单片机和CAN控制器在嵌入式系统中的应用

1.引言

单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。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：

中央处理器（英文CentralProcessingUnit，CPU）是一台计算机的运算核心和控制核心。CPU、内部存储器和输入/输出设备是电子计算机三大核心部件。电脑中所有操作都由CPU负责读取指令，对指令译码并执行指令的核心部件。其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。所谓的计算机的可编程性主要是指对CPU的编程。CPU由运算器、控制器和寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线构成。差不多所有的CPU的运作原理可分为四个阶段：提取（Fetch）、解码（Decode）、执行（Execute）和写回（Writeback）。

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。

ASIC是ApplicationSpecificIntegratedCircuit的英文缩写，在集成电路界被认为是一种为专门目的而设计的集成电路。目前，在集成电路界ASIC被认为是一种为专门目的而设计的集成电路。是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。ASIC的特点是面向特定用户的需求，ASIC在批量生产时与通用集成电路相比具有体积更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增强、成本降低等优点。

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是一种独立的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Philips半导体公司PCA82C200 CAN控制器（BasicCAN）的替代产品，而且它增加了一种新的操作模式--PeliCAN，这种模式支持具有很多新特性的CAN 2.0B协议。