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帶8051內(nèi)核的系統(tǒng)級(jí)ADC芯片MSC1210介紹及應(yīng)用
摘要：介紹德州儀器公司最近出品的帶有高性能8051內(nèi)核的系統(tǒng)級(jí)ADC芯片——MSC1210。說(shuō)明8051內(nèi)核單片機(jī)的特點(diǎn)、懷能以及片上Flash、24位高精度A/D轉(zhuǎn)換器的使用方法。利用MSC1210豐富的片上資源，可以很簡(jiǎn)單地構(gòu)建精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：MSC1210 SoC 24位ADC FGA
MSC1210是德州儀器公司推出的系統(tǒng)級(jí)高精度ADC芯片系列，內(nèi)置24位低功∑—ΔADC前端信號(hào)調(diào)理電路—多路模擬開(kāi)關(guān)、緩沖器、PGA、電壓參考，且集成了高性能8051處理器內(nèi)核、Flash存儲(chǔ)器和32位累加器、兼容SPI串口等多片上外設(shè)。對(duì)于要求何種小、集成度高、精度高的測(cè)量系統(tǒng)，MSC1210是理想的選擇。
MSC1210的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
1 MSC1210中高性能8051內(nèi)核介紹
MSC1210系列芯片的所有指令與標(biāo)準(zhǔn)801兼容，相同各標(biāo)志位、功能寄存器的功能也是一致的。但MSC1210在速度上有很大的提高：對(duì)于同樣的外部時(shí)鐘，指令執(zhí)行速度提高1.5～3倍，這就使用戶可以使用較低的外部時(shí)鐘，以降低系統(tǒng)的哭聲和功耗。此外，MSC1210相對(duì)8051單片機(jī)還新增了一些功能寄存器，以完成對(duì)外設(shè)的控制功能。如可編程看門狗定時(shí)器，對(duì)系統(tǒng)程序的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控，確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行。片上具有兩個(gè)全雙工的UART，使得在開(kāi)發(fā)模式有一個(gè)串口被占用的情況下，仍有一個(gè)可留給用戶使用。增加的帶有FIFO的SPI接口和PWM，為特定應(yīng)用提供了極大的方便。
MSC1210還提供了雙數(shù)據(jù)指針，可以加速整塊數(shù)據(jù)的移動(dòng)。在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，還可以使訪問(wèn)周期延展2～9個(gè)指令周期，以適應(yīng)不同的外設(shè)速度。32位的累加器也可顯著地減少系統(tǒng)開(kāi)銷。它可在幾個(gè)指令周期內(nèi)完成24位ADC結(jié)果的加法或移位操作，而同樣的操作用軟件完成則需要上百個(gè)指令周期。
MSC1210內(nèi)部的時(shí)鐘控制電路可以方便地設(shè)置不同的時(shí)鐘信號(hào)。其秒、毫秒、微秒定時(shí)中斷寄存器可以為系統(tǒng)定時(shí)控制提供方便，如設(shè)置內(nèi)部Flash擦除時(shí)間、寫(xiě)入時(shí)間。MSC1210的所有I/O口都可以通過(guò)寄存器，配置成標(biāo)準(zhǔn)8051（上拉）、CMOS輸出、漏極開(kāi)路輸出、輸入四種方式中的一種。
圖1
2 MSC1210中存儲(chǔ)器配置和使用
MSC1210的片內(nèi)存儲(chǔ)器包括：特殊功能豁口（SFR），F(xiàn)lash寄存器，Scratchpad RAM,Boot Rom和SRAM。MSC1210內(nèi)置256字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和128字節(jié)的SFR，這與8051內(nèi)核單片機(jī)是相同的；唯一的區(qū)別是MSC1210定義了更多的特殊功能寄存器。MSC1210的位地址空間也與8051相同，內(nèi)部RAM中的20H～2FH以及SFR中以0或8結(jié)尾的字節(jié)，都是可位尋址的。
MSC1210中還有2KB的Boot Rom,用來(lái)控制串/并行編程時(shí)的操作。當(dāng)Boot Rom使能時(shí)，其中的程序在用戶模式下是可以訪問(wèn)的，這時(shí)，它的程序被定位在F800H～FFFFH；而在編程模式下，Boot Rom被定位在程序存儲(chǔ)器開(kāi)始的2KB中。Boot Rom中含有一些調(diào)試編程常用的程序，如：
void autobaud(void);//設(shè)置波特率
char write_flash_chk(int fadd,char fdat,char fdm);//寫(xiě)Flash并校驗(yàn)
