带8051内核的系统级ADC芯片MSC1210介绍及应用
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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，返回调试信息
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 总结
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。
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