基于單片機和CAN控制器的嵌入式系統設計

1. 引言
單片機作為嵌入式設備的心臟，在從消費電子到工業(yè)應用等廣泛的領(lǐng)域中得到應用。從單片機的歷史來(lái)看，隨著(zhù)嵌入式設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(guò)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(lái)越多的挑戰。而32bit單片機在嵌入式領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應用。根據市場(chǎng)的發(fā)展，EPSON 公司專(zhuān)為高級數據處理的便攜式設備推出了32位MCU（Microcontroller Unit ）S1C33 系列，下面簡(jiǎn)單介紹一下EPSON 32 位單片機的特點(diǎn)：
A. 強大的CPU內核：S1C33采用RISC（精簡(jiǎn)指令集）結構，三級流水線(xiàn)，105條16位長(cháng)指令，其大多數指令在一個(gè)時(shí)鐘周期內執行，大大提高了指令的執行效率。
B. 豐富的周邊電路：除了強大的CPU內核外，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成完整的系統，大大減少了系統成本和設計復雜度。以本文將要用到的S1C33209為例，它包括8KSRAM、直接內存存取控制器DMAC、 中斷控制器ITC、可編程定時(shí)器計數器Programmable Timer、脈寬調制電路PWM、串行接口電路SIO、A/D 轉換器等等，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設計必須考慮的問(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)鐘電路設計有一個(gè)預分頻器（PSC），時(shí)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(gè)功能模塊都工作在合適的頻率上，系統功耗可降到最低。
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?xún)r(jià)比。
E. 獨特的ASIC Micro（門(mén)陣結構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，這樣的設計使S1C33在芯片設計上有很大的靈活性，S1C33209芯片內部有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，設計一個(gè)探測系統。
2. 系統描述及組成
我們的目標是設計一個(gè)功耗低、易于擴展、體積小的便攜設備，探測系統需要測量參數包括PH值、溶解氧、化學(xué)元素、深度等。測控系統工作時(shí)需要接收來(lái)自上位機控制中心的命令，要求將采集到的數據傳送到上位機，兩者的最大通信距離大于5Km。由于CAN總線(xiàn)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10Km，受干擾概率低，因此我們采用CAN總線(xiàn)作為通信方式。

圖1 系統總體結構圖

系統總體結構如圖1所示，CAN采用雙絞線(xiàn)，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(xiàn)相連。為了提高單片機對CAN總線(xiàn)的驅動(dòng)能力，把PCA82C250作為CAN控制器和物理總線(xiàn)間的接口，以提高對總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送能力和對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。系統從功能上分為兩個(gè)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命令啟動(dòng)系統并完成參數提取、數據處理、存儲及發(fā)送等操作，為了滿(mǎn)足探測系統多路數據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，擴展信號調理電路及與CAN總線(xiàn)的接口；通信子模塊的功能是完成水下測控系統與上位機的通信，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(dòng)目標和一般工業(yè)環(huán)境中的區域網(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(jiǎn)單，單片機可以以訪(fǎng)問(wèn)外部存儲器的方式來(lái)訪(fǎng)問(wèn)SJA1000，由于SJA1000內部寄存器分布在連續的地址內，所以完全可以把SJA1000當作外部RAM。