摘要 系统级单片机——MSC1210Y5是一种典型的嵌入式系统，内部包含性能优异的前向通道和单片机内核。将这种片上系统应用在数据采集系统中，可实现较高精度等级的测量。文章介绍这个片上系统的优势和功能特点，并通过实际应用的情况进行说明。由于模拟前向通道的很多环节都包含在这个系统内，使得应用系统的硬件结构非常简捷。系统的设计工作集中在程序设计，使得开发周期缩短。文章还给出部分应用程序的设计流程。
关键词 片上系统 MSC1210Y5 数据采集 高分辨率
在一些要求比较高的恒温系统中，做到0.01℃分辨力是有一定的难度的，我们在与湖北省计量测试技术研究院合作的项目中涉及到这个问题。这是一个用于检定铂电阻的恒温槽测量控制系统，测量介质是油或水，温度范围为-30~300°C，恒温系统的温度场分布要求非常均衡，测量值的分辨力必须达到0.01℃。初起阶段，由于当时技术水平和器件性能的限制，测量精度和稳定性无法达到十分理想的水平。最近一段时间，系统级单片机（也即片上系统）的推广和应用，使测控领域出现了比较大的变化，新的技术和新的器件对于我们的设计工作产生了比较大的影响，也使我们的技术方法和设计理念发生了很大的改变。
1系统级的单片机
表1片上系统的产品状况
厂家〖〗典型芯片〖〗主要特点ADI公司〖〗ADμC812/16/24〖〗高精度ADC和DAC等强大混合信号处理为一体的高性能单片机Maxim公司〖〗MAX7651/7652〖〗12位数据采集系统，具有算法、开关电容、模数转换器(ADC)、脉宽调制数模转换器(DAC)、包含多种I/O外设的工业标准8051微处理器Cygnal公司〖〗C8051Fxxx〖〗混合信号处理、高速度和十分独特的口线管理能力Nordic〖〗nRF24E1〖〗2.4 GHz无线收发＋125频道＋1 Mbps＋增强型51单片机＋UART＋SPI＋9路ADC＋PWM＋RTC＋WDTTI公司〖〗MSC121X〖〗自带24位高精度的Σ-Δ型A／D转换器、可编程增益放大器、可编程滤波器、2个串口、4个D／A转换器、支持SPI或I2C总线XEMICS公司〖〗XE881C0x〖〗片内集成了放大器、LCD驱动电路;功耗很低新茂半导体公司〖〗SSU7301〖〗内部集成了液晶驱动器(LCD Driver)、A/D转换器、脉宽调制输出(PWM)、蜂鸣信号输出(buzzer)和看门狗电路(watchdog)等外围电路Cypress公司〖〗CY7C68013〖〗集成了USB2.0收发器、SIE（串行接口引擎）TI公司〖〗TUSB3210〖〗带有USB接口的微控制器Atmel公司〖〗AT89C5122〖〗支持USB和读卡器ADI公司〖〗ADuC834BS〖〗24位+16位ADC，单12位电压输出DAC+ 2个PWM、精密温度传感器，UART/SPI串行总线端口，看门狗，电源监控
要实现高精度的数据采集，首先，必须根据要求对于系统的关键部件进行选择。这是关系到系统设计成败的一个重要问题。近两年，出现了一部分性能优异的系统级单片机（或者称为片上系统），它们具有强大的混合信号处理功能。其内核是一些高性能单片机或微处理器，同时，它们也将常用的部件集成在电路内部，譬如，将高精度的ADC和DAC、串行接口引擎、USB接口、LCD驱动电路、无线收发等一类功能部件进行组合。表1为几个器件生产厂家的产品情况，其大部分是以51系列兼容的单片机作为其内核，计算机只是作为基本控制器嵌入到各种系统中。这类功能组合并不是简单或机械式的拼凑，而是考虑系统设计和功能上的需要，这是技术发展和进步的必然结果。由目前的发展情况和技术上的需求，完全有理由相信——今后会有更多的、性能优异的片上系统出现。这会给我们提供更多的选择。
从表1可以看到，片上系统种类较多且性能优异。在我们的设计中，主要是基于ADC的技术指标考虑，因此优选TI公司MSC121X系列。在这个系列中，选择了性价比稍高的MSC1210Y5。经过实际测试，其性能指标均可达到要求。
2MSC1210Y5
图1为MSC1210Y5的主要结构框图。它包含增强型8051的内核，并在这个基础上对于8051的功能上进行了扩展。譬如说，它的内部有高达32 KB的Flash存储器，SRAM达1.2 KB，有多达21个中断源，执行速度比标准8051快3倍等等。关于这方面的情况在资料中已有详细介绍，在此不重复。
MSC1210Y5内部还包含完整的前向通道。由图1可见它的内部有多路开关，可以选择差分输入的形式——具有4路差分信号接入;或者选择单端对地输入的形式——可接入8路输入信号。在这个通道上，还可以选择使用缓冲器，它的内部放大器为可编程增益放大（PGA），可以选择增益值（在1～128之间可调）。这样一来，对于一些输出微弱信号的传感器来说就比较方便。它们可以直接接入MSC1210Y5的输入端，无须在电路中再增加中间的放大环节， 这对于系统设计是十分有利的。 此外， MSC1210Y5图1MSC1210Y5内部通道结构框图的A/D转换器为24位高分辨率∑-ΔA/D转换器，内部还具有三种数字滤波方式可供选择。我们测试过它的A/D转换性能，基本达到说明书所规定的范围。综上所述，MSC1210Y5是一种高性价比的片上系统和混合电路，既有复杂的逻辑功能，又包含高精度数据转换器。之所以选择它，主要是基于以下的考虑：
图2系统测量电路原理① 24位的ADC，这是实现高精度的重要保证。
