摘 要： 介紹了微處理器MSC1210的功能和特點(diǎn)，對基于MSC1210的便攜式高精度數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件組成和軟件設(shè)計進(jìn)行了闡明，通過嵌入式GUI開發(fā)實(shí)現(xiàn)了液顯人機(jī)交互" title="人機(jī)交互">人機(jī)交互功能。該系統(tǒng)具有速度快、處理能力強(qiáng)、可靠性高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞： MSC1210Y5 數(shù)據(jù)采集 高精度
美國德州儀器公司(TI)推出了一種功能性強(qiáng)、帶24位A/D轉(zhuǎn)換器的微處理器MSC1210。MSC1210具有增強(qiáng)特性，特別適合高精度溫度測量、壓力傳感器等輸出的微弱信號。本文介紹以MSC1210作為測量及信號處理核心的便攜式高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)測量精度高，可以快速方便地進(jìn)行高精度數(shù)據(jù)測量。
1 總體設(shè)計
本系統(tǒng)是一種便攜式高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，集高精度數(shù)據(jù)采集、快速數(shù)據(jù)處理、彩色液晶顯示于一體。應(yīng)用系統(tǒng)的硬件部分主要由前端數(shù)據(jù)采集、處理電路和后端數(shù)據(jù)處理、液晶顯示電路構(gòu)成。這兩部分通過RS-232串行接口通信。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
前端的硬件部分主要是以MSC1210為核心的數(shù)據(jù)采集電路。后端的硬件部分主要由三大塊構(gòu)成：以S3C44BOX為核心的系統(tǒng)板；集JTAG調(diào)試電路、系統(tǒng)電源、LCD接口電路的輔助板；液晶屏。
為了整個系統(tǒng)的便攜性，在設(shè)計過程中充分考慮了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，根據(jù)實(shí)際需要選取了5.7英寸、256色、320×240像素的STN液晶屏。根據(jù)液晶屏的尺寸大小并結(jié)合最終應(yīng)用系統(tǒng)的外形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，繪制了以S3C44BOX為核心的系統(tǒng)板和集JTAG調(diào)試電路、系統(tǒng)電源、LCD接口電路的輔助板。這三大塊的構(gòu)成模型如圖2所示。
系統(tǒng)前后端接口豐富，擴(kuò)展性強(qiáng)，硬件一旦成型就相對固定。使用時，根據(jù)具體的應(yīng)用場合，前端輔以不同類型的傳感器，組成高精度的數(shù)據(jù)采集傳輸模塊，前后端分別編寫相應(yīng)的應(yīng)用軟件完成高精度的數(shù)據(jù)采集、處理和人機(jī)交互顯示功能。
2 數(shù)據(jù)采集部分硬件設(shè)計
數(shù)據(jù)采集部分的核心器件MSC1210為TI公司的系統(tǒng)級高精度ADC芯片系列。它內(nèi)置24位低功耗Σ-Δ ADC前端信號調(diào)理電路——多路模擬開關(guān)、緩沖器、PGA(可編程增益放大)、電壓參考，且集成了高性能8051處理器內(nèi)核、Flash存儲器和32位累加器、兼容SPI串口" title="串口">串口等多種片上外設(shè)。MSC1210具有下列優(yōu)點(diǎn)：
(1)24位的ADC，其有效精度高于22位，這是實(shí)現(xiàn)高精度的重要保證。
(2)其內(nèi)部包含完整的前向通道(包括輸入緩存器、模擬開關(guān)電路、可編程增益放大器、ADC轉(zhuǎn)換器以及數(shù)字濾波部分)，使用非常方便。此外，還包含后向通道DAC，功能十分完備。
(3)通過改變命令寄存器的方式對內(nèi)部通道功能進(jìn)行設(shè)置，用指令選擇輸入緩存器、設(shè)置放大增益、控制通道開關(guān)切換、進(jìn)行偏置校正等。
(4)系統(tǒng)還提供了多種開發(fā)環(huán)境以滿足不同的開發(fā)需求，可用于仿真系統(tǒng)和在系統(tǒng)調(diào)試。
數(shù)據(jù)采集部分電路結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。
由圖3可知，整個數(shù)據(jù)采集電路是以片上系統(tǒng)MSC1210Y5為中心的電路。由以上介紹可知，此IC芯片集成了模擬電路和控制邏輯，內(nèi)部邏輯功能比較強(qiáng)，且包含了比較完整的測量通道。因此所需要的外圍電路很少，是一種結(jié)構(gòu)緊湊的實(shí)用電路。線路中2塊主要IC芯片為MSC1210Y5和MAX3223。前者是一個片上系統(tǒng)，工作頻率為1.8432MHz，并且包含32KB Flash存儲器；后者提供片上系統(tǒng)與后端人機(jī)交互系統(tǒng)串口通信的RS-232接口。由于IC芯片的功耗很低，板上的DVdd電源(3.3V)由后端系統(tǒng)通過RS-232接口提供。除了RS-232接口的接線，只需要接入J1、J2插座的信號(8個AIN線、REF以及公共地)線，不再需要其他連接，使用非常方便。此外，在電路中還預(yù)留一部分接口線供系統(tǒng)功能擴(kuò)展。
3 數(shù)據(jù)采集部分軟件設(shè)計
實(shí)際應(yīng)用中,MSC1210Y5需完成微弱信號的多路切換、信號緩沖、PGA編程放大、24位Δ-ΣA/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)處理、信號校準(zhǔn)以及串口通信等功能。MSC1210Y5包含2個串口，選取其中的一個串口與后端人機(jī)交互系統(tǒng)通信，負(fù)責(zé)接收后端發(fā)送的控制命令和控制參數(shù)以及發(fā)送前端采集、處理的數(shù)據(jù)。因此數(shù)據(jù)采集電路程序的主要任務(wù)是：
