和片选信号，以实现对SRAM数据的有效保护。最后，max706还监视电源电压，当电源电压降至4.8V时给主控单片机告警，禁止数据的不可靠写入。
(3)远程升级电路。主要由P87LPC764单片机和CD4053组成，前者从上位机接收数据，对P89C51RD2主控单片机实施ISP编程。
(4)电池及法拉电容后备电路。掉电时维持SRAM中的数据和时钟芯片的走时。
(5)数据存储电路。由2片ISSI 62C1024L-70 共256KB的SARM和1片AT24C02共256B的E2PROM组成。SRAM主要存储抄表模块以一定间隔从485总线读取的历史数据，以备上位机读取查询之用，每块数据在后面都加有CRC校验；E2PROM则存储一些配置信息，如本模块地址、所连接仪表的地址、上位和本模块的电话号码、采样间隔等，每项数据双备份，而且加CRC校验。
(6)通信电路。包括Modem芯片、二个单片机之间的UART通信及切换电路以及与仪表的485总线的通信电路。
(7)扩展I/O口。采用了I2C接口的可配置串转并芯片PCF8574，借此可以实现一些开关量的采集以及一些针对继电器、阀门的控制输出。
(8)时钟电路。由时钟芯片PCF8563完成走时，每次采集的数据都要加上时间标签。
(9)其他电路。如电话接口、485接口的防雷防静电保护电路等。
下面对Modem和ISP这二部分重要的电路进行讨论。
1.2 Modem通信电路
Modem通信使得远程读数和软件升级成为可能。集中抄表模块选用了TDK公司功能强大的73m2901-32 嵌入式Modem芯片作为通信接口。它实际上是一个由8051核心和相应的模拟电路、控制软件集成的一个SOC（System On Chip）产品。它支持ITU V.22bis、V.22、V.21、V.23等通信规范，带DTMF和脉冲拨号功能；拥有一套完备的AT命令集，所有控制功能都可由AT命令完成，并可设置详尽的参数；与控制器的接口也和标准的Modem一样，提供了RXD、TXD、RTS、CTS、DSR、DTR、RI 、DCD等信号，且串行通信可以自动识别波特率。
该芯片的高度集成性简化了电路的设计。本设计中单片机只用到73m2901四个端子：RXD、TXD、/RI（振铃）、/RESET，实现无流控的串行通信；只选用V.22bis通信规范(用AT命令设置)，即收、发速率都是2 400bps。这里Modem的变压器中没有直流经过（所谓“干”变压器），可防止磁芯饱和，有利于变压器缩小体积和提高耦合性能。
1.3 控制软件的远程升级电路
P87LPC764是一款低成本的、具有4KB OTP(一次性)ROM、128B的RAM与8051兼容的单片机。在升级过程中，它起启动和实施软件升级的主导作用。它具体完成如下功能：
(1)用sUART口以2 400bps的波特率监视Modem通信数据，接收上位要求升级的命令，并确认确实要进行远程升级。
(2)切换CD4053模拟开关，使P89C51RD2的hUART口接P87LPC764的hUART口，禁止485口的发送使能。
(3)将P89C51RD2的/PSEN置低，并复位P89C51RD2，使之进入ISP状态。
(4)向P89C51RD2发命令，擦除64KB 的Flash中的代码。
(5)经sUART口从远方Modem获取升级软件代码的密文，校验解密后变成Intel HEX格式，再经hUART口发给已经进入ISP状态的P89C51RD2，让其自动编程实现升级。
(6)设置升级成功标志，方法是继续在程序后面写入16个0AAH和16个55H。
P89C51RD2是具有ISP和IAP功能的单片机，它具有如下的特点：与8051兼容，是8051的增强产品；1KB的RAM；64KB的Flash；时钟频率0~33MHz；双DPTR指针；增强的定时器T2；5模块PCA，支持上下沿捕捉PWM、软件定时器、看门狗定时器；增强的UART；7个中断源、4级中断优先级；ALE输出可控；6/12时钟方式；多种运行模式等。
P89C51RD2在最后1KB地址，即0FC00H~0FFFFH空间中除了存放软件的Flash外，还提供了一块BOOT ROM，在其中固化了Philips公司设计好的实现ISP功能的程序。这个程序可以实现串行通信，可自动发现波特率，可对Flash空间擦除、编程、读出校验、加密位编程等，亦即P89C51RD2进入ISP模式后能自主地从串口接收HEX格式的软件代码并写入芯片中。这二块地址的切换是由特殊功能寄存器AUXR1的ENBOOT位来实现的。当ENBOOT=1时，0FC00H~0FFFFH地址空间寻址到BOOT ROM，ENBOOT=0时，寻址到Flash。
