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實際應用系統往往需要進行高精度的測量，同時還必須進行實時快速控制，提高其開發效率。為此人們常采用高精度A/D芯片加帶ISP開發功能的單片機系統來實現。德州儀器（TI）的MSC1210單片機解決了上述問題。它集成了一個增強型8051內核、高達33 MHz的時鐘周期、8路24位高精度∑-△A/D轉換器、Flash存儲器等，其系統功能和結構框圖如圖1所示。 MSC1210具有以下主要特性： ◇ 3個16位的定時器，16位PWM波輸出； ◇ 多達21個中斷源； ◇ 32個數字輸入/輸出端口，帶有看門狗； ◇ 8路ADC提供24位分辨率可編程的無丟失碼解決方案; ◇ 可編程增益放大（PGA）在1～128之間可調，極大提高了ADC精度； ◇ 供電電源2.7"5.25 V，在3 V時功耗低于4 mW，停止方式電流小于1μA； ◇ 內核兼容8051，指令與8051完全兼容，可以使用原有8051開發系統； ◇ 時鐘頻率可達33 MHz，單周期指令執行速度達8 MIPS，執行速度比標準8051快3倍； ◇ 高達32 KB的Flash存儲器，SRAM達1.2 KB，外部可擴展至64 KB存儲器； ◇ Flash在電壓低達2.7 V時仍可串行或并行編程，可10萬次擦除/寫操作； ◇ 具有32位累加器； ◇ 有電源管理功能，能夠進行低電壓檢測，在片上電復位； ◇ 帶FIFO的SPI端口，雙UART； ◇ 64TQFP封裝，MSC1210系列的硬件和引腳完全兼容，必要時可以互換。 1 內核兼容8051但速度更快功能更強 MSC1210系列的所有指令功能與標準8051相同，對位、標志和寄存器的影響相同，但時序不同。MSC120單片機使用精簡的8051內核，在同樣的外部時鐘作用下，其執行速度比標準8051快1.5"3倍(每條指令有4個時鐘周期與12個時鐘周期的區別)。在同樣的指令和時鐘下，速度提高到2.5倍以上。因此，一個時鐘為33 MHz的MSC1210執行速度與一個時鐘為82.5 MHz的標準8051相同，其區別可以從圖2看出；而且MSC1210的定時器和計數器可以選擇每12個或4個時鐘周期計數一次。 MSC1210提供了雙數據指針(DPTR)加速數據塊的移動速度，它能根據外部存儲器的速度調節讀寫速度，在2～9個指令周期之間變化；它還提供給外部存儲器16位地址總線(P0和P2)。低位地址通過P0口復用得到，硬件可以控制P0和P2口是作為地址線還是作為通用的I/O。 為了更好地提高效率，外圍設備也在8051基礎上作了改進。如SPI端口就增加了FIFO，使得傳輸數據有了緩沖區間。32位累加器的使用在處理ADC采樣或其它數據源來的多字節數據時將大大減輕CPU的負擔，使得24位加法和移位可以在幾個指令周期內完成，而無需通過軟件用數百個指令周期來完成。 MSC1210系列的硬件和引腳完全兼容，對用戶而言，唯一的區別在于內存配置不同。MSC1210Y2上編寫的程序代碼可以直接在MSC1210Y3、MSC1210Y4、MSC1210Y5上執行。用戶可以在軟件功能上增減并配以不同的CPU型號，MSC1210已成為一個擁有幾個不同應用平臺的標準設備。 MSC1210的開發工具與8051的開發系統完全兼容，用戶可以使用原有的8051開發系統，也可以使用DEMO板帶的開發系統或者第三方支持者提供的開發工具。 2 24位高分辨率ADC通道 （1）ADC的輸入多路復用器及輸入緩沖 輸入多路復用器允許不同輸入信號通過選擇輸入通道進行組合，如AIN0被選為ADC輸入正端，其它任何通道可以選為ADC輸入負端。用這種方式可以組成8個完整的ADC輸入通道，也可以在差分輸入通道間切換極性。片上的二極管可以提供溫度測量，當輸入多路復用器的寄存器置為全“1”時，二極管被接入ADC通道的輸入端開始測量溫度。 MSC1210在沒有緩沖區時輸入電阻為5M/PGA，緩沖區由ADC控制寄存器中的BUF位控制。當沒有選擇輸入緩沖區時，模擬輸入阻抗與時鐘頻率(ACLK)和增益(PGA)有關，其關系式為 其模擬輸入通道的等效結構如圖3所示。 （2）可編程增益放大器PGA ① PGA：可編程增益放大PGA可以設為1、2、4、8、16、32、64、128，使用PGA確實能提高ADC的分辨率。當PGA=1，量程范圍為5 V時，ADC能分辨到1μV；當PGA=128，量程范圍為40 mV時，ADC能分辨到75 nV；而在PGA=1時，在5 V量程范圍內需要一個26位的ADC才能分辨到76 nV。 ② PGA偏移DAC：ODAC寄存器是8位，它能將輸入到PGA的模擬信號偏移PGA滿量程的一半，其最高位為符號位，低7位提供偏移量。由于ODAC給PGA引入的是模擬量而不是數字量偏移，所以并不影響測量結果的精度。 （3）電壓參考基準 MSC1210的電壓參考可以是內部的也可是外部的，上電復位以后的電壓參考是內部的2.5 V，參考電壓的選擇通過ADCON0控制。片上內部參考電壓有1.25 V和2.5 V兩種可選，其精度可達0.2 %，溫漂僅為5%26;#215;10-6/℃，可大大提高測量精度。如果沒有用到內部參考電壓，就應該將其關掉以減少噪聲和功耗。VREFOUT引腳處應該放一個0.1μF去耦電容。外部參考電壓為REF IN+與REF IN-之間的差值，引腳上的絕對電壓在AGND與AVDD之間，但其差分電平不能超過2.6 V。 3 片內存儲器 MSC1210包括片上1.2 KB SRAM ，256字節DARAM，2KB啟動ROM，32 KB Flash存儲器。 MSC1210用內存尋址表來區分程序存儲空間和數據存儲空間。程序空間由單片機自動讀取，通過指令MOVC來讀程序空間；數據空間通過指令MOVX來讀寫。當片上存儲使能時，在片內范圍內的讀寫將在片內存儲器上進行，片外存儲器通過P0和P2尋址來實現。HCR1寄存器的第0位和第1位設為0就可以訪問外部存儲器，此時可以通過P0和P2口訪問所有片內和片外存儲空間。為了安全起見，在訪問片內存儲器期間，P0口全部置位為0。 MSC1210包含1.2 KB片上SRAM。SRAM起始地址位“0”，通過MOVX指令讀寫。SRAM也可以從8400H開始，既可作程序空間又可作數據空間。 MSC1210有256字節DARAM，地址為0000H"00FFH，其中128字節為128個SFR，地址為0080H"00FFH。SFR寄存器用做控制和狀態，標準的8051功能和MSC1210的附加功能是通過SFR實現的。從沒有定義的SFR寄存器將得到“0”，寫入沒有定義過的SFR得到的結果無法確定。DARAM的另一個用途，是通過SFR的堆棧指針作為堆棧使用。 在串行或并行編程時，有2KB啟動ROM控制運行。在用戶模式下，BOOT ROM位于F800H"FFFFH；在編程模式下，BOOT ROM位于程序空間的起始2K。 Flash存儲器既可用做程序存儲空間又可用做數據存儲空間，用戶可以靈活配置程序和數據存儲空間的大小。分區大小通過硬件配置位來確定，可以通過串行或并行的方式來編程確定。在用戶應用模式下，程序和數據Flash存儲空間都可讀可寫。 4 Flash編程應用 可編程的Flash存儲器分為4個部分：128字節的配置部分、復位向量、程序存儲空間、數據存儲空間。 Flash編程模式有串行和并行兩種模式，通過上電復位過程當中的ALE和信號狀態確定。當ALE=1，=0時，選擇串行編程模式；當ALE=0，=1時，選擇并行編程模式。當ALE和都為高電平時，MSC1210運行在用戶模式下；當ALE和都為低電平時，MSC1210沒有定義。 MSC1210的Flash存儲器初始值全部為“1”，并行編程模式包括一個專用的編程器，串行編程方式通常為在線編程，用戶應用模式允許對Flash程序和數據存儲器編程。對Flash編程的實際代碼不能從Flash執行，而必須從BOOT ROM或RAM處開始執行。 MSC1210有兩個硬件配置存儲器(HCR0、HCR1)，在Flash編程模式下可編程。用戶通過對這兩個存儲器編程可以在程序存儲空間(PM)和數據存儲空間(DM)之間定義分區，如表1所列。 表1 MSC1210的Flash分區 HCR0 MSC1210Y2 MSC1210Y3 MSC1210Y4 MSC1210Y5 DFSEL PM/KB DM/KB PM/KB DM/KB PM/KB DM/KB PM/KB DM/KB 000 0 4 0 8 - - - - 001 0 4 0 8 - - 0 32 010 0 4 0 8 0 16 16 16 011 0 4 0 8 8 8 24 8 100 0 4 4 4 12 4 28 4 101 2 2 6 2 14 2 30 2 110 3 1 7 1 15 1 31 1 111(缺省) 4 0 8 0 16 0 32 0 注：當程序空間選擇0KB時，程序在片外執行；"一"表示保留。 用戶可以通過MOVX指令來讀寫Flash存儲器，而不論Flash存儲器是被定義為程序存儲器還是數據存儲器。這意味著用戶可以將全部空間分為程序存儲空間，并將程序空間當數據存儲空間用。當PC指針指向的程序空間實際上存放的是數據時，將會導致不可預知的后果。因此，當要用Flash存儲數據時，一定要求使用Flash分區，Flash分區禁止在數據存儲空間執行程序。同樣，也禁止程序空間的擦寫而允許在數據存儲空間讀寫。 5 結 論 MSC1210作為一款高性能的內核兼容8051的單片機，其開發的方便、靈活和高精度ADC的使用滿足了使用者的要求，其指令執行速度更是實時系統所渴求的，可廣泛用于工業過程控制、醫療儀器、智能傳感器等各個領域。 |
