嵌入式分享合集103

一、EEPROM和Flash

 存储器分为两大类：RAM和ROM，本文主要讨论ROM。ROM最初不能编程，出厂什么内容就永远什么内容，不灵活。

    后来出现了PROM，可以自己写入一次，要是写错了，只能换一片，自认倒霉。人类文明不断进步，终于出现了可多次擦除写入的EPROM，每次擦除要把芯片拿到紫外线上照一下，想一下你往单片机上下了一个程序之后发现有个地方需要加一句话，为此你要把单片机放紫外灯下照半小时，然后才能再下一次，这么折腾一天也改不了几次。

    历史的车轮不断前进，伟大的EEPROM出现了，拯救了一大批程序员，终于可以随意的修改rom中的内容了。

    EEPROM的全称是“电可擦除可编程只读存储器”，即Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory。是相对于紫外擦除的rom来讲的。但是今天已经存在多种EEPROM的变种，变成了一类存储器的统称。

狭义的EEPROM

    这种rom的特点是可以随机访问和修改任何一个字节，可以往每个bit中写入0或者1。这是最传统的一种EEPROM，掉电后数据不丢失，可以保存100年，可以擦写100w次。具有较高的可靠性，但是电路复杂/成本也高。因此目前的EEPROM都是几十千字节到几百千字节的，绝少有超过512K的。

    例如我们常见的24C02：

广义的EEPROM

    flash属于广义的EEPROM，因为它也是电擦除的rom。但是为了区别于一般的按字节为单位的擦写的EEPROM，我们都叫它flash。

    flash做的改进就是擦除时不再以字节为单位，而是以块为单位，一次简化了电路，数据密度更高，降低了成本。上M的rom一般都是flash。如W25Q128JVSIQ：

flash分为nor flash和nand flash

nor flash：

    nor flash数据线和地址线分开，可以实现ram一样的随机寻址功能，可以读取任何一个字节。但是擦除仍要按块来擦。依然W25Q128JVSIQ

nand flash：

    nand flash同样是按块擦除，但是数据线和地址线复用，不能利用地址线随机寻址。读取只能按页来读取。（nandflash按块来擦除，按页来读，nor flash没有页），例如：W29N01HVSINA

 

由于nand flash引脚上复用，因此读取速度比nor flash慢一点，但是擦除和写入速度比nor flash快很多。nand flash内部电路更简单，因此数据密度大，体积小，成本也低。因此大容量的flash都是nand型的。小容量的2～12M的flash多是nor型的。

    使用寿命上，nor flash的擦除次数是nand的数倍。而且nand flash可以标记坏块，从而使软件跳过坏块。nor flash 一旦损坏便无法再用。

    因为nor flash可以进行字节寻址，所以程序可以在nor flash中运行。嵌入式系统多用一个小容量的nor flash存储引导代码，用一个大容量的nand flash存放文件系统和内核。

 

二、三极管实现LED闪光灯经典电路

 很多时候，我们是知其然，不知所以然。如果刨根问到底的话，可能这个问题会持续耽误完成这件事情的整个过程。但是不去深入了解的话，又没有掌握它的真理。

    所以我们需要在某个阶段去完成某件事情，不至于把这件事情搞砸。我们必须要有所突破，才能有所收获。

  今日分享的是用三极管实现一个闪光经典电路的设计方案，原理图设计如下图所示：

从这个原理图，我们知道用到了几个元器件：一个50K的滑动变阻器，一个电阻，一个电解电容，一个NPN型的8050三极管和一个LED灯。这个电路实现灯会一闪一闪的闪灯电路，会给我们一个直觉的视角。

    这个电路最特别最重要的就是这个三极管，我们发现很奇怪，三极管只接了发射极和集电极，基极没有接任何电路。那么发射极接电源的正极，集电极接电源的负极，刚开始我们可能以为这个电路没有办法工作。

    我们来分析一下这个电路，首先电位器电阻和电解电容肯定组成一个对电容的充电和放电电路。电源上电时，通过对电解电容充电，直到电解电容的电压跟输入电压接近，就保持电压的稳定了。那么这个时候，三极管将E-B反接就成为一个稳压二极管了，那么稳压二极管就会将电压稳定在一个值输出给LED供电了。

    那么此时，电解电容就给LED放点，放电后，前面的电位器和电阻又组成一个充电电路给电解电容充电。就这样循环下去，使得LED灯一闪一闪的。

    我们将用三极管实现一个闪灯经典电路设计方案的PCB Layout图设计如下：

  总结：通过利用三极管的PN结，利用三极管EB反向结组成一个稳压二极管来对LED供电。所以说这个电路非常经典，也给大家带来思考。           whaosoft aiot http://143ai.com

 

三、STM32代码远程升级之IAP编程

IAP是什么

    有时项目上需要远程升级单片机程序，此时需要接触到IAP编程。

    IAP即为In Application Programming，解释为在应用中编程，用户自己的程序在运行过程中对User Flash的部分区域进行烧写。即是一种对单片机Flash擦写的一种编程方案。

