基于单片机和CAN控制器的嵌入式系统设计

1. 引言
单片机作为嵌入式设备的心脏，在从消费电子到工业应用等广泛的领域中得到应用。从单片机的历史来看，随着嵌入式设备对单片机功能和性能的要求提高，其经历了从4位机到8位机的发展过程。目前嵌入式产品的不断发展，8bit单片机的处理能力面对越来越多的挑战。而32bit单片机在嵌入式领域得到越来越多的应用。根据市场的发展，EPSON 公司专为高级数据处理的便携式设备推出了32位MCU（Microcontroller Unit ）S1C33 系列，下面简单介绍一下EPSON 32 位单片机的特点：
A. 强大的CPU内核：S1C33采用RISC（精简指令集）结构，三级流水线，105条16位长指令，其大多数指令在一个时钟周期内执行，大大提高了指令的执行效率。
B. 丰富的周边电路：除了强大的CPU内核外，S1C33的周边电路也很有特色，考虑到对嵌入式芯片SOC（System On Chip）的要求，EPSON 公司在设计中在单片机内集成了许多周边电路，用户在开发中，基本不需增加许多外部器件就可构成完整的系统，大大减少了系统成本和设计复杂度。以本文将要用到的S1C33209为例，它包括8KSRAM、直接内存存取控制器DMAC、 中断控制器ITC、可编程定时器计数器Programmable Timer、脉宽调制电路PWM、串行接口电路SIO、A/D 转换器等等，还包含高速的晶振电路OSC3、锁相环（PLL）、低速晶振电路和一个实时时钟。
C. 低功耗：功耗是很多嵌入式系统设计必须考虑的问题，S1C33 CPU支持三种类型的省电模式：两种HALT模式和一种SLEEP模式；此外，S1C33 中时钟电路设计有一个预分频器（PSC），时钟信号经预分频器分频输出合适的工作频率到Timer、SIO、AD等，这样芯片每个功能模块都工作在合适的频率上，系统功耗可降到最低。
D. 良好的性价比：S1C33 CPU核非常小，逻辑门数在100K左右，并采用0.35um及以上加工工艺，使CPU core占用的芯片的面积较小，以达到良好的性价比。
E. 独特的ASIC Micro（门阵结构CPU）：S1C33 Core CPU和周边电路都是用与非门单元组成的ASIC宏单元，这样的设计使S1C33在芯片设计上有很大的灵活性，S1C33209芯片内部有20K用户可以自定义的门阵列（Gate Array）电路。
下面我们采用S1C33209，设计一个探测系统。
2. 系统描述及组成
我们的目标是设计一个功耗低、易于扩展、体积小的便携设备，探测系统需要测量参数包括PH值、溶解氧、化学元素、深度等。测控系统工作时需要接收来自上位机控制中心的命令，要求将采集到的数据传送到上位机，两者的最大通信距离大于5Km。由于CAN总线具有较高的可靠性、实时性和灵活性，其最大通信距离可到达10Km，受干扰概率低，因此我们采用CAN总线作为通信方式。

图1 系统总体结构图

系统总体结构如图1所示，CAN采用双绞线，信号以差分电压传送。SJA1000一端与单片机相连，另一端与CAN总线相连。为了提高单片机对CAN总线的驱动能力，把PCA82C250作为CAN控制器和物理总线间的接口，以提高对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力，其工作方式（高速方式和斜率方式）由引脚RS控制，RS接地为高速，RS串接一个电阻后再接地，用于控制上升和下降斜率，可以减少射频干扰。系统从功能上分为两个主要部分：测控子模块和通信子模块。测控子模块主要功能是根据命令启动系统并完成参数提取、数据处理、存储及发送等操作，为了满足探测系统多路数据的快速采集与分析的特殊要求，该模块以EPSON公司的S1C33209为核心，扩展信号调理电路及与CAN总线的接口；通信子模块的功能是完成水下测控系统与上位机的通信，此模块主要是Philips公司的SJA1000型CAN控制器。
SJA1000是一款独立的CAN控制器，主要用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制，它是PCA82C200型CAN控制器的替代产品，增加了PeliCAN操作模式，支持CAN2.0B协议。在本文中它与单片机的接口比较简单，单片机可以以访问外部存储器的方式来访问SJA1000，由于SJA1000内部寄存器分布在连续的地址内，所以完全可以把SJA1000当作外部RAM。[page]