② 内部包含完整的前向通道（包括输入缓存器、模拟开关电路、可编程增益放大器和ADC转换器以及数字滤波部分），使用非常方便。此外，内部还包含后向通道——DAC，这些是完成测控系统的必需部分。这样功能完备的片上系统，需要的外围电路很少，整机结构显得异常简洁。
③ 通过改变命令寄存器的方式设置内部通道功能，用指令就可以选择输入缓存器、设置放大增益、控制通道开关切换、进行偏置校正等。这些情况改变了过去依靠硬件设计方式，系统的设计方法产生很大的变化。
④ 提供了多种开发环境以满足不同的开发需求，用于仿真系统和在系统调试。这些手段使得系统的研制周期大大缩短，同时方便系统的调试工作。
3测量电路的结构
系统的测量电路是以片上系统——MSC1210Y5为中心的电路。这个IC芯片已经集成了模拟电路和控制逻辑，一方面内部逻辑功能比较强;另一方面它包含了比较完整的测量通道，因此所需要的外围电路很少，是一种结构紧凑的实用电路。图2为测量电路的原理。线路中主要2块IC芯片为MSC1210Y5和MAX3223。前者是一个片上系统，工作频率为1.843 2 MHz，并且包含32 KB Flash 存储器;后者提供片上系统与PC机Comm 口通信的RS232接口。由于IC芯片的功耗很低，板上的DVdd电源(3.3 V)由PC机的（RS232接口）提供，除了RS232接口的接线，只需要接入J1、J2插座的信号（8个AIN线、REF以及公共地）线，不再需要连接，使用非常方便。此外，电路中还预留一部分接口线供用户灵活选择使用，包含第2串行口以及4根可配置为SPI接口、中断输入或者I/O端口线，在用户选择和连接后就可以使用。
图2左上角的虚线框内是一个恒流源电路，电位器P1可以调整电流IS的恒流值，选择IS=1～2 mA。串入电流回路中有两个电阻:一个是测温电阻RPt100 ，另一个是标准锰铜电阻R0 。为了满足测量精度的要求，这两个电阻均采用四线制接入方式，电阻RPt100的两端接入差分输入端Ain0和 Ain1 ;而电阻R0的两端接入参考电压的两个输入端VREF+和VREF-。
由于ADC的被测电压VX和基准电压VR中间有严格的比例关系，即输出读数DX=VX /VR×Dmax(1)Dmax为ADC最大输出数字。在24位双极性输出的情况下，Dmax=±2 23;而VX 和VR是串入回路中两个电阻上的电压。假定恒定电流值为IS，则有DX=（RPt100×IS）/（R0× IS）×（±2 23）(2)
即DX=RPt100/R0×(± 2 23）(3)读数值DX能够反映出测温电阻RPt100与标准锰铜电阻 R0之间的比值关系，而后者是一个非常精确的标准电阻，也就是输出读数值与RPt100成正比的关系，通过它可以反映温度的变化情况。这种方法是采用恒流源电路的测量方法，相对于桥路的测量法来看是一种比较简单的测量方法，在实际应用中能够满足精度要求。
4测量电路的控制流程
MSC1210Y5包含2个串口，选取其中的一个串口用来与PC机通信，因此测量电路程序的主要任务是：①控制内部ADC的测量过程，读取转换的数据;②与上位机（PC机）通信，读取上位机的命令和有关的控制参数，同时向上位机传送转换的数据。图3为测量电路的控制流程。
图3测量部分程序流程
程序开始部分设置串口通信的基本参数，如设置波特率、数据格式、定时/计数器工作方式、时间常数等，同时使串口处于“接收”状态——等待上位机送过来的命令和数据，在框图中将依次读到的PC机的2字节的串码（暂存在R6、R7）的控制字传送到MSC1210Y5内部寄存器ADCON1和ADCON0，实现对于ADC的控制命令写入。其后将ADCON3、ADCON2、ADMUX和PDCON几个寄存器的内部写入相应的命令或参数值，通过这些过程就能够完成对于MSC1210Y5内的ADC的设置和启动。之后，内部ADC的转换过程就不需要用程序干预了。控制程序的任务则是不断地去读取ADC转换结果，并且向上位机传送。程序流程的后半部分是一个循环过程，循环部分的开始是将MSC1210Y5串口转换为“发送”状态——向上位机送数据。由于它的ADC是24位分辨率，转换数据必须分为3个字节依次向上位机发送。即首先将ADC转换结果寄存器1的数据通过送SBUF发送，然后是ADC转换结果寄存器2的数据，最后是ADC转换结果寄存器3的数据。当然这个过程还应包含发送同步字符及CRC校验等过程。
结语
要想设计性价比较高的系统，关键部件的选择是很重要的。MSC1210Y5是一款性能优异的片上系统。采用它一方面能够达到高精度测量的需要，同时也使得整个系统结构更加简单。随着技术的进步，这类器件的应用会越来越普遍。
参考文献
1MSC1210 Data Sheet. http://wwws.ti.com/sc/ds/msc1210.pdf
2MSC1210EVM Manual (SBAU073, 1263 KBUpdated: 10/08/2001). http://wwws.ti.com/sc/psheets/sbau073/sbau073.pdf
3许松顺，苏中义.智能A/D转换器MSC1210在医用流量检测仪中的应用.电工技术,2003(6)
何嘉斌:副教授,主要研究方向为仪器仪表和计算机应用，测控领域的数据采集及数据传输。何方、严杰：研究生，主要研究方向为计算机应用。马海红：研究生，主要研究方向为嵌入式系统。