根據(jù)型號(hào)的不同，MSC1210系列有4KB到32KB的Flash存儲(chǔ)器。此外，片內(nèi)還提供1KB的SRAM作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。它也是通過(guò)MOVX指令訪問(wèn)的。SRAM的地址可從0000H或8000H開(kāi)始，而Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址緊接SRAM。
Flash存儲(chǔ)器作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用前，首先要對(duì)硬件寄存器0（HCR0）的低3位進(jìn)行設(shè)置，分配數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的大小。根據(jù)晶振頻率，設(shè)置MSEC和USEC寄存器來(lái)提供Flash存儲(chǔ)器的擦除和寫(xiě)時(shí)間。擦除和寫(xiě)入可以直接調(diào)用Boot Rom中的程序，編程示意代碼如下：
#include<stdio.h> //頭文件引用
#include<msc1210.h>
#include“rom1210.h”
#define PAGESTART 0x0400 //定義進(jìn)行改寫(xiě)的頁(yè)面
#define PAGESIZE 0x80
char xdata*Pflashpage;定義指向此頁(yè)面的指針
char xdata buffer[PAGESIZE];//在XRAM里開(kāi)辟緩沖區(qū)
int main()
{char result;unsigned char i;
autobaud();//調(diào)用BootRom中子程序，自動(dòng)設(shè)置波特率，與計(jì)算機(jī)通信，返回調(diào)試信息
Pflashpage=(char xdata*)PAGESTART
USEC=12-1;MSEC=12000-1; //以12MHz晶振為例，設(shè)置
………… //毫秒、微秒寄存器
for(i=0;i<pagesize;i++)//從Flash中讀取一個(gè)頁(yè)面到XRAM
buffer[i]=*Pflashpage++;
buffer[0]+=1; //改變首字節(jié)值以重新寫(xiě)入
page_erase(PAGESTART,0XFF,DATA_FLASH);//擦除頁(yè)面內(nèi)容，BootRom內(nèi)帶程序
result=0;
for(i=0;i<pagesize;i++)
result=result|write_flash_chk(pagestart+i,buffer[i],DATA_FLASH);//將修改后的數(shù)據(jù)寫(xiě)入，Boot Rom內(nèi)帶程序
3 高性能24位ADC及其應(yīng)用
MSC1210內(nèi)帶8路24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，自身可實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)、輸入源泉開(kāi)路短路檢測(cè)、增益和漂移校準(zhǔn)等。內(nèi)核中的32位累加器可實(shí)現(xiàn)24位結(jié)果的快速累加計(jì)算。
輸入多路轉(zhuǎn)換器將切換多路模擬輸入信號(hào)到輸入緩沖器。共有9路輸入信號(hào)，其中1路為片內(nèi)溫度傳感器信號(hào)，其余8路每路輸入可設(shè)置單極性輸入或差分輸入，通過(guò)ADMUX寄存器可隨意配置其輸入信號(hào)的正確與負(fù)端。片內(nèi)配置有模擬輸入緩沖，當(dāng)使用輸入緩沖時(shí)，典型輸入阻抗為10GΩ；當(dāng)不使用模擬輸入緩沖時(shí)，輸入阻抗（單位為Ω）由時(shí)鐘頻率與增益決定：
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PGA的增益可以設(shè)置為2 n(n=0～7)。通過(guò)PGA的使用，可以用效提高A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的分辨率。如輸入信號(hào)幅度為40mV，設(shè)置PGA=128，最小分辨率可達(dá)75nV。PGA的模擬輸入可以通過(guò)設(shè)置ODAC寄存器進(jìn)行偏置，最大偏置為輸入范圍的一半。
ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)在ADRESH（高字節(jié)）、ADRESM（中字節(jié)）、ADRESL（低字節(jié)）中，配合總和寄存器和移位寄存器，可以方便地實(shí)現(xiàn)多次測(cè)量結(jié)果的累加和平均�？偤图拇嫫魇�1個(gè)32位的值，被分為SUMR0（LSB）、SUMR1、SUMR2、SUMR3（MSB），可以進(jìn)行最大256次測(cè)量結(jié)果的累加和平均。當(dāng)然，要得到測(cè)量結(jié)果的平均值，應(yīng)當(dāng)使累加次數(shù)和平均次數(shù)一致。通過(guò)SSCON寄存器，可以設(shè)置成以下4種工作方式。
方式0：手動(dòng)累加，每次測(cè)量完畢，將測(cè)量結(jié)果寫(xiě)入總和寄存器，完成累加。
方式1：ADC自動(dòng)累加，根據(jù)SSCON中設(shè)置的累加次數(shù)，自動(dòng)將測(cè)量結(jié)果累加到總和寄存器。