有二种方法可以使P89C51RD2进入ISP状态。第一种方法是设置特殊STATUS BYTE不为0，且BOOT VECTOR为0FCH，则复位时芯片就运行BOOT ROM的程序，进入ISP状态；第二种方法是将STATUS BYTE设为0，BOOT VECTOR为0FCH(默认情况)，当用户Flash中的软件正常运行时，将P89C51RD2的管脚/PSEN由高变成低，保持ALE脚为高或浮空，经复位芯片也进入ISP状态。本设计中采用了第二种方法，如图3所示。P89C51RD2在P87LPC764的控制下进入ISP状态，并经串口从P87LPC764接收程序代码进行程序烧录。
2 软件设计
2.1 软件总体设计
主控软件采用了模块化层次化的设计方法，并采用了多线程、分时、事件驱动的思想。虽然没有采用RTOS（Real-Time Operation System），但同样实现了多任务操作。具体实现方法是：
(1)从功能上把系统划分为多个任务，在主循环中调用每个任务程序。
(2)每个任务又按照执行顺序、消耗时间分成多个子模块。子模块的软件中不能出现耗时的循环等待现象，且每个任务有一个指针可指向其中的任意子模块。
(3)主循环每次调用任务程序，实际上只执行了每个任务的一部分，即指针指向的子模块。完成后返回主循环，主循环再调用下一个任务程序。如此实现了多任务操作。
(4)子模块指针的修改，或者说任务状态的迁移，一般是由计时器满标志、接收缓冲区满标志、发送缓冲器空标志及另一个任务设置的标志等事件驱动的。子模块需要自己去检查所关心的事件并修改指针，实现任务状态的迁移。
(5)与实时有关的工作放在中断中进行，以保证实时性。
集中抄表模块中有软件自我监控、Modem通信、485通信、I/O操作等模块。
2.2 通信软件设计
(1)Modem芯片设置
本设计中Modem芯片73m2901处于被叫位置。当复位后，对它发送了初始化串(ATE0S0=2S30=4S99=0S7=32S18=150S51=7S52=80S53=7S54=160），之后，Modem芯片就可自动完成摘机、握手、进入数据模式等操作。从逻辑上讲相当于实现透明化。
通信中，当收到挂断电话命令，或收到“NO CARRIER”字符串，或30秒无正确格式的数据接收时，采用先复位再初始化73m2901芯片的方法挂断模块侧的电话。
因为没有使用硬件流控功能，所以上位机所带的标准Modem也要取消硬件流控，并须支持V.22bis标准。
(2)按照通信规约实现读数
此集中抄表模块最早用于电力行业，所以采用了DL/T 645-1997的多功能电表通信规约。目前此规约应用较广，且被不同的产品进行了扩充。按照规约，集中抄表模块一方面从485总线以一定时间间隔读取历史数据存入SRAM，一方面可同时向上位机通过Modem返回历史数据，另一方面还通过“Modem通信、485通信”二个软件模块提供的软通道，让上位软件与485总线上设备直接通信，达到实时监控的目的。
(3)通信规约的扩充
历史数据信息、升级软件的数据信息、软件版本信息、挂断电话命令、扩充I/O口数据读写等都是原规约中所没有定义的，软件设计中对规约作了相应的扩充。
(4)软件UART(sUART)
P87LPC764和P89C51RD2在集中抄表模块中都使用到了二个UART口(参见图2），而原单片机都只有一个硬件UART。所以在本设计中，二个单片机中各模拟了一个2 400bps速率的软件UART。因为二个单片机都基于51内核，指令执行速度比普通51快，所以sUART程序不仅可以共享，而且运行时并不占用太多的系统时间。
2.3 远程升级软件的设计
在集中抄表模块正常运行时，数据流如图4(a)所示。通信从上位机发起，通过73m2901向P89C51RD2和485总线获取数据。P87LPC764监视上位命令，并过滤出升级命令。
在ISP升级时，数据流如图4(b)所示。CD4053被切换，通信从P87LPC764发起。它从上位机获取加密的软件代码（①～④），解密后发给P89C51RD2烧录并等待烧录结果（⑤～⑥）。
P87LPC764上电后，先复位P89C51RD2，随后切换CD4053，再与P89C51RD2通信，询问其程序版本、编程后的校验值，以确定程序的完好性，以发现升级过程中因掉电等情况造成的程序破坏。参考文中1.3节的说明，P87LPC764软件的整个流程绘制如图5所示。
3 结束语
在集中抄表模块的设计中，采用了一些有特色的芯片，如TDK 73m2901的SOC芯片和具有ISP功能的单片机，并借此实现了一些复杂、灵活的功能。本设计中对一些软硬件的设计方法，如双CPU协同工作、看门狗链、软件的远程升级、软件分时分模块的多任务思想等作了一些有益的尝试，经实践证明是可行的。在下一步的工作中，需要提高Modem速率，加强软件升级中的安全认证和代码的安全传输，使通信和软件升级的功能更趋完善。
参考文献
1 马家辰，孙玉德.MCS-51单片机原理及接口技术.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2001
2 马洪连，杨波，姚建伟.内置MODEM通信模块在远程监测系统中的应用.电测与仪表，2002；(9)
3 中华人民共和国电力行业标准 DL/T645-1997.多功能电能表通信规约，1998