带8051内核的系统级ADC芯片MSC1210介绍及应用_单片机论文
关键词：msc1210 soc 24位adc fga
msc1210是德州仪器公司推出的系统级高精度adc芯片系列，内置24位低功∑—Δadc前端信号调理电路—多路模拟开关、缓冲器、pga、电压参考，且集成了高性能8051处理器内核、flash存储器和32位累加器、兼容spi串口等多片上外设。对于要求何种小、集成度高、精度高的测量系统，msc1210是理想的选择。
msc1210的系统结构框图如图1所示。
1 msc1210中高性能8051内核介绍
msc1210系列芯片的所有指令与标准801兼容，相同各标志位、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：对于同样的外部时钟，指令执行速度提高1.5～3倍，这就使用户可以使用较低的外部时钟，以降低系统的哭声和功耗。此外，msc1210相对8051单片机还新增了一些功能寄存器，以完成对外设的控制功能。如可编程看门狗定时器，对系统程序的运行进行监控，确保系统可靠运行。片上具有两个全双工的uart，使得在开发模式有一个串口被占用的情况下，仍有一个可留给用户使用。增加的带有fifo的spi接口和pwm，为特定应用提供了极大的方便。
msc1210还提供了双数据指针，可以加速整块数据的移动。在访问外部数据存储器时，还可以使访问周期延展2～9个指令周期，以适应不同的外设速度。32位的累加器也可显著地减少系统开销。它可在几个指令周期内完成24位adc结果的加法或移位操作，而同样的操作用软件完成则需要上百个指令周期。
msc1210内部的时钟控制电路可以方便地设置不同的时钟信号。其秒、毫秒、微秒定时中断寄存器可以为系统定时控制提供方便，如设置内部flash擦除时间、写入时间。msc1210的所有i/o口都可以通过寄存器，配置成标准8051（上拉）、cmos输出、漏极开路输出、输入四种方式中的一种。
图1
2 msc1210中存储器配置和使用
msc1210的片内存储器包括：特殊功能豁口（sfr），flash寄存器，scratchpad ram,boot rom和sram。msc1210内置256字节的片内数据存储器和128字节的sfr，这与8051内核单片机是相同的；唯一的区别是msc1210定义了更多的特殊功能寄存器。msc1210的位地址空间也与8051相同，内部ram中的20h～2fh以及sfr中以0或8结尾的字节，都是可位寻址的。
msc1210中还有2kb的boot rom,用来控制串/并行编程时的操作。当boot rom使能时，其中的程序在用户模式下是可以访问的，这时，它的程序被定位在f800h～ffffh；而在编程模式下，boot rom被定位在程序存储器开始的2kb中。boot rom中含有一些调试编程常用的程序，如：
void autobaud(void);//设置波特率
char write_flash_chk(int fadd,char fdat,char fdm);//写flash并校验
根据型号的不同，msc1210系列有4kb到32kb的flash存储器。此外，片内还提供1kb的sram作为数据存储器。它也是通过movx指令访问的。sram的地址可从0000h或8000h开始，而flash数据存储器的地址紧接sram。
flash存储器作为数据存储器使用前，首先要对硬件寄存器0（hcr0）的低3位进行设置，分配数据存储空间的大小。根据晶振频率，设置msec和usec寄存器来提供flash存储器的擦除和写时间。擦除和写入可以直接调用boot rom中的程序，编程示意代码如下：
#include<stdio.h> //头文件引用
#include<msc1210.h>
#include“rom1210.h”
#define pagestart 0x0400 //定义进行改写的页面
#define pagesize 0x80
char xdata*pflashpage;定义指向此页面的指针
char xdata buffer[pagesize];//在xram里开辟缓冲区
int main()
{char result;unsigned char i;
autobaud();//调用bootrom中子程序，自动设置波特率，与计算机通信，返回调试
pflashpage=(char xdata*)pagestart
usec=12-1;msec=12000-1; //以12mhz晶振为例，设置
………… //毫秒、微秒寄存器
for(i=0;i<pagesize;i++)//从flash中读取一个页面到xram
buffer[i]=*pflashpage++;
buffer[0]+=1; //改变首字节值以重新写入
page_erase(pagestart,0xff,data_flash);//擦除页面内容，bootrom内带程序
result=0;
for(i=0;i<pagesize;i++)
result=result|write_flash_chk(pagestart+i,buffer[i],data_flash);//将修改后的数据写入，boot rom内带程序