方式2：手動(dòng)求平均值，將總和寄存器中的值除以次數(shù)，得到測(cè)量結(jié)果。
方式3：ADC自動(dòng)累加后求平均，根據(jù)SSCON中設(shè)置的累加次數(shù)，自動(dòng)完成測(cè)量結(jié)果的累加后求平均值。
下面的示意代碼完成ADC高精度測(cè)量過(guò)程。單次測(cè)量結(jié)果可以通過(guò)直接讀取ADRESH、ADRESM、ADRESL得到。
//設(shè)置ADC
PDCON&=0x0f7; //打開(kāi)轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)時(shí)鐘開(kāi)啟
ACLK=9； //設(shè)置ACLK頻率
ADMUX=0x08; //選擇第一通道正極性，AINCON負(fù)極性
ADCON0=0x30;//選擇片內(nèi)參考電壓1.25V，關(guān)閉緩沖器，PGA=1
ADCON1=0x41;//單極性，濾波器自動(dòng)模式，自校準(zhǔn)
for(i=0;i<4;i++) //四個(gè)采樣周期自校準(zhǔn)
{while(!(AIE&0X20));
resultl=ADRESL;
resultm=ADRESM;
resulth=ADRESH;}
SSCON=0XDB; //方式3，ADC自動(dòng)累加后求平均，采樣16次累加
While(!(AISTAT&0X40));//等待16次采樣結(jié)果被累加完成
SMU=（SUMR3〈〈24〉+（SUMR2〈〈16〉+（SUMR1<<8）+SUMR0;
4 MSC1210調(diào)試方式
MSC1210可以通過(guò)串口對(duì)Flash編程，內(nèi)部Boot Rom中提供了調(diào)試用的相關(guān)函數(shù)，避免了購(gòu)買昂貴的開(kāi)發(fā)設(shè)備，使基于MSC1210的開(kāi)發(fā)變得非常簡(jiǎn)單。
硬件方面需要在開(kāi)發(fā)板上加一個(gè)RS232轉(zhuǎn)換芯片，將MSC1210的串口和計(jì)算機(jī)串口之間連接起來(lái)；同時(shí)，設(shè)置上電時(shí)ALE和PSEN的狀態(tài)來(lái)確定其編程/工作方式。MSC1210有串行和并行兩種編程模式：PSEN=0、ALE=1時(shí)，為串行模式，即在線編程；PSEN=1、ALE=0時(shí)，為并行模式，要用到第三方的編程器。當(dāng)二者皆為高電平時(shí)，為一般用戶模式。一般用戶模式允許對(duì)Flash程序存儲(chǔ)器和Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器編程。如復(fù)位時(shí)檢測(cè)到一般模式，則編程模式結(jié)束。
軟件方面，TI公司提供了TI Downloader插件，可以直接與Keil配置使用。安裝完成TI download后，打開(kāi)Keil,在Tools里面選擇Customize Tools Menu,添加TI Downloader插件，并對(duì)其進(jìn)行配置，如圖2所示。
在Argument選項(xiàng)中，可以填入的參數(shù)為[/Ffilename][/Xcrystal freq.][/Poort][/Bbaud reat][/Hhwdconfig][/Tterm]
/Ffile:目標(biāo)文件（.hex格式），在Keil環(huán)境中會(huì)自動(dòng)用項(xiàng)目的目標(biāo)文件代替（必選項(xiàng)）。
/Xfeq:MSC1210晶振頻率（必選），X11指11.0592MHz。
/Pport:PC串口選擇（必選須）。
/Bbaud:波特率（可選項(xiàng)）。
/H：如果設(shè)置該選項(xiàng)，則硬件寄存器被編程。
/T：如果設(shè)置該選項(xiàng)，下載完成后將弱出調(diào)試終端窗口（可選項(xiàng)）。
硬件配置寄存器（HCR0/HCR1）只能在編程模式下進(jìn)行改寫(xiě)。此時(shí)，HCR0的地址為代碼區(qū)807FH，HCR1的地址為807EH。通過(guò)如下程序進(jìn)行配置（HCR0、HCR1各內(nèi)容參見(jiàn)MSC1210 Datasheet）:
CSEG AT0807EH ；代碼區(qū)地址設(shè)定
DB 0FCH ；HCR1的配置內(nèi)容
DB 0FFH ；HCR0的配置內(nèi)容
5 總結(jié)
MSC1210以其優(yōu)越的模擬和數(shù)字性能，可以輕松地構(gòu)建高精度測(cè)量系統(tǒng)。我們以MSC1210為核心，輔以少量的外圍設(shè)備，設(shè)計(jì)了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組接地位置檢測(cè)儀。充分利用了MSC1210的高精度優(yōu)勢(shì)，使故障定位的準(zhǔn)確度有了很大提高。可以預(yù)見(jiàn)，MSC1210是便攜式高精度測(cè)量系統(tǒng)的最佳選擇。
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