3. 软件设计
在32位机系统中，由于软件较复杂，基于操作系统的软件开发占有重要地位。操作系统的作用是负责整个系统的任务调度、存储分配、时钟管理和中断管理，并提供文件管理等基本服务，S1C33 32位芯片使用EPSON公司的ROS33操作系统，其核心为广泛应用于各种嵌入式系统的iTron 3.0 OS Kernel，ROS33 Kernel具有：支持µITRON 3.0标准、内核优化并紧凑（最小可为1.7k）、响应快（CPU主频为33MHz时，最快调度响应时间为7.8 µs）、支持基于ANSI 标准的C语言等特点。本设计的主应用程序框架如下：
#include “ros33.h”
void main()
{
sys_ini();  //用于初始化ROS33所用的参数和资源
vcre_tsk(task ID, task startup address, priority, initial address of stack); //定义被执行的任务
…
sta_tsk(task ID, task startup code);  //激活执行
…
sys_sta();
}
该系统通信协议采用“ID＋命令＋数据＋校验”的形式，其中，ID为网络设备标识符，采用ID.18~ID.20。标识符ID.21~ID.28作为固定命令，不参与验收滤波。数据表示通信的具体内容，校验采用校验和的形式，为1个字节。由于CAN总线本身有15位CRC校验，并且本系统节点数较少，竞争不会十分激烈，所以通信可靠性较高。
软件设计思路如下：系统上电后，S1C33209先对自身和SJA1000初始化，以确定工作主频、波特率及输出特性等，然后接收来自上位机的控制命令，同时将获取的采用数据通过SJA1000传送到CAN总线上或备份到Flash存储器中。其中对SJA1000初始化是设计的重点，必须对写入每个寄存器的内容进行仔细和全面考虑，否则系统将无法正常工作。设上位机SJA1000适配卡的ACR为xx20，AMR为FF00，下位机测控中心SJA1000的ACR为xx40，AMR为FF00。下面是初始化程序：
Void CAN_Init(viod)
{ CANMODE=ox09;  //进入复位模式，单项验收滤波，对SJA1000初始化
CANCDR=0x88;    //选择PeilCAN模式
CANIER=0x1A;    //开放接收中断、超载中断和错误中断
CANAMR0=0xFF;   //接收屏蔽寄存器内容在单片机RAM中的值
CANACR1＝0x40; 
CANBTR0=0x03;   //总线定时寄存器
CANBTR1=0xFF;
CANOCR=0xAA;  //输出控制寄存器
CANMODE=0x08; //返回工作状态
由于测控系统对通信实时性要求较高，一旦接收到来自上位机的控制命令必须及时响应，为此CAN总线上接收信息采用中断方式，即SJA1000无错地接收到信息后使INT变为低电平，下降沿触发S1C33209外部中断0，使其进入中断服务程序，其流程如图2所示。

图2 接收流程图

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如果要向CAN控制器发送数据，则必须将符合PeiCAN帧格式的一组数据写入SJA1000的发送缓冲区，然后调用发送子程序，我们采用查询方式实现发送，如图3流程所示。

图3 发送流程图

4. 结束语
为了进行资源开发，对海洋油田进行探测及对污染进行监测和预防，本文采用EPSON公司的32位单片机S1C33209和SJA1000型控制器设计了一个探测系统，该系统具有高速、功耗低、体积小、易于扩展的特点，实验表明，系统与上位机通信可靠，基本可以满足实际需要。

本文作者创新点：本文结合EPSON公司的32位单片机S1C33209功耗低、丰富的周边电路、开发方便等特点，以S1C33209和SJA1000型控制器为核心，实际开发了一种探测系统。