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應用等廣泛的領域中得到應用。從單片機的歷史來看，隨著嵌入式設備對單片機功能和性能的要求提高，其經歷了從4位機到8位機的發展過程。目前嵌入式產品的不斷發展，8bit單片機的處理能力面對越來越多的挑戰。而32bit單片機在嵌入式領域得到越來越多的應用。根據市場的發展，EPSON 公司專為高級數據處理的便攜式設備推出了32位MCU（Microcontroller Unit ）S1C33 系列，下面簡單介紹一下EPSON 32 位單片機的特點：
A. 強大的CPU內核：S1C33采用RISC（精簡指令集）結構，三級流水線，105條16位長指令，其大多數指令在一個時鐘周期內執行，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，用戶在開發中，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（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，系統功耗可降到最低。
D. 良好的性價比：S1C33 CPU核非常小，邏輯門數在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，以達到良好的性價比。
E. 獨特的ASIC Micro（門陣結構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，設計一個探測系統。
2. 系統描述及組成
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，探測系統需要測量參數包括PH值、溶解氧、化學元素、深度等。測控系統工作時需要接收來自上位機控制中心的命令，要求將采集到的數據傳送到上位機，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 系統總體結構圖

系統總體結構如圖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命令啟動系統并完成參數提取、數據處理、存儲及發送等操作，為了滿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，主要用于移動目標和一般工業環境中的區域網絡控制，它是PCA82C200型CAN控制器的替代產品，增加了PeliCAN操作模式，支持CAN2.0B協議。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。