單片機和CAN控制器在嵌入式系統(tǒng)中的應用

1.引言

單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。根據(jù)市場的發(fā)展，EPSON公司專為高級數(shù)據(jù)處理的便攜式設備推出了32位MCU（Microcontroller Unit）S1C33系列，下面簡單介紹一下EPSON 32位單片機的特點：

中央處理器（英文CentralProcessingUnit，CPU）是一臺計算機的運算核心和控制核心。CPU、內(nèi)部存儲器和輸入/輸出設備是電子計算機三大核心部件。電腦中所有操作都由CPU負責讀取指令，對指令譯碼并執(zhí)行指令的核心部件。其功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數(shù)據(jù)。所謂的計算機的可編程性主要是指對CPU的編程。CPU由運算器、控制器和寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)的總線構(gòu)成。差不多所有的CPU的運作原理可分為四個階段：提取（Fetch）、解碼（Decode）、執(zhí)行（Execute）和寫回（Writeback）。

A.強大的CPU內(nèi)核：S1C33采用RISC（精簡指令集）結(jié)構(gòu)，三級流水線，105條16位長指令，其大多數(shù)指令在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行，大大提高了指令的執(zhí)行效率。

B.豐富的周邊電路：除了強大的CPU內(nèi)核外，S1C33的周邊電路也很有特色，考慮到對嵌入式芯片SOC（System On Chip）的要求，EPSON公司在設計中在單片機內(nèi)集成了許多周邊電路，用戶在開發(fā)中，基本不需增加許多外部器件就可構(gòu)成完整的系統(tǒng)，大大減少了系統(tǒng)成本和設計復雜度。以本文將要用到的S1C33209為例，它包括8KSRAM、直接內(nèi)存存取控制器DMAC、中斷控制器ITC、可編程定時器計數(shù)器Programmable Timer、脈寬調(diào)制電路PWM、串行接口電路SIO、A/D轉(zhuǎn)換器等等，還包含高速的晶振電路OSC3、鎖相環(huán)（PLL）、低速晶振電路和一個實時時鐘。

C.低功耗：功耗是很多嵌入式系統(tǒng)設計必須考慮的問題，S1C33 CPU支持三種類型的省電模式：兩種HALT模式和一種SLEEP模式；此外，S1C33中時鐘電路設計有一個預分頻器（PSC），時鐘信號經(jīng)預分頻器分頻輸出合適的工作頻率到Timer、SIO、AD等，這樣芯片每個功能模塊都工作在合適的頻率上，系統(tǒng)功耗可降到最低。

D.良好的性價比：S1C33 CPU核非常小，邏輯門數(shù)在100K左右，并采用0.35um及以上加工工藝，使CPU core占用的芯片的面積較小，以達到良好的性價比。

E.獨特的ASIC Micro（門陣結(jié)構(gòu)CPU）：S1C33 Core CPU和周邊電路都是用與非門單元組成的ASIC宏單元，這樣的設計使S1C33在芯片設計上有很大的靈活性，S1C33209芯片內(nèi)部有20K用戶可以自定義的門陣列（Gate Array）電路。

ASIC是ApplicationSpecificIntegratedCircuit的英文縮寫，在集成電路界被認為是一種為專門目的而設計的集成電路。目前，在集成電路界ASIC被認為是一種為專門目的而設計的集成電路。是指應特定用戶要求和特定電子系統(tǒng)的需要而設計、制造的集成電路。ASIC的特點是面向特定用戶的需求，ASIC在批量生產(chǎn)時與通用集成電路相比具有體積更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增強、成本降低等優(yōu)點。

下面我們采用S1C33209，設計一個探測系統(tǒng)。

2.系統(tǒng)描述及組成

我們的目標是設計一個功耗低、易于擴展、體積小的便攜設備，探測系統(tǒng)需要測量參數(shù)包括PH值、溶解氧、化學元素、深度等。測控系統(tǒng)工作時需要接收來自上位機控制中心的命令，要求將采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位機，兩者的最大通信距離大于5Km.由于CAN總線具有較高的可靠性、實時性和靈活性，其最大通信距離可到達10Km，受干擾概率低，因此我們采用CAN總線作為通信方式。


圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，CAN采用雙絞線，信號以差分電壓傳送。SJA1000一端與單片機相連，另一端與CAN總線相連。為了提高單片機對CAN總線的驅(qū)動能力，把PCA82C250作為CAN控制器和物理總線間的接口，以提高對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力，其工作方式（高速方式和斜率方式）由引腳RS控制，RS接地為高速，RS串接一個電阻后再接地，用于控制上升和下降斜率，可以減少射頻干擾。系統(tǒng)從功能上分為兩個主要部分：測控子模塊和通信子模塊。測控子模塊主要功能是根據(jù)命令啟動系統(tǒng)并完成參數(shù)提取、數(shù)據(jù)處理、存儲及發(fā)送等操作，為了滿足探測系統(tǒng)多路數(shù)據(jù)的快速采集與分析的特殊要求，該模塊以EPSON公司的S1C33209為核心，擴展信號調(diào)理電路及與CAN總線的接口；通信子模塊的功能是完成水下測控系統(tǒng)與上位機的通信，此模塊主要是Philips公司的SJA1000型CAN控制器。

