1. 引言
單片機(jī)作為嵌入式設(shè)備的心臟，在從消費(fèi)電子到工業(yè)應(yīng)用等廣泛的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。從單片機(jī)的歷史來(lái)看，隨著嵌入式設(shè)備對(duì)單片機(jī)功能和性能的要求提高，其經(jīng)歷了從4位機(jī)到8位機(jī)的發(fā)展過(guò)程。目前嵌入式產(chǎn)品的不斷發(fā)展，8bit單片機(jī)的處理能力面對(duì)越來(lái)越多的挑戰(zhàn)。而32bit單片機(jī)在嵌入式領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用。根據(jù)市場(chǎng)的發(fā)展，EPSON 公司專為高級(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)：
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（門陣結(jié)構(gòu)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(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陣列（Gate Array）電路。
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。

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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是一款獨(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PCA82C200型CAN控制器的替代產(chǎn)品，增加了PeliCAN操作模式，支持CAN2.0B協(xié)議。在本文中它與單片機(jī)的接口比較簡(jiǎn)單，單片機(jī)可以以訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器的方式來(lái)訪問(wèn)SJA1000，由于SJA1000內(nèi)部寄存器分布在連續(xù)的地址內(nèi)，所以完全可以把SJA1000當(dāng)作外部RAM。[!--empirenews.page--]

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7.8 µs）、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)
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)榈碗娖剑陆笛赜|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。
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圖2 接收流程圖[!--empirenews.page--]

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。
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圖3 發(fā)送流程圖

4. 結(jié)束語(yǔ)
為了進(jìn)行資源開(kāi)發(fā)，對(duì)海洋油田進(jìn)行探測(cè)及對(duì)污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)防，本文采用EPSON公司的32位單片機(jī)S1C33209和SJA1000型控制器設(shè)計(jì)了一個(gè)探測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有高速、功耗低、體積小、易于擴(kuò)展的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)與上位機(jī)通信可靠，基本可以滿足實(shí)際需要。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文結(jié)合EPSON公司的32位單片機(jī)S1C33209功耗低、豐富的周邊電路、開(kāi)發(fā)方便等特點(diǎn)，以S1C33209和SJA1000型控制器為核心，實(shí)際開(kāi)發(fā)了一種探測(cè)系統(tǒng)。