(1)控制內(nèi)部ADC的測量過程，讀取轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。
(2)與后端(S3C44B0X系統(tǒng))通信，讀取上位機(jī)" title="上位機(jī)">上位機(jī)的命令和有關(guān)的控制參數(shù)，同時向上位機(jī)傳送轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)采集電路的程序控制流程如圖4所示。
程序開始部分設(shè)置串口通信的基本參數(shù)，如傳輸速率、數(shù)據(jù)格式、定時/計數(shù)器工作方式、時間常數(shù)等，同時使串口處于接收狀態(tài)，等待上位機(jī)傳送過來的命令和數(shù)據(jù)。將依次讀到的后端系統(tǒng)的2字節(jié)的串碼(暫存在R6、R7)的控制字傳送到MSC1210Y5內(nèi)部寄存器ADCON1和ADCON0，實(shí)現(xiàn)對ADC的控制命令寫入。其后在ADCON3、ADCON2、ADMUX和PDCON這幾個寄存器的內(nèi)部寫入相應(yīng)的命令或參數(shù)值。通過這些過程即可完成對MSC1210Y5內(nèi)ADC的設(shè)置和啟動。此后內(nèi)部ADC的轉(zhuǎn)換過程就不需要程序干預(yù)了。控制程序的任務(wù)則是不斷地讀取ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果，并且向上位機(jī)傳送。在程序流程的后半部分是一個循環(huán)過程，循環(huán)的開始是將MSC1210Y5串口轉(zhuǎn)換為發(fā)送狀態(tài)——向后端系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)。由于ADC是24位精度，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)必須分為3個字節(jié)，依次向上位機(jī)發(fā)送。即首先將ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器1的數(shù)據(jù)通過SBUF發(fā)送，然后是ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器2的數(shù)據(jù)，最后是ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器3的數(shù)據(jù)。
4 嵌入式GUI應(yīng)用概述
整個系統(tǒng)的硬件由兩大部分組成，一部分是上面介紹的前端的數(shù)據(jù)采集部分，另一部分即是后端的基于S3C44BOX微處理器的數(shù)據(jù)處理和液晶顯示部分。兩部分通過RS-232串行接口通信。
后端的軟件由三部分組成：系統(tǒng)啟動加載程序Boot loader、嵌入式實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OS-II、基于μC/OS-II的應(yīng)用程序。其中基于μC/OS-II的應(yīng)用程序主要包括串行口通信程序和基于μC/GUI" title="C/GUI">C/GUI的圖形用戶接口程序。
系統(tǒng)中串口用于S3C44BOX控制器向前端數(shù)據(jù)采集部分發(fā)送控制命令和控制參數(shù)，并實(shí)時接收前端發(fā)送的采集數(shù)據(jù)，送由控制器處理及進(jìn)行液晶顯示。
μC/GUI是Micrium公司開發(fā)的一種商用通用型嵌入式應(yīng)用圖形軟件，具有模塊化的特點(diǎn)。它可以為任何使用圖像LCD的應(yīng)用程序提供一個高效的、獨(dú)立于處理器和LCD控制器的圖形用戶接口。用戶使用它可以方便地定制出自己的圖形用戶界面，完成各種應(yīng)用程序的開發(fā)。由于μC/GUI需要的資源較小，再加上它提供了源代碼，可以很容易地將它移植到各個平臺下,因此很適合嵌入式系統(tǒng)中GUI應(yīng)用的開發(fā)。
由于μC/GUI不支持ARM7處理器S3C44BOX，因此，要把μC/GUI移植到系統(tǒng)平臺上，需要完成μC/GUI在系統(tǒng)硬件平臺上的各種驅(qū)動。μC/GUI和μC/OS-II經(jīng)過合理的配置后，為人機(jī)交互系統(tǒng)生成了生動、直觀的圖形人機(jī)界面。
采用TI公司的微控制器MSC1210開發(fā)的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集精度高、抗干擾能力強(qiáng)。本系統(tǒng)具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性和較寬的調(diào)節(jié)范圍，可廣泛用于工業(yè)過程控制、醫(yī)療儀器、智能傳感器等各個領(lǐng)域。
參考文獻(xiàn)
1 何嘉彬.用MSC1210構(gòu)成的高精度數(shù)據(jù)采集器.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2005；(5)
2 敬 嵐，喬衛(wèi)民.基于微控制器MSC1210的數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計.原子能科學(xué)技術(shù)，2004；(7)
3 司剛前.帶8051內(nèi)核的系統(tǒng)級ADC芯片MSC1210介紹及應(yīng)用.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2004；(7)
4 鄧宏彬.MSC121X系統(tǒng)級單片機(jī)原理與應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004
5 王田苗.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用實(shí)例開發(fā).北京：清華大學(xué)出版社，2003