單片機(jī)和CAN控制器在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.引言

單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。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)：

中央處理器（英文CentralProcessingUnit，CPU）是一臺(tái)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算核心和控制核心。CPU、內(nèi)部存儲(chǔ)器和輸入/輸出設(shè)備是電子計(jì)算機(jī)三大核心部件。電腦中所有操作都由CPU負(fù)責(zé)讀取指令，對(duì)指令譯碼并執(zhí)行指令的核心部件。其功能主要是解釋計(jì)算機(jī)指令以及處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。所謂的計(jì)算機(jī)的可編程性主要是指對(duì)CPU的編程。CPU由運(yùn)算器、控制器和寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)的總線構(gòu)成。差不多所有的CPU的運(yùn)作原理可分為四個(gè)階段：提取（Fetch）、解碼（Decode）、執(zhí)行（Execute）和寫(xiě)回（Writeback）。

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.良好的性價(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)到良好的性價(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(rèn)為是一種為專(zhuān)門(mén)目的而設(shè)計(jì)的集成電路。目前，在集成電路界ASIC被認(rèn)為是一種為專(zhuān)門(mén)目的而設(shè)計(jì)的集成電路。是指應(yīng)特定用戶要求和特定電子系統(tǒng)的需要而設(shè)計(jì)、制造的集成電路。ASIC的特點(diǎn)是面向特定用戶的需求，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(qiáng)、成本降低等優(yōu)點(diǎn)。

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是一種獨(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Philips半導(dǎo)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(shè)計(jì)

在32位機(jī)系統(tǒng)中，由于軟件較復(fù)雜，基于操作系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)占有重要地位。操作系統(tǒng)的作用是負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度、存儲(chǔ)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(tǒng)，其核心為廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)的iTron 3.0 OS Kernel，ROS33 Kernel具有：支持μITRON 3.0標(biāo)準(zhǔn)、內(nèi)核優(yōu)化并緊湊（最小可為1.7k）、響應(yīng)快（CPU主頻為33MHz時(shí)，最快調(diào)度響應(yīng)時(shí)間為7.8μs）、支持基于ANSI標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)的主應(yīng)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(shù)和資源

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

…

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

…

sys_sta（）；

}

該系統(tǒng)通信協(xié)議采用ID+命令+數(shù)據(jù)+校驗(yàn)的形式，其中，ID為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備標(biāo)識(shí)符，采用ID.18~ID.20.標(biāo)識(shí)符ID.21~ID.28作為固定命令，不參與驗(yàn)收濾波。數(shù)據(jù)表示通信的具體內(nèi)容，校驗(yàn)采用校驗(yàn)和的形式，為1個(gè)字節(jié)。由于CAN總線本身有15位CRC校驗(yàn)，并且本系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)較少，競(jìng)爭(zhēng)不會(huì)十分激烈，所以通信可靠性較高。

軟件設(shè)計(jì)思路如下：系統(tǒng)上電后，S1C33209先對(duì)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(jī)的控制命令，同時(shí)將獲取的采用數(shù)據(jù)通過(guò)SJA1000傳送到CAN總線上或備份到Flash存儲(chǔ)器中。其中對(duì)SJA1000初始化是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，必須對(duì)寫(xiě)入每個(gè)寄存器的內(nèi)容進(jìn)行仔細(xì)和全面考慮，否則系統(tǒng)將無(wú)法正常工作。設(shè)上位機(jī)SJA1000適配卡的ACR為xx20，AMR為FF00，下位機(jī)測(cè)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(fù)位模式，單項(xiàng)驗(yàn)收濾波，對(duì)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(cuò)誤中斷

CANAMR0=0xFF； //接收屏蔽寄存器內(nèi)容在單片機(jī)RAM中的值

CANACR1=0x40；

CANBTR0=0x03； //總線定時(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)品著稱(chēng)的德國(guó)BOSCH公司開(kāi)發(fā)了的，并最終成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO118？8）。是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車(chē)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專(zhuān)為大型貨車(chē)和重工機(jī)械車(chē)輛設(shè)計(jì)的J1939協(xié)議。近年來(lái)，其所具有的高可靠性和良好的錯(cuò)誤檢測(cè)能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境。

由于測(cè)控系統(tǒng)對(duì)通信實(shí)時(shí)性要求較高，一旦接收到來(lái)自上位機(jī)的控制命令必須及時(shí)響應(yīng)，為此CAN總線上接收信息采用中斷方式，即SJA1000無(wú)錯(cuò)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(shù)據(jù)，則必須將符合PeiCAN幀格式的一組數(shù)據(jù)寫(xiě)入SJA1000的發(fā)送緩沖區(qū)，然后調(diào)用發(fā)送子程序，我們采用查詢方式實(shí)現(xiàn)發(fā)送，如圖3流程所示。


圖3發(fā)送流程圖