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。
3. 軟件設計
在32位機系統中，由于軟件較復雜，基于操作系統的軟件開發占有重要地位。操作系統的作用是負責整個系統的任務調度、存儲分配、時鐘管理和中斷管理，并提供文件管理等基本服務，S1C33 32位芯片使用EPSON公司的ROS33操作系統，其核心為廣泛應用于各種嵌入式系統的iTron 3.0 OS Kernel，ROS33 Kernel具有：支持µITRON 3.0標準、內核優化并緊湊（最小可為1.7k）、響應快（CPU主頻為33MHz時，最快調度響應時間為7.8 µs）、支持基于ANSI 標準的C語言等特點。本設計的主應用程序框架如下：
#include “ros33.h”
void main()
{
sys_ini(); //用于初始化ROS33所用的參數和資源
vcre_tsk(task ID, task startup address, priority, initial address of stack); //定義被執行的任務
…
sta_tsk(task ID, task startup code); //激活執行
…
sys_sta();
}
該系統通信協議采用“ID＋命令＋數據＋校驗”的形式，其中，ID為網絡設備標識符，采用ID.18~ID.20。標識符ID.21~ID.28作為固定命令，不參與驗收濾波。數據表示通信的具體內容，校驗采用校驗和的形式，為1個字節。由于CAN總線本身有15位CRC校驗，并且本系統節點數較少，競爭不會十分激烈，所以通信可靠性較高。
軟件設計思路如下：系統上電后，S1C33209先對自身和SJA1000初始化，以確定工作主頻、波特率及輸出特性等，然后接收來自上位機的控制命令，同時將獲取的采用數據通過SJA1000傳送到CAN總線上或備份到Flash存儲器中。其中對SJA1000初始化是設計的重點，必須對寫入每個寄存器的內容進行仔細和全面考慮，否則系統將無法正常工作。設上位機SJA1000適配卡的ACR為xx20，AMR為FF00，下位機測控中心SJA1000的ACR為xx40，AMR為FF00。下面是初始化程序：
Void CAN_Init(viod)
{ CANMODE=ox09; //進入復位模式，單項驗收濾波，對SJA1000初始化
CANCDR=0x88; //選擇PeilCAN模式
CANIER=0x1A; //開放接收中斷、超載中斷和錯誤中斷
CANAMR0=0xFF; //接收屏蔽寄存器內容在單片機RAM中的值
CANACR1＝0x40;
CANBTR0=0x03; //總線定時寄存器
CANBTR1=0xFF;
CANOCR=0xAA; //輸出控制寄存器
CANMODE=0x08; //返回工作狀態
由于測控系統對通信實時性要求較高，一旦接收到來自上位機的控制命令必須及時響應，為此CAN總線上接收信息采用中斷方式，即SJA1000無錯地接收到信息后使INT變為低電平，下降沿觸發S1C33209外部中斷0，使其進入中斷服務程序，其流程如圖2所示。
圖2 接收流程圖
如果要向CAN控制器發送數據，則必須將符合PeiCAN幀格式的一組數據寫入SJA1000的發送緩沖區，然后調用發送子程序，我們采用查詢方式實現發送，如圖3流程所示。
圖3 發送流程圖
4. 結束語
為了進行資源開發，對海洋油田進行探測及對污染進行監測和預防，本文采用EPSON公司的32位單片機S1C33209和SJA1000型控制器設計了一個探測系統，該系統具有高速、功耗低、體積小、易于擴展的特點，實驗表明，系統與上位機通信可靠，基本可以滿足實際需要。
本文作者創新點：本文結合EPSON公司的32位單片機S1C33209功耗低、豐富的周邊電路、開發方便等特點，以S1C33209和SJA1000型控制器為核心，實際開發了一種探測系統。