SJA1000是一種獨立的CAN控制器，主要用于移動目標和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡控制。它是Philips半導體公司PCA82C200 CAN控制器（BasicCAN）的替代產(chǎn)品，而且它增加了一種新的操作模式——PeliCAN，這種模式支持具有很多新特性的CAN 2.0B協(xié)議。

3.軟件設計

在32位機系統(tǒng)中，由于軟件較復雜，基于操作系統(tǒng)的軟件開發(fā)占有重要地位。操作系統(tǒng)的作用是負責整個系統(tǒng)的任務調(diào)度、存儲分配、時鐘管理和中斷管理，并提供文件管理等基本服務，S1C33 32位芯片使用EPSON公司的ROS33操作系統(tǒng)，其核心為廣泛應用于各種嵌入式系統(tǒng)的iTron 3.0 OS Kernel，ROS33 Kernel具有：支持μITRON 3.0標準、內(nèi)核優(yōu)化并緊湊（最小可為1.7k）、響應快（CPU主頻為33MHz時，最快調(diào)度響應時間為7.8μs）、支持基于ANSI標準的C語言等特點。本設計的主應用程序框架如下：

#include "ros33.h"

void main（）

{

sys_ini（）；//用于初始化ROS33所用的參數(shù)和資源

vcre_tsk（task ID， task startup address， priority， initial address of stack）；//定義被執(zhí)行的任務

…

sta_tsk（task ID， task startup code）；//激活執(zhí)行

…

sys_sta（）；

}

該系統(tǒng)通信協(xié)議采用"ID+命令+數(shù)據(jù)+校驗"的形式，其中，ID為網(wǎng)絡設備標識符，采用ID.18~ID.20.標識符ID.21~ID.28作為固定命令，不參與驗收濾波。數(shù)據(jù)表示通信的具體內(nèi)容，校驗采用校驗和的形式，為1個字節(jié)。由于CAN總線本身有15位CRC校驗，并且本系統(tǒng)節(jié)點數(shù)較少，競爭不會十分激烈，所以通信可靠性較高。

軟件設計思路如下：系統(tǒng)上電后，S1C33209先對自身和SJA1000初始化，以確定工作主頻、波特率及輸出特性等，然后接收來自上位機的控制命令，同時將獲取的采用數(shù)據(jù)通過SJA1000傳送到CAN總線上或備份到Flash存儲器中。其中對SJA1000初始化是設計的重點，必須對寫入每個寄存器的內(nèi)容進行仔細和全面考慮，否則系統(tǒng)將無法正常工作。設上位機SJA1000適配卡的ACR為xx20，AMR為FF00，下位機測控中心SJA1000的ACR為xx40，AMR為FF00.下面是初始化程序：

Void CAN_Init（viod）

{ CANMODE=ox09； //進入復位模式，單項驗收濾波，對SJA1000初始化

CANCDR=0x88； //選擇PeilCAN模式

CANIER=0x1A； //開放接收中斷、超載中斷和錯誤中斷

CANAMR0=0xFF； //接收屏蔽寄存器內(nèi)容在單片機RAM中的值

CANACR1=0x40；

CANBTR0=0x03； //總線定時寄存器

CANBTR1=0xFF；

CANOCR=0xAA； //輸出控制寄存器

CANMODE=0x08； //返回工作狀態(tài)

CAN是控制器局域網(wǎng)絡（ControllerAreaNetwork，CAN）的簡稱，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)了的，并最終成為國際標準（ISO118？8）。是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標準總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機械車輛設計的J1939協(xié)議。近年來，其所具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應用于汽車計算機控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)境。

由于測控系統(tǒng)對通信實時性要求較高，一旦接收到來自上位機的控制命令必須及時響應，為此CAN總線上接收信息采用中斷方式，即SJA1000無錯地接收到信息后使INT變?yōu)榈碗娖?，下降沿觸發(fā)S1C33209外部中斷0，使其進入中斷服務程序，其流程如圖2所示。


圖2接收流程圖

如果要向CAN控制器發(fā)送數(shù)據(jù)，則必須將符合PeiCAN幀格式的一組數(shù)據(jù)寫入SJA1000的發(fā)送緩沖區(qū)，然后調(diào)用發(fā)送子程序，我們采用查詢方式實現(xiàn)發(fā)送，如圖3流程所示。


圖3發(fā)送流程圖

4.結(jié)束語

為了進行資源開發(fā)，對海洋油田進行探測及對污染進行監(jiān)測和預防，本文采用EPSON公司的32位單片機S1C33209和SJA1000型控制器設計了一個探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有高速、功耗低、體積小、易于擴展的特點，實驗表明，系統(tǒng)與上位機通信可靠，基本可以滿足實際需要。