基于單片機和CAN控制器的嵌入式系統(tǒng)

1. 引言
單片機作為嵌入式設(shè)備的心臟，在從消費電子到工業(yè)應(yīng)用等廣泛的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。從單片機的歷史來看，隨著嵌入式設(shè)備對單片機功能和性能的要求提高，其經(jīng)歷了從4位機到8位機的發(fā)展過程。目前嵌入式產(chǎn)品的不斷發(fā)展，8bit單片機的處理能力面對越來越多的挑戰(zhàn)。而32bit單片機在嵌入式領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。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(shè)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：
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(shè)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(shè)計復(fù)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(shè)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(shè)計有一個預(yù)分頻器（PSC），時鐘信號經(jīng)預(yù)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(shè)計使S1C33在芯片設(shè)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。
下面我們采用S1C33209，設(shè)計一個探測系統(tǒng)。
2. 系統(tǒng)描述及組成
我們的目標(biāo)是設(shè)計一個功耗低、易于擴展、體積小的便攜設(shè)備，探測系統(tǒng)需要測量參數(shù)包括PH值、溶解氧、化學(xué)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。

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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是一款獨立的CAN控制器，主要用于移動目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制，它是PCA82C200型CAN控制器的替代產(chǎn)品，增加了PeliCAN操作模式，支持CAN2.0B協(xié)議。在本文中它與單片機的接口比較簡單，單片機可以以訪問外部存儲器的方式來訪問SJA1000，由于SJA1000內(nèi)部寄存器分布在連續(xù)的地址內(nèi)，所以完全可以把SJA1000當(dāng)作外部RAM。[!--empirenews.page--]

3. 軟件設(shè)計
在32位機系統(tǒng)中，由于軟件較復(fù)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(zé)整個系統(tǒng)的任務(wù)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(wù)，S1C33 32位芯片使用EPSON公司的ROS33操作系統(tǒng)，其核心為廣泛應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)、內(nèi)核優(yōu)化并緊湊（最小可為1.7k）、響應(yīng)快（CPU主頻為33MHz時，最快調(diào)度響應(yīng)時間為7.8 µs）、支持基于ANSI 標(biāo)準(zhǔn)的C語言等特點。本設(shè)計的主應(yīng)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(wù)
…
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(luò)設(shè)備標(biāo)識符，采用ID.18~ID.20。標(biāo)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(shè)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(shè)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(shè)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(fù)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)
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(yīng)，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(wù)程序，其流程如圖2所示。
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圖2 接收流程圖[!--empirenews.page--]

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。
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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(yù)防，本文采用EPSON公司的32位單片機S1C33209和SJA1000型控制器設(shè)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。

本文作者創(chuàng)新點：本文結(jié)合EPSON公司的32位單片機S1C33209功耗低、豐富的周邊電路、開發(fā)方便等特點，以S1C33209和SJA1000型控制器為核心，實際開發(fā)了一種探測系統(tǒng)。