3 高性能24位adc及其应用
msc1210内带8路24位模数转换器，自身可实现温度检测、输入源泉开路短路检测、增益和漂移校准等。内核中的32位累加器可实现24位结果的快速累加计算。
输入多路转换器将切换多路模拟输入信号到输入缓冲器。共有9路输入信号，其中1路为片内温度传感器信号，其余8路每路输入可设置单极性输入或差分输入，通过admux寄存器可随意配置其输入信号的正确与负端。片内配置有模拟输入缓冲，当使用输入缓冲时，典型输入阻抗为10gΩ；当不使用模拟输入缓冲时，输入阻抗（单位为Ω）由时钟频率与增益决定：
pga的增益可以设置为2 n(n=0～7)。通过pga的使用，可以用效提高a/d转换结果的分辨率。如输入信号幅度为40mv，设置pga=128，最小分辨率可达75nv。pga的模拟输入可以通过设置odac寄存器进行偏置，最大偏置为输入范围的一半。
adc的转换结果存储在adresh（高字节）、adresm（中字节）、adresl（低字节）中，配合总和寄存器和移位寄存器，可以方便地实现多次测量结果的累加和平均。总和寄存器是1个32位的值，被分为sumr0（lsb）、sumr1、sumr2、sumr3（msb），可以进行最大256次测量结果的累加和平均。当然，要得到测量结果的平均值，应当使累加次数和平均次数一致。通过sscon寄存器，可以设置成以下4种工作方式。
方式0：手动累加，每次测量完毕，将测量结果写入总和寄存器，完成累加。
方式1：adc自动累加，根据sscon中设置的累加次数，自动将测量结果累加到总和寄存器。
方式2：手动求平均值，将总和寄存器中的值除以次数，得到测量结果。
方式3：adc自动累加后求平均，根据sscon中设置的累加次数，自动完成测量结果的累加后求平均值。
下面的示意代码完成adc高精度测量过程。单次测量结果可以通过直接读取adresh、adresm、adresl得到。
//设置adc
pdcon&=0x0f7; //打开转换器，系统时钟开启
aclk=9； //设置aclk频率
admux=0x08; //选择第一通道正极性，aincon负极性
adcon0=0x30;//选择片内参考电压1.25v，关闭缓冲器，pga=1
adcon1=0x41;//单极性，滤波器自动模式，自校准
for(i=0;i<4;i++) //四个采样周期自校准
{while(!(aie&0x20));
resultl=adresl;
resultm=adresm;
resulth=adresh;}
sscon=0xdb; //方式3，adc自动累加后求平均，采样16次累加
while(!(aistat&0x40));//等待16次采样结果被累加完成
smu=（sumr3〈〈24〉+（sumr2〈〈16〉+（sumr1<<8）+sumr0;
4 msc1210调试方式
msc1210可以通过串口对flash编程，内部boot rom中提供了调试用的相关函数，避免了购买昂贵的开发设备，使基于msc1210的开发变得非常简单。
硬件方面需要在开发板上加一个rs232转换芯片，将msc1210的串口和计算机串口之间连接起来；同时，设置上电时ale和psen的状态来确定其编程/工作方式。msc1210有串行和并行两种编程模式：psen=0、ale=1时，为串行模式，即在线编程；psen=1、ale=0时，为并行模式，要用到第三方的编程器。当二者皆为高电平时，为一般用户模式。一般用户模式允许对flash程序存储器和flash数据存储器编程。如复位时检测到一般模式，则编程模式结束。
软件方面，ti公司提供了ti downloader插件，可以直接与keil配置使用。安装完成ti download后，打开keil,在tools里面选择customize tools menu,添加ti downloader插件，并对其进行配置，如图2所示。
在argument选项中，可以填入的参数为[/ffilename][/xcrystal freq.][/poort][/bbaud reat][/hhwdconfig][/tterm]
/ffile:目标文件（.hex格式），在keil环境中会自动用项目的目标文件代替（必选项）。
/xfeq:msc1210晶振频率（必选），x11指11.0592mhz。
/pport:pc串口选择（必选须）。
/bbaud:波特率（可选项）。
/h：如果设置该选项，则硬件寄存器被编程。
/t：如果设置该选项，下载完成后将弱出调试终端窗口（可选项）。
硬件配置寄存器（hcr0/hcr1）只能在编程模式下进行改写。此时，hcr0的地址为代码区807fh，hcr1的地址为807eh。通过如下程序进行配置（hcr0、hcr1各内容参见msc1210 datasheet）:
cseg at0807eh ；代码区地址设定
db 0fch ；hcr1的配置内容
db 0ffh ；hcr0的配置内容
5
msc1210以其优越的模拟和数字性能，可以轻松地构建高精度测量系统。我们以msc1210为核心，辅以少量的外围设备，设计了发电机转子绕组接地位置检测仪。充分利用了msc1210的高精度优势，使故障定位的准确度有了很大提高。可以预见，msc1210是便携式高精度测量系统的最佳选择。