單片機和CAN控制器在嵌入式系統中的應用

1.引言

單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規模集成電路技術(shù)把具有數據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、定時(shí)器/計時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅動(dòng)電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個(gè)小而完善的計算機系統。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)：

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據。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(shí)現它們之間聯(lián)系的數據、控制及狀態(tài)的總線(xiàn)構成。差不多所有的CPU的運作原理可分為四個(gè)階段：提?。‵etch）、解碼（Decode）、執行（Execute）和寫(xiě)回（Writeback）。

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。

ASIC是ApplicationSpecificIntegratedCircuit的英文縮寫(xiě)，在集成電路界被認為是一種為專(zhuān)門(mén)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(zhuān)門(mén)目的而設計的集成電路。是指應特定用戶(hù)要求和特定電子系統的需要而設計、制造的集成電路。ASIC的特點(diǎn)是面向特定用戶(hù)的需求，ASIC在批量生產(chǎn)時(shí)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(diǎn)。

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是一種獨立的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位機系統中，由于軟件較復雜，基于操作系統的軟件開(kāi)發(fā)占有重要地位。操作系統的作用是負責整個(gè)系統的任務(wù)調度、存儲分配、時(shí)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，其核心為廣泛應用于各種嵌入式系統的iTron 3.0 OS Kernel，ROS33 Kernel具有：支持μITRON 3.0標準、內核優(yōu)化并緊湊（最小可為1.7k）、響應快（CPU主頻為33MHz時(shí)，最快調度響應時(shí)間為7.8μs）、支持基于A(yíng)NSI標準的C語(yǔ)言等特點(diǎn)。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所用的參數和資源

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

…

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

…

sys_sta（）；

}

該系統通信協(xié)議采用ID+命令+數據+校驗的形式，其中，ID為網(wǎng)絡(luò )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。數據表示通信的具體內容，校驗采用校驗和的形式，為1個(gè)字節。由于CAN總線(xiàn)本身有15位CRC校驗，并且本系統節點(diǎn)數較少，競爭不會(huì )十分激烈，所以通信可靠性較高。

軟件設計思路如下：系統上電后，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(lái)自上位機的控制命令，同時(shí)將獲取的采用數據通過(guò)SJA1000傳送到CAN總線(xiàn)上或備份到Flash存儲器中。其中對SJA1000初始化是設計的重點(diǎn)，必須對寫(xiě)入每個(gè)寄存器的內容進(jìn)行仔細和全面考慮，否則系統將無(wú)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(jìn)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(kāi)放接收中斷、超載中斷和錯誤中斷

CANAMR0=0xFF； //接收屏蔽寄存器內容在單片機RAM中的值

CANACR1=0x40；

CANBTR0=0x03； //總線(xiàn)定時(shí)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(luò )（ControllerAreaNetwork，CAN）的簡(jiǎn)稱(chēng)，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車(chē)電子產(chǎn)品著(zhù)稱(chēng)的德國B(niǎo)OSCH公司開(kāi)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場(chǎng)總線(xiàn)之一。在北美和西歐，CAN總線(xiàn)協(xié)議已經(jīng)成為汽車(chē)計算機控制系統和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標準總線(xiàn)，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專(zhuān)為大型貨車(chē)和重工機械車(chē)輛設計的J1939協(xié)議。近年來(lái)，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(chē)計算機控制系統和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境。

由于測控系統對通信實(shí)時(shí)性要求較高，一旦接收到來(lái)自上位機的控制命令必須及時(shí)響應，為此CAN總線(xiàn)上接收信息采用中斷方式，即SJA1000無(wú)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(jìn)入中斷服務(wù)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)送數據，則必須將符合PeiCAN幀格式的一組數據寫(xiě)入SJA1000的發(fā)送緩沖區，然后調用發(fā)送子程序，我們采用查詢(xún)方式實(shí)現發(fā)送，如圖3流程所示。


圖3發(fā)送流程圖