    通常情况下，一片STM32单片机的Flash只有一个用户程序，而IAP编程则是将单片机的Flash分成至少两大区域，一部分叫做bootloader区，一部分叫做app用户代码区，还可留出一部分区域为代码备份区。

IAP的应用场所

    通常情况下我们给STM32单片机烧录更新程序时是通过SWD、J-link或者通过设置BOOT引脚后，使用串口进行程序下载，这样的方式直接一次性将程序文件下载到单片机的Flash中，比较适合绝大部分的应用。

    但是当产品投入实际应用时，封装完成后在后期的使用过程中遇到某些程序上的bug或者是根据客户需求需要增加一些功能的时候，使用传统代码烧录的方法就可能需要拆除封装，而使用IAP编程在bootloader区提前写入与外部通信的接口用于升级单片机代码，使得我们不用对已完成包装的产品进行拆除既可以更新代码，这样既节约了成本，也更加方便快捷。

IAP编程的流程

    IAP编程将Flash区分成的两个区域，bootloader区和app用户代码区具有截然不同的功能。bootloader区，主要实现接收程序文件，并将该程序写于特定位置的Flash区域。而这里接收外部程序文件，就需要实时和外部通信了。

    STM32单片机与外部通信大多是通过自身的串口接收和发送数据，不过STM32单片机的串口可以外接多种通讯接口，例如422、485、GPRS及ESP8266等。即我们可以通过串口外接蓝牙模块、WiFi模块或者是其他网络模块，就可以实现远程的文件传送更新单片机程序了。

    app用户代码区则是主要实现我们所需要的功能操作，除此之外app用户代码区还需要实时检查代码运行情况，通过判断更新程序的标志位来判断是否需要升级程序。若是需要升级程序则进入bootloader区进行代码更新；若不需要则继续运行功能函数代码即可。

    因此IAP编程下的单片机运行流程如下图：

根据运行流程，我们可以总结出简单几条bootloader设计过程中需要注意的地方：

• 精简、程序尽可能精简。在单片机Flash有限的情况下，bootloader代码占用Flash的空间越小，则APP程序代码就可占用更多，实现更多功能函数。

• 标志位不受复位的影响。

• Bootloader中尽量不使用中断。

 四、Modbus总结

现在国产的各种品牌PLC，比如台达、汇川、信捷等，这些PLC都是支持Modbus协议，也就是说，学会了Modbus协议，我们可以很轻松与这些PLC实现数据通信。

Modbus协议能够成为工业领域应用最广泛的协议，它必须具备以下几个特点：

1、免费：这个是最大的前提，任何产品都是一样，只有通过免费才能获取到前期最大的使用量。

2、简单：Modbus协议帧格式简单紧凑，用户容易理解，厂商容易集成。

3、接口：Modbus协议只是一种规约，属于应用层的协议，因此不仅可以应用在串口（485/232/422），也可以在以太网、光纤、蓝牙、无线上传输。

存储区分类

我一般介绍Modbus协议的时候，喜欢站在Modbus规约制定者的角度，结合一些事物来对比说明，这样对很多人来说，可能会更加容易理解。

假设没有Modbus协议，我们想要制定一个协议，我们首先要明确，协议的目的是为了数据传输，因此，为了更好地存储不同的数据类型，我们会将布尔和非布尔的数据分开存储，因此，就有了线圈和寄存器的概念。

线圈和寄存器，这个经常被很多人诟病，认为不应该这么翻译，感觉不容易理解。从电气角度来看，在电气控制回路中，一般都是靠接触器或中间继电器来实现控制，接触器或中继最终靠的是线圈的得电和失电来控制触点闭合和断开，因此用线圈表示布尔量；而寄存器在计算机中，就是用来存储数据的，因此非布尔的数据放在寄存器里。

这个可以跟PLC的存储区来进行对比，西门子的I/Q/M都是线圈，V/T/C/DB都是寄存器，三菱的X/Y都是线圈，D/W/H都是寄存器，欧姆龙的CIO是线圈，D/W/H是寄存器。

以西门子为例，虽然I和Q都表示线圈，但是他们的分工是不同的，I表示输入，Q表示输出，输入意味着该存储区里的值必须由外部设备接入，是只读的，输出表示输出结果给外部设备，是可读可写的。

因此，Modbus的线圈和寄存器应该也按照只读、读写来进一步细分，因此这就形成了Modbus的存储区，如下表所示：

存储区代号

然而，上面表格里的存储区名称是一个全称，开发和使用中使用全称会比较麻烦，因此需要给他们取个别名，就像西门子的I/Q/M一样，这些都是西门子给存储区取的一个代号，所以Modbus也要给这些存储区取一个代号，干脆直接用数字吧，于是，就有了下面的规定：

这个其实就跟我们的姓名和小名一样，姓名是正式场合使用，日常场合，我们一般可以使用小名。

存储区范围

无论是什么存储区，都会有一个范围的限制，就像西门子的M区可能最大到8192，三菱的X区最大到2048，Modbus的每个存储区也应该规定一个范围，不能无限制使用。

