基于单片机和CAN控制器的嵌入式系统设计

1. 引言
单片机作为嵌入式设备的心脏，在从消费电子到工业应用等广泛的领域中得到应用。从单片机的历史来看，随着嵌入式设备对单片机功能和性能的要求提高，其经历了从4位机到8位机的发展过程。目前嵌入式产品的不断发展，8bit单片机的处理能力面对越来越多的挑战。而32bit单片机在嵌入式领域得到越来越多的应用。根据市场的发展，EPSON 公司专为高级数据处理的便携式设备推出了32位MCU（Microcontroller Unit ）S1C33 系列，下面简单介绍一下EPSON 32 位单片机的特点：
A. 强大的CPU内核：S1C33采用RISC（精简指令集）结构，三级流水线，105条16位长指令，其大多数指令在一个时钟周期内执行，大大提高了指令的执行效率。
B. 丰富的周边电路：除了强大的CPU内核外，S1C33的周边电路也很有特色，考虑到对嵌入式芯片SOC（System On Chip）的要求，EPSON 公司在设计中在单片机内集成了许多周边电路，用户在开发中，基本不需增加许多外部器件就可构成完整的系统，大大减少了系统成本和设计复杂度。以本文将要用到的S1C33209为例，它包括8KSRAM、直接内存存取控制器DMAC、 中断控制器ITC、可编程定时器计数器Programmable Timer、脉宽调制电路PWM、串行接口电路SIO、A/D 转换器等等，还包含高速的晶振电路OSC3、锁相环（PLL）、低速晶振电路和一个实时时钟。
C. 低功耗：功耗是很多嵌入式系统设计必须考虑的问题，S1C33 CPU支持三种类型的省电模式：两种HALT模式和一种SLEEP模式；此外，S1C33 中时钟电路设计有一个预分频器（PSC），时钟信号经预分频器分频输出合适的工作频率到Timer、SIO、AD等，这样芯片每个功能模块都工作在合适的频率上，系统功耗可降到最低。
D. 良好的性价比：S1C33 CPU核非常小，逻辑门数在100K左右，并采用0.35um及以上加工工艺，使CPU core占用的芯片的面积较小，以达到良好的性价比。
E. 独特的ASIC Micro（门阵结构CPU）：S1C33 Core CPU和周边电路都是用与非门单元组成的ASIC宏单元，这样的设计使S1C33在芯片设计上有很大的灵活性，S1C33209芯片内部有20K用户可以自定义的门阵列（Gate Array）电路。
下面我们采用S1C33209，设计一个探测系统。
2. 系统描述及组成
我们的目标是设计一个功耗低、易于扩展、体积小的便携设备，探测系统需要测量参数包括PH值、溶解氧、化学元素、深度等。测控系统工作时需要接收来自上位机控制中心的命令，要求将采集到的数据传送到上位机，两者的最大通信距离大于5Km。由于CAN总线具有较高的可靠性、实时性和灵活性，其最大通信距离可到达10Km，受干扰概率低，因此我们采用CAN总线作为通信方式。

图1 系统总体结构图

系统总体结构如图1所示，CAN采用双绞线，信号以差分电压传送。SJA1000一端与单片机相连，另一端与CAN总线相连。为了提高单片机对CAN总线的驱动能力，把PCA82C250作为CAN控制器和物理总线间的接口，以提高对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力，其工作方式（高速方式和斜率方式）由引脚RS控制，RS接地为高速，RS串接一个电阻后再接地，用于控制上升和下降斜率，可以减少射频干扰。系统从功能上分为两个主要部分：测控子模块和通信子模块。测控子模块主要功能是根据命令启动系统并完成参数提取、数据处理、存储及发送等操作，为了满足探测系统多路数据的快速采集与分析的特殊要求，该模块以EPSON公司的S1C33209为核心，扩展信号调理电路及与CAN总线的接口；通信子模块的功能是完成水下测控系统与上位机的通信，此模块主要是Philips公司的SJA1000型CAN控制器。
SJA1000是一款独立的CAN控制器，主要用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制，它是PCA82C200型CAN控制器的替代产品，增加了PeliCAN操作模式，支持CAN2.0B协议。在本文中它与单片机的接口比较简单，单片机可以以访问外部存储器的方式来访问SJA1000，由于SJA1000内部寄存器分布在连续的地址内，所以完全可以把SJA1000当作外部RAM。