基于單片機(jī)和CAN控制器的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1. 引言
單片機(jī)作為嵌入式設(shè)備的心臟，在從消費(fèi)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(jī)的歷史來(lái)看，隨著嵌入式設(shè)備對(duì)單片機(jī)功能和性能的要求提高，其經(jīng)歷了從4位機(jī)到8位機(jī)的發(fā)展過(guò)程。目前嵌入式產(chǎn)品的不斷發(fā)展，8bit單片機(jī)的處理能力面對(duì)越來(lái)越多的挑戰(zhàn)。而32bit單片機(jī)在嵌入式領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用。根據(jù)市場(chǎng)的發(fā)展，EPSON 公司專(zhuān)為高級(jí)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(jiǎn)單介紹一下EPSON 32 位單片機(jī)的特點(diǎn)：
A. 強(qiáng)大的CPU內(nèi)核：S1C33采用RISC（精簡(jiǎn)指令集）結(jié)構(gòu)，三級(jí)流水線，105條16位長(zhǎng)指令，其大多數(shù)指令在一個(gè)時(shí)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(qiáng)大的CPU內(nèi)核外，S1C33的周邊電路也很有特色，考慮到對(duì)嵌入式芯片SOC（System On Chip）的要求，EPSON 公司在設(shè)計(jì)中在單片機(jī)內(nèi)集成了許多周邊電路，用戶(hù)在開(kāi)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(jì)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(shí)器計(jì)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(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘。
C. 低功耗：功耗是很多嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮的問(wèn)題，S1C33 CPU支持三種類(lèi)型的省電模式：兩種HALT模式和一種SLEEP模式；此外，S1C33 中時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)有一個(gè)預(yù)分頻器（PSC），時(shí)鐘信號(hào)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(gè)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?xún)r(jià)比：S1C33 CPU核非常小，邏輯門(mén)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(dá)到良好的性?xún)r(jià)比。
E. 獨(dú)特的ASIC Micro（門(mén)陣結(jié)構(gòu)CPU）：S1C33 Core CPU和周邊電路都是用與非門(mén)單元組成的ASIC宏單元，這樣的設(shè)計(jì)使S1C33在芯片設(shè)計(jì)上有很大的靈活性，S1C33209芯片內(nèi)部有20K用戶(hù)可以自定義的門(mén)陣列（Gate Array）電路。
下面我們采用S1C33209，設(shè)計(jì)一個(gè)探測(cè)系統(tǒng)。
2. 系統(tǒng)描述及組成
我們的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)功耗低、易于擴(kuò)展、體積小的便攜設(shè)備，探測(cè)系統(tǒng)需要測(cè)量參數(shù)包括PH值、溶解氧、化學(xué)元素、深度等。測(cè)控系統(tǒng)工作時(shí)需要接收來(lái)自上位機(jī)控制中心的命令，要求將采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，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(shí)時(shí)性和靈活性，其最大通信距離可到達(dá)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(hào)以差分電壓傳送。SJA1000一端與單片機(jī)相連，另一端與CAN總線相連。為了提高單片機(jī)對(duì)CAN總線的驅(qū)動(dòng)能力，把PCA82C250作為CAN控制器和物理總線間的接口，以提高對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)CAN控制器的差動(dòng)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(gè)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(gè)主要部分：測(cè)控子模塊和通信子模塊。測(cè)控子模塊主要功能是根據(jù)命令啟動(dòng)系統(tǒng)并完成參數(shù)提取、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)及發(fā)送等操作，為了滿(mǎn)足探測(cè)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(kuò)展信號(hào)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(cè)控系統(tǒng)與上位機(jī)的通信，此模塊主要是Philips公司的SJA1000型CAN控制器。
SJA1000是一款獨(dú)立的CAN控制器，主要用于移動(dòng)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(jī)的接口比較簡(jiǎn)單，單片機(jī)可以以訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器的方式來(lái)訪問(wèn)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。