Modbus是这么规定的，每个存储区的最大范围是65536，这个范围是很大的。

我们再以三菱的X区为例，如果最大范围是2048，那么意味着我们只能访问X0-X2047这些地址，我们这里说的X0、X2047，就是我们常说的PLC地址，那么这个地址是怎么组成的呢？它是由存储区编号加上一个地址索引组成，我们把这样的PLC地址，理解为绝对地址，后面的地址索引，理解为相对地址。

所谓绝对地址，就是我们仅仅通过一个地址名称，就能知道是什么存储区的第几个数据，而这个第几个，就是我们说的相对地址，因此绝对地址是唯一的，相对地址，每个存储区都有。

那么对于Modbus来说，我们的绝对地址和相对地址是怎么样的呢？

我们仍然遵从公式：绝对地址=区号+相对地址。

但是也会有一些不一样的地方，以保持型寄存器为例，第一个绝对地址是400001，这个地方不是400000，这个是由Modbus规约决定的，其它存储区也是类似的。
因此，Modbus存储区范围如下图所示：

正如上文所说，65536这个范围是很大的，但在实际使用中，我们一般用不了这么多地址，一般情况下，10000以内就已经足够我们使用了，因此，为了方便起见，我们有一种短的地址模型，如下图所示：

 

功能码

功能码这个概念，我们可以这么去理解，先回到我们的初衷，协议的目的是为了数据传输，也就是为了读取数据和写入数据，我们已经确定好4个存储区，存储不同的数据类型，那么接下来我们就要对这些存储区进行读写，那么可能会产生很多种不同的行为，比如读取输入线圈存储区、读取输出线圈存储区，这就是两种不同的行为，同样的，如果用读取输入线圈存储区、读取输出线圈存储区，会比较麻烦，那么我们干脆给每种形成指定一个代号，那么这种代号就是功能码。

我们再来探讨一下，究竟有多少种不同的行为呢？

读取和写入是2种行为，存储区有4个，但是我们知道输入线圈和输入寄存器是只读的，因此不能进行写入，除去这2种的话，应该会产生6种不同的行为，如下图所示：

然而，Modbus规约将写入输出线圈和写入保持寄存器这2种行为，又进一步做了细分，包括写入单个和写入多个，因此原来的6种行为就变成了8种行为，同时给每种行为设置一个代号，就形成了下图所示的功能码列表：

Modbus规约中的功能码其实不止这8个，还有一些功能码是用于诊断或异常码，但是一般很少使用，这8种功能码是最主要的核心功能码。

协议分类

Modbus严格来说，是一个标准化的规约，而不是一个具体协议。我们常说的设备A和设备B之间通过Modbus协议来通信，这句话其实是不严谨的。

Modbus规约上有三种不同的协议，分别是ModbusRtu、ModbusAscii、ModbusTcp。

一般来说，ModbusRtu和ModbusAscii是运行在串口上的协议，ModbusTcp是运行是以太网上的协议，但是这并非绝对的，我们也可以将ModbusRtu、ModbusAscii运行在以太网或光纤上使用，同样的，在串口网络里，我们也可以使用ModbusTcp的协议，因为协议只是一种规范，并不限制通信介质。

报文格式

前面我们说了Modbus有三种不同的协议，分别是ModbusRtu、ModbusAscii、ModbusTcp，那么这三种协议的报文格式也是不同的，下面分别对这三种协议的报文格式进行说明：

1. ModbusRtu的报文格式如下：

第一部分：从站地址，占1个字节

第二部分：功能码，占1个字节

第三部分：数据部分，占N个字节

第四部分：校验部分，CRC校验，占2个字节

2. ModbusAscii的报文格式如下：

第一部分：开始字符（:）

第二部分：从站地址，占2个字节

第三部分：功能码，占2个字节

第四部分：数据部分，占N个字节

第五部分：校验部分，LRC校验，占2个字节

第六部分：结束字符（CR LF）

3. ModbusTcp的报文格式如下：

第一部分：事务处理标识符，占2个字节

第二部分：协议标识符，占2个字节

第三部分：长度，占2个字节

第四部分：单元标识符，占1个字节

第五部分：功能码，占1个字节

第六部分：数据部分，占N个字节

调试软件

也有很多调试软件可以进行仿真调试，因此我们可以在不购买任何硬件的情况下，就把Modbus协议学好。

Modbus 学习必须要配合相关的调试软件，可以达到事半功倍的效果，Modbus

学习必备的三大神器分别是 ModbusPoll、ModbusSlave 及 VSPD，ModbusPoll 软件主要用于仿真 Modbus主站或 Modbus 客户端，ModbusSlave 软件主要用于仿真 Modbus 从站或 Modbus 服务器，而 VSPD 全称 Configure Virtual Serial Port Driver，是用来给电脑创建虚拟串口使用的。

即使我们想要结合硬件，支持Modbus协议的设备也有很多，各种品牌PLC、各种品牌的仪表、各种温湿度传感器、流量计等都可以很好地支持Modbus协议。