PIC单片机是美国Microchip公司生产的8位微处理器。它的速度与功能远超一些普通的8位51单片机^[1]。相较于传统单片机, PIC具有指令简单、寻址方式简单、代码压缩率高、运行速度快、功耗低等特点^[2]。PIC芯片程序的下载一般需要经由Microchip公司官方提供的PICKIT下载器下载, 利用官方提供的MPLAB软件对PICKIT进行配置后才能完成^[3]。

在部分项目应用中, 采用官方推出的ICD调试工具对系统进行调试^[4], 虽然该种方式成本较低廉, 但其实现离不开第三方软件的支持, 从而限制了开发和设计过程, 在需要大规模生产应用的场合, 存在效率低、成本高、自定义空间小等问题。

本文基于ICSP编程协议, 提出了一种利用STM32F407控制器(以下简称“407”)下载PIC程序的方法, 程序内容经过编译后以HEX文件形式存入407中, PIC与407之间通过数据和时钟线进行通信。程序下载前, 由于407需要根据当前时钟脉冲向PIC发送一段特定的序列, 使PIC正常进入编程模式, 因此有效防止了误操作的出现; 在下载过程中, 每当407向PIC写入数据时, 需要等待来自PIC的正确回复以确保数据传输的正确性。通过对407引脚的正确配置, 可以实现在407组成的最小系统中对PIC芯片的多路下载, 而且不需要依赖任何第三方软件, 有效提高了下载效率。

407与PIC的接线如图 1所示。其中, MCLR、VDD、GND、DAT、CLK分别是PIC对应的引脚名, 对于407而言, 采用通用IO管脚GPIO即可。

图 1 407与PIC接线

由图 1可知, 407上的通用IO管脚GPIO分别与PIC的MCLR、VDD、GND、DAT、CLK引脚连接。其中, MCLR作为PIC的编程引脚, 默认情况下不作为普通IO口, 因此当MCLR引脚作为普通IO口时, 可能会出现程序无法正常下载的情况, 此时需要对PIC进行相应的引脚配置; DAT引脚用于407和PIC间传输数据, 该引脚既用于接收来自407端发送的数据, 同时也能将自身数据返回给407, 用于校验数据的正确性; CLK为脉冲输出引脚, 用以接收来自407端发送的一定周期的脉冲, 整个下载过程中数据以及命令的收发都在时钟脉冲的控制下完成。在整个下载过程中, PIC芯片的供电由407的引脚独立控制, 同时对供电电压值及MCLR引脚控制时序都有一定要求。

在低电压编程模式(Low-Voltage Programming Mode, LVP)下进行配置(如果需要的话)。当DAT引脚上接收到正确的解锁序列, 即可进入编程模式。相较于高电压编程方式, 该方法不需要额外的升压措施, 有效降低了器件成本, 同时由于整个操作过程没有高电压的存在, 能有效防止误操作导致芯片损坏现象的出现。

PIC内部有专用的LVP使能位, 只有当LVP使能的情况下, 才允许设备进入低电压编程模式; 否则需要第三方软件对其配置字进行写入后, 才能正常进入编程模式。这里仅针对出厂默认LVP使能的芯片做出说明。LVP需要在特定电压时序下才能正常进入, 具体做法如下: 首先, 在保证芯片正常供电的情况下, 将MCLR引脚维持在高电平一段时间T_ENTS; 其次, 在开始向PIC发送解锁序列的前一段时间T_ENTH, 将MCLR编程引脚的电平拉低; 再次, 由407控制引脚输出一定周期的脉冲, 该脉冲的半波周期需要大于100 ns; 最后, 在上述脉冲的控制下, 在DAT上向PIC发送解锁序列, 该序列用16进制, 可表示为0x4d434850, 遵循低电位先发的原则逐位发送给PIC。当PIC端接收到正确的解锁序列后, 即可正常进入编程模式。

上述步骤中, T_ENTS和T_ENTH需要满足的条件为

进入编程模式的电压时序如图 2所示。

图 2 LVP电压时序

由于PIC芯片内部有低电压复位功能, 当电压过低时会使芯片进入复位状态, 因此供电电压应高于复位电压, 才能使芯片正常进入编程模式。

当PIC进入编程模式后, 可根据编程命令对PIC采取不同操作。

在本方案中用到的几种编程命令及数据格式如表 1所示。

表 1 PIC单片机编程命令

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编程命令	十六进制表示方式	数据格式
从程序存储器读取数据	04H	0, data(14), 0
为程序存储器加载数据	02H	0, data(14), 0
增加当前地址	06H
重置地址	16H
开始内部时序编程	08H
块擦除命令	09H

程序下载流程如图 3所示。

图 3 程序下载流程

程序存储写入流程如图 4所示。

图 4 程序存储写入流程

PIC根据当前收到的编程命令进行相应操作。当收到需要接收(或发送)数据的命令时, 在经过一个特定延时(一般不小于1 μs)后, PIC就要接收来自407的数据(或发送数据), 该数据如表 1中的16位数据, 其起始和终止位都为零, 遵循低电位先传的方式进行收发。在编程过程中, PIC的一个地址空间可以存储14位有效数据, 数据传输完毕后执行内部编程指令, 将DAT引脚上的数据写入程序存储器里, 然后再次调用数据回读命令对写入PIC的数据进行回读。若写入无误, 则执行增加地址命令进行下一个地址的写入, 否则在STM 32内部将返回一个下载失败的错误。

用户ID一般用以辨别不同设备。配置字是PIC单片机内部用以控制引脚功能、看门狗定时器及复位相关功能的特殊寄存器, 因此需要在下载程序的过程中写入适当的配置字及用户ID, 以保证PIC正常工作。由于配置字在不同芯片内部的地址不同, 因此对于不同的芯片, 首先需要通过增加地址命令或重置地址命令将PIC定位到相应地址位, 再通过上文中所述方式对配置字进行写入操作。在本方案中, 以PIC 12F1572芯片为例, 其用户ID位于8000 H-8004 H, 配置字位于8007 H-8008 H。用户ID及配置字写入流程如图 5所示。

图 5 ID及配置字写入流程

退出编程的电压时序如图 6所示。其中, 退出时间T_EXIT不小于1 μs。

图 6 退出编程电压时序

配置字及ID写入完成后, 即可完成芯片程序的下载。此时, 需要将芯片退出编程模式, 将MCLR引脚的电平拉低。芯片这时不允许同时断电。一般来讲, VDD和MCLR的电压时序应满足图 6所示电压时序。

本文利用STM32F407核心板，连接若干GPIO管脚到PIC相应的引脚进行实验。下载PIC程序的硬件电路如图 7所示。

图 7 下载PIC程序硬件电路

分别实现407和PIC的应用程序后，将PIC应用程序作为407的数据单元，按照以上所述步骤进行程序烧录，结果完成后, PIC能够启动程序执行相应的功能。

首先, 将事先编译好的HEX文件存入407中, 通过PIC内部的编程命令对PIC程序存储进行编程; 然后, 对用户ID和配置字进行了一系列改写, 实现程序的烧录下载并运行成功。虽然本方案只针对PIC12F1572进行了验证, 但由于PIC系列芯片内部存储结构的相似性, 因此本方案在其他PIC芯片案例中也可以大范围应用。事实证明, STM32F407能够在不依赖第三方工具和软件的前提下完成对PIC芯片的烧写, 同时扩展了多路芯片同时烧录功能, 大大提高了烧录效率。